C’è un paradosso nel sonno. La sua apparente tranquillità si contrappone alla frenetica attività del cervello. La notte è silenziosa, ma il cervello è tutt’altro che dormiente. Durante il sonno, le cellule cerebrali producono esplosioni di impulsi elettrici che si accumulano in onde ritmiche, un segno di una maggiore funzionalità delle cellule cerebrali.Ma perché il cervello è attivo quando stiamo riposando?
I risultati di uno studio inerente sono stati pubblicati su Nature.
Cosa accade al nostro cervello durante il sonno
Le onde cerebrali lente sono associate a un sonno riposante e ristoratore . E ora, gli scienziati della Washington University School of Medicine di St. Louis hanno scoperto che le onde cerebrali aiutano a eliminare le scorie dal cervello durante il sonno. Le singole cellule nervose si coordinano per produrre onde ritmiche che spingono il fluido attraverso il tessuto cerebrale denso, lavando il tessuto nel processo.
“Questi neuroni sono pompe in miniatura. L’attività neurale sincronizzata alimenta il flusso dei fluidi e la rimozione dei detriti dal cervello”, ha spiegato il primo autore Li-Feng Jiang-Xie, Ph.D., ricercatore associato presso il Dipartimento di Patologia e Immunologia.
“Se riusciamo a basarci su questo processo, c’è la possibilità di ritardare o addirittura prevenire le malattie neurologiche , tra cui l’Alzheimer e il morbo di Parkinson, in cui i rifiuti in eccesso, come i rifiuti metabolici e le proteine spazzatura, si accumulano nel cervello e portano alla neurodegenerazione”.
Le cellule cerebrali orchestrano pensieri, sentimenti e movimenti del corpo e formano reti dinamiche essenziali per la formazione della memoria e la risoluzione dei problemi. Ma per svolgere compiti così impegnativi in termini di energia, le cellule cerebrali hanno bisogno di carburante. Il loro consumo di nutrienti dalla dieta crea rifiuti metabolici nel processo.
“È fondamentale che il cervello smaltisca i rifiuti metabolici che possono accumularsi e contribuire alle malattie neurodegenerative “, ha affermato Jonathan Kipnis, Ph.D., illustre professore di patologia e immunologia di Alan A. e Edith L. Wolff e ricercatore del BJC . Kipnis è l’autore senior dell’articolo.
“Sapevamo che il sonno è un momento in cui il cervello avvia un processo di pulizia per eliminare i rifiuti e le tossine che accumula durante la veglia. Ma non sapevamo come ciò accade. Questi risultati potrebbero essere in grado di indicarci strategie e potenziali terapie per accelerare la rimozione dei rifiuti dannosi e rimuoverli prima che possano portare a conseguenze disastrose.”
Ma pulire il cervello denso non è un compito semplice. Il liquido cerebrospinale che circonda il cervello entra e si intreccia attraverso intricate reti cellulari, raccogliendo rifiuti tossici mentre viaggia. Quando esce dal cervello, il fluido contaminato deve passare attraverso una barriera prima di riversarsi nei vasi linfatici della dura madre, lo strato di tessuto esterno che avvolge il cervello sotto il cranio. Ma cosa alimenta il movimento del fluido dentro, attraverso e fuori dal cervello?
Studiando il cervello dei topi addormentati, i ricercatori hanno scoperto che i neuroni guidano gli sforzi di pulizia inviando segnali elettrici in modo coordinato per generare onde ritmiche nel cervello, ha spiegato Jiang-Xie. Hanno determinato che tali onde spingono il movimento fluido.
Il gruppo di ricerca ha silenziato specifiche regioni del cervello in modo che i neuroni in quelle regioni non creassero onde ritmiche. Senza queste onde, il liquido cerebrospinale fresco non potrebbe fluire attraverso le regioni cerebrali silenziate e i rifiuti intrappolati non potrebbero lasciare il tessuto cerebrale.
“Uno dei motivi per cui dormiamo è per purificare il cervello”, ha detto Kipnis.
“E se riusciamo a migliorare questo processo di purificazione, forse è possibile dormire meno e rimanere in salute. Non tutti hanno il vantaggio di dormire otto ore ogni notte, e la perdita di sonno ha un impatto sulla salute. Altri studi hanno dimostrato che i topi “Sono geneticamente programmati per dormire meno e avere un cervello sano. Potrebbe essere perché puliscono i rifiuti dal cervello in modo più efficiente? Potremmo aiutare le persone che vivono con l’insonnia migliorando le capacità di pulizia del loro cervello in modo che possano cavarsela con meno sonno?”
