Sebbene sia noto che il sonno migliora le prestazioni cognitive, i meccanismi neurali sottostanti, soprattutto nel contesto del sonno non-REM, sono ancora in gran parte inesplorati. Un nuovo studio condotto da un team di ricercatori della Rice University e del Centro per il ripristino dei sistemi neurali dello Houston Methodist e del Weill Cornell Medical College, coordinato da Valentin Dragoi della Rice University, ha tuttavia scoperto un meccanismo chiave attraverso il quale il sonno migliora le prestazioni neurali e comportamentali, cambiando potenzialmente la nostra comprensione di base di come il sonno ottimizzi le prestazioni del cervello.
Pubblicato su Science, lo studio mostra come il sonno NREM – il sonno più leggero sperimentato durante un pisolino, per esempio – promuova la sincronizzazione cerebrale e migliori la codifica delle informazioni, gettando nuova luce su questa fase del sonno. I ricercatori hanno replicato questi effetti utilizzando una stimolazione invasiva, il che indica possibilità promettenti per future terapie di neuromodulazione nell’uomo. Le implicazioni di questa scoperta potrebbero aprire la strada a trattamenti innovativi per i disturbi del sonno e persino a metodi per migliorare le prestazioni cognitive e comportamentali.
Come il sonno aumenta le prestazioni
La ricerca ha analizzato l’attività neuronale in diverse aree cerebrali della scimmia macaco, mentre gli animali eseguivano un compito di discriminazione visiva prima e dopo una fase di sonno NREM di 30 minuti. Utilizzando array multi-elettrodi, i ricercatori hanno registrato l’attività di migliaia di neuroni in tre aree cerebrali: la corteccia visiva primaria e media e la corteccia prefrontale dorsolaterale, associate all’elaborazione visiva e alle funzioni esecutive. Per confermare che i macachi erano in sonno NREM, i ricercatori hanno usato la polisonnografia per monitorare la loro attività cerebrale e muscolare e l’analisi video per assicurarsi che gli occhi fossero chiusi e il corpo rilassato. I risultati hanno mostrato che il sonno ha migliorato le prestazioni degli animali nel compito visivo, consentendo loro di distinguere con maggiore precisione le immagini ruotate. È importante notare che questo miglioramento si è verificato solo in quelli che si sono effettivamente addormentati: i macachi che erano svegli ma tranquilli, senza addormentarsi, non hanno mostrato lo stesso miglioramento delle prestazioni.
“Durante il sonno, abbiamo osservato un aumento dell’attività delle onde delta a bassa frequenza e delle scariche sincronizzate tra i neuroni di diverse regioni corticali”, ha spiegato la prima autrice, la dottoressa Natasha Kharas, ex postdoc nel laboratorio del dottor Dragois e attualmente in chirurgia neurologica alla Weill Cornell. Tuttavia, dopo il sonno, l’attività neuronale si è desincronizzata rispetto al sonno, permettendo ai neuroni di sparare in modo più indipendente. Questo cambiamento ha portato a un miglioramento dell’accuratezza dell’elaborazione delle informazioni e delle 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 ha migliorato in modo simile le prestazioni degli animali, suggerendo che modelli specifici di stimolazione elettrica potrebbero essere utilizzati per imitare i benefici cognitivi del sonno.
Sviluppo di tecniche di stimolazione cerebrale terapeutica per migliorare le funzioni cognitive e la memoria
Secondo Dragoi, coautore dello studio, professore di ingegneria elettrica e informatica alla Rice University, Rosemary e Daniel J. Harrison III Presidential Distinguished Chair in Neuroprosthetics alla Houston Methodist e professore di neuroscienze alla Weill Cornell University, questa scoperta è significativa perché indica che alcuni degli effetti ristorativi e di miglioramento delle prestazioni del sonno potrebbero essere ottenuti senza dormire realmente. La capacità di riprodurre la desincronizzazione neuronale simile a quella del sonno durante la veglia apre nuove possibilità di migliorare le prestazioni cognitive e percettive in situazioni in cui il sonno non è possibile, come nel caso di individui con disturbi del sonno o in circostanze difficili come l’esplorazione dello spazio.
I ricercatori hanno approfondito i loro risultati costruendo un modello di rete neurale di grandi dimensioni. Hanno scoperto che durante il sonno, sia le connessioni eccitatorie che quelle inibitorie del cervello si indeboliscono, ma in modo asimmetrico, così che le connessioni inibitorie si indeboliscono più di quelle eccitatorie, portando a un aumento dell’eccitazione. Hanno scoperto una soluzione sorprendente che il cervello impiega dopo il sonno, per cui le popolazioni neuronali coinvolte nel compito diminuiscono il loro grado di sincronizzazione dopo il sonno, anche se ricevono impulsi di sincronizzazione durante il sonno stesso.
L’idea che il sonno NREM “riavvii” efficacemente il cervello in questo modo, e che questo reset possa essere imitato artificialmente, offre un potenziale per lo sviluppo di tecniche terapeutiche di stimolazione cerebrale per migliorare le funzioni cognitive e la memoria. “Questo studio non solo approfondisce la nostra comprensione meccanicistica del ruolo del sonno per le funzioni cognitive, ma apre anche un nuovo terreno dimostrando che alcuni modelli di stimolazione cerebrale potrebbero sostituire alcuni benefici del sonno, suggerendo un futuro in cui potremmo potenziare le funzioni cerebrali indipendentemente dal sonno stesso”, ha detto Dragoi.
