“Era letteralmente vero: attraversavo la vita dormendo. Il mio corpo non aveva più sensibilità di un cadavere annegato. La mia stessa esistenza, la mia vita nel mondo, sembrava un’allucinazione. Un forte vento mi faceva pensare che il mio corpo stesse per essere spinto fino alla fine della terra, in una terra che non avevo mai visto né sentito, dove la mia mente e il mio corpo si sarebbero separati per sempre.”
-Dal sonno, di Haruki Murakami, 1989
Ci siamo passati tutti. Si va a letto, si chiudono gli occhi, si copre la mente e si aspetta che la coscienza svanisca. Un intervallo di tempo dopo, ti svegli, rinfrescato e pronto ad affrontare le sfide di un nuovo giorno (nota come non puoi mai prenderti nell’atto di perdere coscienza!) Ma a volte il tuo mondo interiore non si spegne – la tua mente rimane ipervigile. Ti agiti e ti rigiri ma non riesci a trovare il benedetto sollievo del sonno. Le ragioni dell’insonnia possono essere molte, ma le conseguenze sono sempre le stesse: il giorno dopo sei affaticato, hai sonno, ti appisoli. L’attenzione vaga, il tempo di reazione rallenta, si ha meno controllo cognitivo-emotivo. Fortunatamente, la stanchezza è reversibile e scompare dopo una notte o due di sonno solido.
Passiamo circa un terzo della nostra vita in uno stato di riposo, definito da una relativa immobilità comportamentale e una ridotta reattività agli stimoli esterni. Cumulativamente, questo ammonta a diversi decenni di sonno nel corso della vita di una persona media. Ah, so che state pensando: non sarebbe fantastico se riducessimo questo tempo “sprecato” per poter fare di più! Quando ero più giovane, anch’io vivevo secondo il motto “Puoi dormire quando sei morto”. Ma mi sono svegliato sul fatto che per una salute fisica e mentale ottimale e a lungo termine, abbiamo bisogno di dormire.
Gli esseri umani condividono questo bisogno di sonno quotidiano con tutte le creature multicellulari, come sa chiunque sia cresciuto con cani, gatti o altri animali domestici.
La comprensione dell’importanza del sonno può essere osservata contemplando il processo biologico stesso. Il sonno è regolato omeostaticamente con una precisione squisita: la pressione per andare a dormire si accumula durante il giorno fino a quando ci sentiamo assonnati la sera, sbadigliamo continuamente e ci appisoliamo. Se privati del sonno, gli esseri umani sperimentano un bisogno irresistibile di cercare il riposo – in effetti, diventano “ubriachi di sonno”. Un termine più antico, del XIX secolo, più vicino alla verità, è “esaurimento cerebrale”, il cervello che chiede il suo riposo.
Nella mia ultima rubrica Consciousness Redux, ho descritto come i medici definiscono il sonno registrando le onde cerebrali da una rete di sensori di elettroencefalogramma (EEG) posti sullo scalpo del dormiente. Come la superficie del mare, il cervello elettrico è incessantemente in agitazione, riflettendo gli invisibili, piccoli tremori nella corteccia cerebrale sotto il cranio che sono raccolti dagli elettrodi EEG. Il sonno REM (Rapid Eye Movement) è caratterizzato da onde cerebrali a basso voltaggio, mosse e che cambiano rapidamente (paradossalmente, anche tipiche della veglia rilassata), mentre il sonno non-REM è caratterizzato da onde che salgono e scendono lentamente e di maggiore ampiezza. Infatti, più profondo e riposante è il sonno, più lente e grandi sono le onde che riflettono l’inattività del cervello, l’attività ristoratrice. Queste oscillazioni di tensione, denominate onde delta, possono essere lente come una volta ogni quattro secondi e veloci come quattro volte al secondo (cioè nella gamma di frequenza da 0,25 a quattro hertz). Sintonizzarsi sulla scarica dei singoli neuroni durante il sonno profondo rivela discreti periodi off, quando le cellule nervose cessano di generare qualsiasi attività elettrica per 300 a 400 millisecondi. Tali periodi di silenzio ricorrenti, sincronizzati in ampie parti della corteccia, sono il segno distintivo cellulare del sonno profondo.
Microsleep
La mia ultima rubrica, “Dormire con mezzo cervello”, ha evidenziato la crescente consapevolezza dei ricercatori del sonno che essere svegli e dormire non sono fenomeni tutto o niente. Solo perché stai dormendo non implica necessariamente che tutto il tuo cervello sia addormentato. Al contrario, come descriverò ora, abbiamo anche imparato che anche quando sei sveglio, il tuo intero cervello potrebbe non essere sveglio.