I modelli delle onde cerebrali cambiano durante i cicli del sonno. Da notare che le onde cerebrali più alte e con ampiezza maggiore muovono i fluidi con più forza. I ricercatori sono ora interessati a capire perché i neuroni emettono onde con ritmicità variabile durante il sonno e quali regioni del cervello sono più vulnerabili all’accumulo di scorie.
“Pensiamo che il processo di pulizia del cervello sia simile al lavaggio dei piatti”, ha spiegato il neurobiologo Jiang-Xie.
“Si inizia, ad esempio, con un movimento ampio, lento e ritmico per pulire i rifiuti solubili schizzati sul piatto. Quindi si diminuisce l’ampiezza del movimento e si aumenta la velocità di questi movimenti per rimuovere i rifiuti alimentari particolarmente appiccicosi dal piatto. Nonostante la diversa ampiezza e ritmo dei movimenti delle mani, l’obiettivo generale rimane lo stesso: rimuovere diversi tipi di rifiuti dai piatti. Forse il cervello adatta il suo metodo di pulizia a seconda del tipo e della quantità di rifiuti”.
Secondo i ricercatori della Penn State, il nostro cervello sperimenta cambiamenti significativi nel flusso sanguigno e nell’attività neurale durante il sonno. Tali cambiamenti possono aiutare a ripulire i rifiuti metabolici del cervello che si accumulano durante il giorno.
“Abbiamo studiato i modelli di sonno dei topi durante le fasi del sonno sia con movimento oculare rapido che non rapido, nonché in diversi stati di vigilanza”, ha affermato Patrick Drew, professore associato di scienze ingegneristiche e meccanica, neurochirurgia e ingegneria biomedica.
I topi sono stati scelti per lo studio a causa della notevole somiglianza del loro cervello con il cervello umano , hanno detto i ricercatori.
Sia nei topi che negli esseri umani, secondo Drew, il sonno non REM è il primo stadio del sonno che si verifica quando una persona si addormenta per circa la prima o due ore, mentre il sonno REM è caratterizzato da movimenti oculari rapidi e sogni vividi.
Durante i diversi stati di sonno e di vigilanza, i ricercatori hanno monitorato l’ attività neurale , la dilatazione dei vasi sanguigni, l’attività elettromiografia e i movimenti dei baffi e del corpo dei topi.
I topi muovono i baffi durante il sonno REM ( Rapid Eye Movement ) invece di muovere gli occhi e dormono anche con le palpebre aperte.
“I topi si addormentano naturalmente molto rapidamente anche quando le loro teste erano trattenute per consentire l’imaging neurale”, ha detto Drew. “Abbiamo utilizzato algoritmi di apprendimento automatico per monitorare continuamente le fasi del sonno in cui si trovavano gli animali, e anche quando erano svegli, poiché hanno un forte impatto sulle fluttuazioni del flusso sanguigno”.
Utilizzando l’imaging ottico e la microscopia a due fotoni, riportano su eLIfe che i ricercatori hanno scoperto che le arteriole cerebrali , o piccoli rami delle arterie, erano molto più dilatate quando i topi erano nel sonno non REM rispetto a quando erano svegli. Durante il sonno REM, la dilatazione era ancora maggiore rispetto al sonno non REM.
Tali cambiamenti nel flusso sanguigno indicano che il cervello è sano, secondo Drew.
“I vasi sanguigni dilatati e l’aumento del flusso sanguigno possono aiutare il cervello a spostare i prodotti di scarto fuori dal cervello”, ha detto.
Ecco perché i disturbi del sonno sono associati a malattie che affliggono il cervello, come l’Alzheimer e la demenza.
“L’ipotesi di lavoro è che nelle malattie che colpiscono il cervello, il corpo non riesce a eliminare i liquidi di scarto neurali a causa della mancanza di sonno”, ha detto Drew. “E la diminuzione del flusso sanguigno cerebrale può spesso provocare malattie degenerative del cervello.”
Inoltre, l’insonnia potrebbe contribuire negativamente a condizioni di salute mentale come ansia e depressione, poiché il cervello non è in grado di eliminare i liquidi di scarto quando il sonno viene interrotto per un lungo periodo di tempo.
“La conoscenza dei processi cerebrali acquisita attraverso questo studio è fondamentale, ma potrebbe essere applicata a una serie di studi clinici in futuro”, ha affermato Drew.
Perché il sonno viene interrotto in età avanzata?
