Due nuovi studi dell’Università del Michigan hanno scoperto perché quello accade e cosa accade all’interno del cervello durante il sonno e la privazione del sonno per aiutare o danneggiare la formazione dei ricordi.
L’importanza del sonno per preservare i ricordi
Neuroni specifici possono essere sintonizzati su stimoli specifici. Ad esempio, i ratti in un labirinto avranno neuroni che si attivano quando l’animale raggiunge punti specifici nel labirinto. Questi neuroni, chiamati neuroni di luogo, sono attivi anche nelle persone e aiutano le persone a orientarsi nel loro ambiente.
Cosa succede durante il sonno?
“Se quel neurone risponde durante il riposo notturno, cosa puoi dedurre da ciò?” ha detto Kamran Diba, Ph.D., professore associato di Anestesiologia presso la UM Medical School.
Uno studio, riassunto nella rivista Nature e condotto da Diba e dall’ex studente laureato Kourosh Maboudi, Ph.D., esamina i neuroni nell’ippocampo, una struttura a forma di cavalluccio marino nelle profondità del cervello coinvolta nella formazione della memoria , e ha scoperto un modo per visualizzare la sintonizzazione dei modelli neuronali associati a una posizione mentre un animale dormiva.
Un tipo di attività elettrica chiamata increspature a onde acute emana dall’ippocampo ogni paio di secondi, per un periodo di molte ore, durante gli stati di riposo.
I ricercatori sono rimasti incuriositi da quanto siano sincrone le increspature e da quanto lontano viaggiano, apparentemente per diffondere informazioni da una parte all’altra del cervello. Si ritiene che queste attivazioni consentano ai neuroni di formare e aggiornare i ricordi, compresi quelli del luogo.
Per lo studio, il team ha misurato l’attività cerebrale di un ratto durante il riposo notturno, dopo che il topo aveva completato un nuovo labirinto. Usando un tipo di inferenza statistica chiamata apprendimento bayesiano, sono stati per la prima volta in grado di tracciare quali neuroni avrebbero risposto a quali punti del labirinto.
“Diciamo che un neurone preferisce un certo angolo del labirinto. Potremmo vedere quel neurone attivarsi con altri che mostrano una preferenza simile durante il riposo notturno. Ma a volte i neuroni associati ad altre aree potrebbero coattivarsi con quella cellula.
Lo abbiamo poi visto quando abbiamo rimettendolo nel labirinto, le preferenze di posizione dei neuroni cambiavano a seconda delle cellule con cui si attivavano durante il riposo notturno,” ha detto Diba.
Il metodo consente loro di visualizzare la plasticità o la deriva rappresentazionale dei neuroni in tempo reale. Fornisce inoltre ulteriore supporto alla teoria di lunga data secondo cui la riattivazione dei neuroni durante il riposo notturno è parte del motivo per cui il sonno è importante per i ricordi. Data l’importanza del riposo notturno, il team di Diba ha voluto osservare cosa accade nel cervello nel contesto della privazione del riposo notturno.
Nel secondo studio , anch’esso pubblicato su Nature , il team, guidato da Diba e dall’ex studente laureato Bapun Giri, Ph.D., ha confrontato la quantità di riattivazione dei neuroni, in cui i neuroni che si attivavano durante l’esplorazione del labirinto si attivano di nuovo spontaneamente a riposo. e la sequenza della loro riattivazione (quantificata come replay), durante il sonno rispetto a durante la perdita di riposo notturno.
Hanno scoperto che i modelli di attivazione dei neuroni coinvolti nella riattivazione e nella riproduzione dell’esperienza del labirinto erano più elevati durante il sonno rispetto alla privazione del riposo notturno.
La privazione del riposo notturno corrispondeva a un tasso simile o più elevato di increspature di onde acute, ma onde di ampiezza inferiore e increspature di potenza inferiori.