Un caso di intromissione del sonno nella veglia coinvolge brevi episodi di sonno noti come microsleep. Questi intervalli possono verificarsi durante qualsiasi compito monotono, sia che si guidi per lunghe distanze attraverso il paese, sia che si ascolti un altoparlante che parla a vanvera o che si partecipi all’ennesima interminabile riunione di dipartimento. Sei assonnato, gli occhi si afflosciano, le palpebre si chiudono, la testa annuisce ripetutamente su e giù e poi si alza di scatto: la tua coscienza decade.
In un esperimento che cercava di esplorare questa condizione, i partecipanti dovevano seguire un obiettivo in movimento casuale su un monitor di computer con un joystick per 50 minuti. Anche se semplice, questo compito visuo-motorio richiede un’attenzione continua che diventa difficile da sostenere dopo un po’. Infatti, in media, i partecipanti hanno avuto 79 episodi di microsleeping all’ora, della durata compresa tra 1,1 e 6,3 secondi ciascuno, con un conseguente calo delle prestazioni. Il microsonno si manifesta nella registrazione EEG con uno spostamento verso il basso dall’attività dominata dalla banda alfa (da 8 a 13 Hz) alle oscillazioni nella banda theta (da 4 a 7 Hz).
Pericolosamente, i soggetti tipicamente si credono sempre vigili durante il microsonno senza ricordare alcun periodo di incoscienza. Questo equivoco può essere pericoloso per chi è al posto di guida. Il microsleep può essere fatale quando si guida o si azionano macchinari come treni o aerei, ora dopo ora noiosi. Durante un episodio di microsonno, l’intero cervello si addormenta brevemente, sollevando la questione se pezzi del cervello possano addormentarsi da soli, senza che l’intero organo ceda al sonno.
Infatti, i neuroscienziati di origine italiana Chiara Cirelli e Giulio Tononi, che studiano il sonno e la coscienza all’Università del Wisconsin-Madison, hanno scoperto “neuroni sonnolenti” in animali da esperimento che non mostravano alcuna manifestazione comportamentale del sonno. In questa ricerca, 11 ratti adulti avevano microfili impiantati nella loro corteccia motoria frontale, che controlla il movimento. Inseriti nel tessuto corticale, i sensori raccoglievano sia la tensione chiamata potenziale di campo locale (LFP), simile all’EEG, sia l’attività spike delle cellule nervose vicine. Come previsto, da svegli, la LFP era dominata da onde veloci a bassa ampiezza, facilmente distinguibili dalle onde più grandi e più lente caratteristiche del sonno profondo non-REM.
A livello dei singoli neuroni, le cellule corticali degli animali svegli chiacchieravano in modo irregolare e staccato per un periodo prolungato. Al contrario, durante il sonno profondo, i neuroni corticali hanno sperimentato pronunciati periodi “on” di attività neurale e tempi “off” durante i quali sono silenziosi. Questa reticenza neuronale si verifica contemporaneamente in tutta la corteccia. Si alterna a regolari periodi di accensione, portando alle onde cerebrali che salgono e scendono che sono il segno distintivo del sonno profondo.
Conoscendo tutto questo, i ricercatori hanno deciso di sondare ulteriormente. Invece di lasciare i ratti andare a dormire alla loro solita ora di andare a letto, gli sperimentatori hanno impegnato gli animali in una versione roditrice di videogiochi notturni, esponendoli continuamente a giocattoli e altri oggetti da annusare, esplorare e giocare. Hanno picchiettato sulla gabbia e altrimenti impedito loro di assumere una posizione di sonno o diventare sonnolenti. Dopo quattro ore di tale eccitazione, i ratti potevano finalmente assopirsi.
Come previsto da precedenti studi su animali e umani, alla fine della fase di privazione del sonno, la LFP ha iniziato a spostarsi verso frequenze più basse, compatibile con l’idea che la pressione per gli animali a dormire costantemente costruito. Un’ispezione più approfondita delle firme elettriche, tuttavia, ha rivelato qualcosa di inaspettato: occasionali, sporadici, periodi di silenzio di tutti o la maggior parte dei neuroni nella regione cerebrale registrata senza che gli animali mostrassero manifestazioni comportamentali o EEG di microsleep. Questi brevi episodi di spegnimento erano spesso associati a onde lente nella LFP. Il contrario è accaduto durante il sonno di recupero, verso la fine di questo periodo di sei ore, quando la pressione per dormire era presumibilmente diminuita. A questo punto, le onde grandi e lente nella LFP sono diventate più infrequenti, e l’attività neuronale è diventata più irregolare, come ha fatto durante la veglia.
Sembra che da svegli ma privati del sonno, i neuroni mostrano segni di sonnolenza, mentre dopo ore di sonno solido, i singoli neuroni iniziano a svegliarsi. Un’attenta analisi statistica ha confermato queste tendenze: il numero di periodi di riposo è aumentato durante le quattro ore in cui i ratti sono stati costretti a rimanere svegli, e la dinamica opposta si è verificata durante il sonno di recupero.
