Il sonno NREM aumenta le prestazioni cognitive sincronizzando l’attività cerebrale e promuovendo successivamente l’attivazione indipendente dei neuroni. I ricercatori hanno replicato questi benefici con la stimolazione elettrica, offrendo un nuovo potenziale per terapie e potenziamento cognitivo senza dormire
Sebbene sia risaputo che il sonno migliora le prestazioni cognitive, i meccanismi neurali sottostanti, in particolare quelli legati al sonno NREM (Non Rapid Eye Movement), rimangono in gran parte inesplorati. Un nuovo studio condotto da un team di ricercatori della Rice University e dello Houston Methodist's Center for Neural Systems Restoration (1) e del Weill Cornell Medical College, coordinato dal dottor Valentin Dragoi (2) della Rice, ha tuttavia scoperto un meccanismo chiave attraverso il quale il sonno migliora le prestazioni neuronali e comportamentali, modificando potenzialmente i nostri fondamentali nel capire come il sonno aumenta le capacità intellettuali.
La ricerca, pubblicata su Science (3), rivela come il sonno NREM – il sonno più leggero che si sperimenta quando si fa un pisolino, ad esempio – favorisce la sincronizzazione del cervello e migliora la codifica delle informazioni, gettando nuova luce su questa fase del sonno. I ricercatori hanno replicato questi effetti attraverso la stimolazione invasiva, suggerendo possibilità promettenti per future terapie di neuromodulazione negli esseri umani. Le implicazioni di questa scoperta aprono potenzialmente la strada a trattamenti innovativi per i disturbi del sonno e persino a metodi per migliorare le prestazioni cognitive e comportamentali.
L'indagine ha comportato un esame dell'attività neurale in più aree cerebrali nei macachi mentre gli animali eseguivano un compito di discriminazione visiva prima e dopo un periodo di sonno NREM di 30 minuti. Utilizzando array multielettrodo, i ricercatori hanno registrato l’attività di migliaia di neuroni in tre aree del cervello: la corteccia visiva primaria e di medio livello e la corteccia prefrontale dorsolaterale, che sono associate all’elaborazione visiva e alle funzioni esecutive. Per confermare che i macachi erano nel sonno NREM, i ricercatori hanno utilizzato la polisonnografia per monitorare la loro attività cerebrale e muscolare insieme all’analisi video per assicurarsi che i loro occhi fossero chiusi e i loro corpi rilassati.
I risultati hanno dimostrato che il sonno ha migliorato le prestazioni degli animali nel compito visivo con una maggiore precisione nel distinguere le immagini ruotate. È importante sottolineare che questo miglioramento è stato esclusivo di coloro che si sono effettivamente addormentati: i macachi che hanno sperimentato una veglia tranquilla senza addormentarsi non hanno mostrato lo stesso aumento delle prestazioni.
«Durante il sonno, abbiamo osservato un aumento dell'attività delle onde delta a bassa frequenza e un'attivazione sincronizzata tra i neuroni in diverse regioni corticali», ha affermato la prima autrice dello studio, la dottoressa Natasha Kharas (4), ex ricercatrice nel laboratorio di Valentin Dragoi (5) e attualmente impiegata nel settore della chirurgia neurologica presso il Weill Cornell. «Dopo il sonno, tuttavia, l’attività neuronale è diventata più desincronizzata rispetto a prima del sonno, consentendo ai neuroni di attivarsi in modo più indipendente. Questo cambiamento ha portato a una maggiore precisione nell’elaborazione delle informazioni e nelle prestazioni nei compiti visivi».
I ricercatori hanno anche simulato gli effetti neurali del sonno attraverso la stimolazione elettrica a bassa frequenza della corteccia visiva. Hanno applicato una stimolazione a 4 Hz per imitare la frequenza delta osservata durante il sonno NREM mentre gli animali erano svegli. Questa stimolazione artificiale ha riprodotto l’effetto di desincronizzazione osservato dopo il sonno e allo stesso modo ha migliorato le prestazioni degli animali, suggerendo che modelli specifici di stimolazione elettrica potrebbero essere potenzialmente utilizzati per emulare i benefici cognitivi del sonno.
«Questa scoperta è significativa perché suggerisce che alcuni degli effetti rigeneranti e di miglioramento delle prestazioni del sonno potrebbero essere ottenuti senza la necessità di dormire effettivamente», ha affermato Dragoi, coautore dello studio e professore di ingegneria elettrica e informatica alla Rice, The Rosemary University e Daniel J. Harrison III Presidential Distinguished Chair in Neuroprotesi presso la Houston Methodist e professore di neuroscienze presso Weill Cornell. «La capacità di riprodurre la desincronizzazione neurale simile al sonno in uno stato di veglia apre nuove possibilità per migliorare le prestazioni cognitive e percettive in situazioni in cui il sonno non è fattibile, come per gli individui con disturbi del sonno o in circostanze attenuanti come l’esplorazione dello spazio».
I ricercatori hanno ulteriormente approfondito i loro risultati costruendo un grande modello di rete neurale. Hanno scoperto che durante il sonno, sia le connessioni eccitatorie che quelle inibitorie nel cervello diventano più deboli, ma lo fanno in modo asimmetrico, rendendo le connessioni inibitorie più deboli delle connessioni eccitatorie, il che provoca un aumento dell’eccitazione.
«Abbiamo scoperto una soluzione sorprendente che il cervello impiega dopo il sonno in base alla quale le popolazioni neurali che partecipano al compito riducono il loro livello di sincronia dopo il sonno nonostante ricevano input di sincronizzazione durante il sonno stesso», ha detto Dragoi.
L’idea che il sonno NREM “potenzia” efficacemente il cervello in questo modo, e che questo ripristino possa essere imitato artificialmente, offre il potenziale per lo sviluppo di tecniche terapeutiche di stimolazione cerebrale per migliorare la funzione cognitiva e la memoria.
«Il nostro studio non solo approfondisce la nostra comprensione meccanicistica del ruolo del sonno nella funzione cognitiva, ma apre anche nuovi orizzonti dimostrando che specifici modelli di stimolazione cerebrale potrebbero sostituire alcuni benefici del sonno, indicando un futuro in cui potremmo potenziare la funzione cerebrale indipendentemente dal sonno stesso», conclude Dragoi.
Questa ricerca è stata supportata da National Eye Institute grants 5R01EY026156 (V.D.) and 5F31EY029993 (N.K.).
Riferimenti:
(1) Center for Neural Systems Restoration
(2) Valentin Dragoi
(3) NREM sleep improves behavioral performance by desynchronizing cortical circuits
(4) Natasha Kharas
(5) Dragoi’s lab
Descrizione foto: Il dottor Valentin Dragoi. - Credit: Jeff Fitlow/Rice University.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: New insights into sleep uncover key mechanisms related to cognitive function