Il cervello mantiene la sua capacità di generare oscillazioni neurali locali durante il sonno per tutta la durata della vita, secondo uno studio su topi giovani e anziani pubblicato su JNeurosci . La ricerca indica che le interruzioni del sonno legate all’età e l’attività cerebrale su larga scala associata non sono dovute a cambiamenti nell’attività dei singoli neuroni.
Vladyslav Vyazovskiy e colleghi hanno registrato l’attività neurale dagli strati profondi della corteccia motoria di gruppi di topi in diverse fasi della vita: prima età adulta (5 mesi), tarda età adulta (12 mesi) e vecchiaia (24 mesi). Si stima che i topi anziani in questo studio corrispondano a un’età di circa 70 anni negli esseri umani.
I ricercatori non hanno riscontrato differenze sostanziali nell’attività neurale corticale durante il sonno nei tre gruppi di età. Tutti i topi hanno anche mostrato effetti simili della privazione del sonno sulle oscillazioni locali del sonno nella neocorteccia. Questi risultati contrastano con studi precedenti sia sui topi che sugli esseri umani che mostravano che l’invecchiamento è associato ad una ridotta capacità di generare sonno profondo , ed evidenziano la necessità di considerare l’attività a livello dei singoli neuroni, oltre alla visione dell’intero cervello, al fine di per comprendere appieno gli effetti dell’invecchiamento sul sonno.
Quando il cervello è sveglio, i neuroni nel talamo e nella corteccia si attivano costantemente per trasmettere informazioni visive tra di loro. Tuttavia, nel sonno a onde lente, quei neuroni scoppiano e poi si fermano ritmicamente e in sincronia, dice Aton.
Esiste anche una comunicazione nella direzione opposta – tra la corteccia visiva e il talamo – formando un anello di comunicazione tra le due strutture. Un lavoro precedente nel laboratorio Aton aveva dimostrato che dopo aver presentato ai topi un nuovo tipo di esperienza visiva e aver poi permesso loro di dormire, i neuroni nella corteccia si attivavano di più quando vedevano di nuovo quegli stimoli.
Il laboratorio ha anche dimostrato che il cervello ha bisogno di dormire per apportare cambiamenti corticali. Se i topi venivano privati del sonno dopo l’esperienza, non si verificavano cambiamenti nella corteccia.
“Ci siamo chiesti cosa accadrebbe se interrompessimo quel modello di attività senza svegliare affatto questi animali?” Ha detto Aton. “La grande scoperta del nostro studio è che se si interrompe la comunicazione dalla corteccia al talamo durante il sonno a onde lente, si interromperà completamente il ritmo delle onde lente e la plasticità nella corteccia visiva.”
I ricercatori hanno spento i neuroni nella corteccia visiva che completano il “loop”, inviando informazioni al talamo, mentre i topi erano naturalmente addormentati o svegli. Anche se questo non ha svegliato i topi addormentati, ha impedito loro di avere ritmi di attività coordinati tra le due strutture durante il sonno a onde lente.
Aton afferma che se la comunicazione corteccia-talamo viene interrotta in qualsiasi altro stato comportamentale come la veglia o la fase REM, non vi è alcun effetto sulla plasticità dipendente dal sonno della corteccia visiva.
“Ma se interrompi questi schemi oscillatori durante il sonno a onde lente, vedi un deficit”, ha detto Aton. “Quello che pensiamo è che hai bisogno che queste grandi ondate di attività si verifichino per avere il beneficio del sonno.”
Qual è il significato delle onde? L’autrice principale Jaclyn Durkin, una studentessa di dottorato nel laboratorio di Aton, ha effettuato registrazioni sia in una parte del talamo chiamata nucleo genicolato laterale, che elabora le informazioni visive, sia nella corteccia visiva dei topi. Ha monitorato l’attività di queste popolazioni di neuroni mentre presentava ai topi modelli di stimolazione visiva. Lo ha fatto per molte ore di sonno successive.
“In questi topi, durante l’esperienza visiva , abbiamo visto cambiamenti immediati nei neuroni del talamo, ma non succedeva nulla nella corteccia visiva”, ha detto Aton. “Queste onde durante il sonno successivo sono apparentemente in grado di trasferire informazioni dal talamo alla corteccia, e tali informazioni riflettono ciò che l’animale ha appena guardato.”
Successivamente, i ricercatori intendono testare quali tipi di informazioni possono essere trasmesse in questo modo e determinare esattamente come le informazioni vengono trasmesse alla corteccia dai neuroni talamici. Sperano anche di testare in che modo la plasticità dipendente dal sonno nella corteccia visiva influenza la percezione visiva e la memoria visiva nei loro topi .