Una domanda era se un qualsiasi neurone si addormentava indipendentemente da qualsiasi altro neurone. O questo evento era più un fenomeno globale, per cui tutti i neuroni passano simultaneamente a un periodo di riposo? La risposta, ottenuta impiantando un secondo array di microfili in una seconda regione corticale – la corteccia parietale, una regione ben distinta dalla corteccia motoria – era “sì” ad entrambe le domande.
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Ovvero, a volte i neuroni di entrambe le regioni si spegnevano insieme, mentre altre volte lo facevano indipendentemente. Tuttavia, con l’aumentare della pressione del sonno, dopo diverse ore di veglia, l’attività neuronale durante la privazione del sonno è diventata più globalmente sincronizzata (come avviene nel sonno profondo). Allo stesso modo, più a lungo l’animale ha dormito durante il periodo di recupero, meno probabile che le onde lente siano state rilevate simultaneamente in entrambi i siti corticali. Gruppi di neuroni possono essere più facilmente reclutati per produrre le oscillazioni lente che costituiscono il sonno profondo quando la pressione del sonno è alta.
Questi risultati dipingono una visione più sfumata della veglia e del sonno rispetto a quella prevalente, in cui entrambe le condizioni sono state considerate come stati globali, tutto o niente della coscienza. Invece questi dati, sostenuti da registrazioni di singoli neuroni da pazienti con microelettrodi impiantati, come usato occasionalmente nel trattamento dell’epilessia, suggeriscono che anche quando il soggetto è sveglio, i neuroni dell’individuo possono diventare stanchi e occasionalmente check out. Più pesante è la pressione del sonno, più è probabile che questo accada simultaneamente in molti punti della corteccia. Al contrario, dopo molte ore di sonno ristoratore, alcuni di questi neuroni vengono disaccoppiati da queste oscillazioni a livello cerebrale e cominciano a svegliarsi.
Ma se i neuroni si spengono durante la privazione del sonno, non dovrebbe esserci un deterioramento delle prestazioni? Dopo tutto, questi neuroni devono servire a qualche scopo, e se si assopiscono, qualcosa dovrebbe soffrire. Per indagare questa domanda, Cirelli, Tononi e i loro collaboratori hanno addestrato i ratti a raggiungere con una delle loro zampe anteriori attraverso una stretta apertura per afferrare una pallina di zucchero su uno scaffale. Se fatto maldestramente, la pallina cade e non può più essere recuperata.
L’apprendimento di questo compito impegna un particolare settore della corteccia motoria che subisce un cambiamento come conseguenza dell’allenamento. Cercando di individuare i periodi di spegnimento mentre l’animale cerca le caramelle, i ricercatori hanno scoperto che queste lacune nello sparo neuronale hanno maggiori probabilità di verificarsi nella corteccia motoria una frazione di secondo prima di un tentativo fallito di afferrare la pallina, rispetto a quando il ratto ha raccolto con successo un dolcetto. Infatti, il verificarsi di un singolo periodo off ha abbassato le probabilità di un processo di successo di più di un terzo. Questi effetti erano limitati alla corteccia motoria e non sono stati visti nella corteccia parietale, che non è coinvolta dal compito di raggiungere. Man mano che gli animali diventavano più privati del sonno, le loro prestazioni complessive soffrivano, come è tipico per gli esseri umani privati del sonno.
Il sonno locale
Quello che questo studio ha scoperto è l’esistenza del sonno locale durante la privazione del sonno: gruppi corticali isolati di neuroni che vanno brevemente off-line mentre l’animale, a tutte le apparenze, continua a muoversi e fare quello che fa. È più probabile che il sonno locale si verifichi se questi neuroni sono attivamente impegnati, come quando imparano a prendere una pallina di zucchero. Anche i neuroni si stancano e si disimpegnano, un microcosmo di ciò che accade all’intero organismo.
Extrapolando da questi dati, sembra plausibile che con l’aumentare della pressione per il sonno, la frequenza di questi eventi off e la loro preponderanza nella corteccia aumentino fino a quando l’attività dell’intero cervello diventa improvvisamente ma brevemente sincronizzata e il cervello cade in un sonno profondo – gli occhi si chiudono e la testa annuisce. Il soggetto entra nel microsonno.
Il sonno è un argomento affascinante, anche se non possiamo sperimentare consapevolmente il sonno profondo, perché la nostra coscienza è spenta. Il sonno è un aspetto finemente regolato del ciclo quotidiano del nostro cervello, come il sole che sorge e tramonta, uno stato la cui funzione rimane controversa.
Nel corso dell’ultimo secolo, clinici e neuroscienziati hanno scoperto diverse fasi del sonno (movimenti oculari rapidi e non rapidi) e le regioni distinte del mesencefalo e del tronco cerebrale coinvolte nel loro controllo. Inoltre, questi ricercatori hanno demistificato la narcolessia, quando i pazienti si addormentano bruscamente e irresistibilmente, il microsleeping e ora il sonno locale. Cosa verrà dopo?