“In quasi la metà dei casi, tuttavia, la riattivazione dell’esperienza del labirinto durante le increspature delle onde acute è stata completamente soppressa durante la privazione del riposo notturno”, ha detto Diba.
Quando i ratti privati del sonno sono riusciti a recuperare il sonno, ha aggiunto, anche se la riattivazione è leggermente aumentata, non ha mai eguagliato quella dei ratti che dormivano normalmente. Inoltre, la riproduzione era similmente compromessa ma non veniva recuperata quando veniva riacquistato il riposo notturno perduto.
Poiché la riattivazione e la riproduzione sono importanti per la memoria, i risultati dimostrano gli effetti dannosi della privazione del riposo notturno sulla memoria. Il team di Diba spera di continuare a studiare la natura dell’elaborazione della memoria durante il riposo notturno, il motivo per cui è necessario riattivarla e gli effetti della pressione del sonno sulla memoria.
Il sonno ripristina le connessioni cerebrali
Durante il sonno, il cervello indebolisce le nuove connessioni tra i neuroni che erano state forgiate durante la veglia, ma solo durante la prima metà della notte di sonno, secondo un nuovo studio sui pesci condotto da scienziati dell’UCL.
I ricercatori affermano che i loro risultati, pubblicati su Nature , forniscono informazioni sul ruolo del sonno, ma lasciano ancora una domanda aperta su quale funzione svolga la seconda metà del sonno notturno.
I ricercatori affermano che lo studio supporta l’ipotesi dell’omeostasi sinaptica, una teoria chiave sullo scopo del sonno che propone che il sonno agisca come un reset per il cervello.
L’autore principale, il professor Jason Rihel (UCL Cell & Developmental Biology), ha dichiarato: “Quando siamo svegli, le connessioni tra le cellule cerebrali diventano più forti e complesse. Se questa attività dovesse continuare senza sosta, sarebbe energeticamente insostenibile. Troppe connessioni attive tra le cellule cerebrali potrebbero impedire la creazione di nuove connessioni il giorno successivo.
“Anche se la funzione del sonno rimane misteriosa, potrebbe servire come periodo ‘off-line’ in cui tali connessioni possono essere indebolite nel cervello, in preparazione per imparare cose nuove il giorno successivo.”
Per lo studio, gli scienziati hanno utilizzato pesci zebra otticamente traslucidi, con geni che consentono di visualizzare facilmente le sinapsi (strutture che comunicano tra le cellule cerebrali). Il gruppo di ricerca ha monitorato i pesci durante diversi cicli sonno-veglia .
I ricercatori hanno scoperto che le cellule cerebrali acquisiscono più connessioni durante le ore di veglia e poi le perdono durante il sonno. Hanno scoperto che ciò dipendeva da quanta pressione del sonno (bisogno di sonno) l’animale aveva accumulato prima di poter riposare; se gli scienziati privavano il pesce del sonno per qualche ora in più, le connessioni continuavano ad aumentare finché l’animale non riusciva a dormire.
Il professor Rihel ha aggiunto: “Se i modelli che abbiamo osservato sono veri negli esseri umani, i nostri risultati suggeriscono che questo rimodellamento delle sinapsi potrebbe essere meno efficace durante un pisolino di mezzogiorno, quando la pressione del sonno è ancora bassa, piuttosto che di notte, quando abbiamo davvero bisogno di dormire.” il sonno.”
I ricercatori hanno anche scoperto che questi riarrangiamenti delle connessioni tra i neuroni avvenivano soprattutto nella prima metà del sonno notturno dell’animale. Ciò rispecchia il modello dell’attività a onde lente, che fa parte del ciclo del sonno ed è più forte all’inizio della notte.
La prima autrice, la dottoressa Anya Suppermpool (UCL Cell & Developmental Biology e UCL Ear Institute), ha dichiarato: “I nostri risultati aggiungono peso alla teoria secondo cui il sonno serve a smorzare le connessioni all’interno del cervello, preparandosi per un ulteriore apprendimento e nuove connessioni il giorno successivo. Ma il nostro studio non ci dice nulla di ciò che accade nella seconda metà della notte.
“Ci sono altre teorie secondo cui il sonno è un momento per l’eliminazione dei rifiuti nel cervello o per la riparazione delle cellule danneggiate, forse altre funzioni entrano in gioco nella seconda metà della notte.”
Il sonno migliora la capacità di ricordare eventi complessi
I ricercatori sanno da tempo che il sonno consolida la nostra memoria di fatti ed eventi episodici. Tuttavia, finora la ricerca si è concentrata principalmente sulle associazioni semplici, vale a dire sulle connessioni tra elementi, come quelle che facciamo quando impariamo un nuovo vocabolario.
Nella vita reale, gli eventi sono generalmente costituiti da numerosi componenti, ad esempio un luogo, persone e oggetti, che sono collegati tra loro nel cervello”, spiega il dottor Nicolas Lutz dell’Istituto di psicologia medica della LMU.
Queste associazioni possono variare in forza e alcuni elementi potrebbero essere collegati tra loro solo indirettamente. “Grazie alle connessioni neurali che sono alla base di queste associazioni, una sola parola chiave è spesso sufficiente affinché qualcuno ricordi non solo i singoli aspetti di un evento ma più aspetti contemporaneamente”, afferma Lutz.
Questo processo, noto come completamento dello schema, è una caratteristica fondamentale della memoria episodica . Lutz è l’autore principale di uno studio recentemente pubblicato su Proceedings of the National Academy of Sciences , che ha studiato l’effetto del sonno sulla memoria di eventi così complessi.
Dopo che i partecipanti allo studio avevano appreso eventi con associazioni complesse, in una condizione hanno trascorso la notte in un laboratorio del sonno, dove potevano dormire come al solito, mentre in un’altra condizione dovevano rimanere svegli tutta la notte.
In entrambe le condizioni, ai partecipanti è stato permesso di trascorrere la notte successiva a casa per riprendersi. Poi è stato testato quanto bene riuscivano a ricordare diverse associazioni tra elementi degli eventi appresi.
“Abbiamo potuto dimostrare che il sonno consolida in modo specifico le associazioni deboli e rafforza nuove associazioni tra elementi che non erano direttamente collegati tra loro durante l’apprendimento. Inoltre, la capacità di ricordare insieme più elementi di un evento, dopo che ne è stato presentato un solo dopo il sonno, è migliorato rispetto alla condizione in cui i partecipanti erano rimasti svegli”, riassume Nicolas Lutz. Ciò dimostra l’importanza del sonno per completare informazioni parziali ed elaborare eventi complessi nel cervello.
Monitorando l’attività cerebrale dei partecipanti allo studio durante il sonno, gli autori dello studio hanno anche potuto dimostrare che il miglioramento delle prestazioni della memoria è collegato ai cosiddetti fusi del sonno, esplosioni di attività oscillatoria neurale durante il sonno, che sono associati al consolidamento attivo del contenuto della memoria. Ciò avviene attraverso la riattivazione delle strutture neurali sottostanti durante il sonno.
“Questa scoperta suggerisce che i fusi del sonno svolgono un ruolo importante nel consolidamento di associazioni complesse, che sono alla base del completamento dei ricordi di interi eventi”, afferma la professoressa Luciana Besedovsky, ricercatrice principale dello studio.
Secondo Lutz e Besedovsky, gli effetti identificati del sonno sulla memoria possono essere visti come un importante adattamento del cervello umano, perché aiutano le persone a tracciare un quadro più coerente del loro ambiente, che a sua volta consente loro di fare previsioni più complete sul futuro. eventi.
“E così i nostri risultati rivelano una nuova funzione grazie alla quale il sonno può offrire un vantaggio evolutivo “, afferma Besedovsky. “Inoltre, aprono nuove prospettive su come archiviamo e accediamo alle informazioni su eventi complessi multielemento.”
