Di solito i nostri occhi sono chiusi quando dormiamo. Tuttavia, sotto le nostre palpebre chiuse si svolge una grande attività: un team di ricercatori guidato dalle ricercatrici senior Caroline Lustenberger, Sarah Meissner e Nicole Wenderoth del Neuronal Movement Control Laboratory del Politecnico di Zurigo ha osservato che le dimensioni della pupilla fluttuano costantemente durante il sonno.

La pupilla durante il sonno

A volte si dilata, a volte si restringe; a volte questi cambiamenti avvengono in pochi secondi, a volte solo nel corso di alcuni minuti. “Queste dinamiche riflettono lo stato di eccitazione o il grado di attivazione cerebrale nelle regioni responsabili della regolazione sonno-veglia“, spiega Lustenberger. “Queste osservazioni contraddicono la precedente ipotesi che il livello di eccitazione durante il sonno sia generalmente basso”.

Invece, queste fluttuazioni nelle dimensioni della pupilla mostrano che il cervello alterna costantemente livelli di attivazione più alti e più bassi, anche durante il sonno. Queste nuove scoperte confermano per gli esseri umani ciò che altri gruppi di ricerca hanno recentemente scoperto in studi sui roditori, che mostrano anch’essi lente fluttuazioni nel livello di attivazione (noto nella comunità scientifica come arousal). Lo studio dei ricercatori dell’ETH è stato recentemente pubblicato sulla rivista Nature Communications.

Le dinamiche della pupilla non sono legate solo alle diverse fasi del sonno

Le regioni del cervello che controllano lo stato di attivazione sono situate in profondità nel tronco encefalico. Per questo motivo è stato difficile misurare direttamente questi processi negli esseri umani durante il sonno. I metodi esistenti sono tecnicamente impegnativi e non ancora consolidati in questo contesto. Lo studio dei ricercatori dell’ETH si basa quindi sulla misurazione delle pupille. È noto che le pupille indicano lo stato di attivazione quando una persona è sveglia. Possono quindi essere utilizzate come marcatori dell’attività nelle regioni cerebrali più profonde.

Per esaminare i cambiamenti nelle pupille degli esseri umani durante il sonno, i ricercatori dell’ETH hanno sviluppato un nuovo metodo: utilizzando una speciale tecnica adesiva e un cerotto trasparente, sono riusciti a tenere gli occhi dei soggetti aperti per diverse ore. “La nostra principale preoccupazione era che i soggetti non riuscissero a dormire con gli occhi aperti. Ma in una stanza buia, la maggior parte delle persone dimentica che gli occhi sono ancora aperti e può dormire”, spiega l’autore principale dello studio, Manuel Carro Domínguez, che ha sviluppato la tecnica.

L’analisi dei dati ha dimostrato che le dinamiche pupillari sono associate non solo alle diverse fasi del sonno, ma anche a specifici schemi di attività cerebrale, come i fusi del sonno e le pronunciate onde del sonno profondo, onde cerebrali importanti per il consolidamento della memoria e la stabilità del sonno. I ricercatori hanno anche scoperto che il cervello reagisce a suoni di diversa intensità a seconda del livello di attivazione, che si riflette nella dimensione della pupilla.

Un regolatore centrale del livello di attivazione è una piccola regione del tronco cerebrale chiamata locus coeruleus. Negli animali, gli scienziati hanno dimostrato che è importante per la regolazione delle fasi del sonno e della veglia. In questo studio, i ricercatori dell’ETH non sono riusciti a dimostrare se il locus coeruleus sia effettivamente responsabile in modo diretto dei cambiamenti pupillari. Gli esperti hanno osservato solo cambiamenti pupillari legati al grado di attivazione cerebrale e all’attività cardiaca.

In uno studio successivo, i ricercatori vogliono provare a influenzare l’attività del locus coeruleus con i farmaci per esaminare come questo influisca sulla dinamica pupillare. Sperano di capire se questa regione cerebrale sia effettivamente responsabile del controllo delle pupille durante il sonno e come le variazioni del livello di attivazione influenzino il sonno e le sue funzioni.

Usare la dinamica della pupilla per diagnosticare le malattie

La comprensione delle dinamiche pupillari durante il sonno potrebbe anche fornire importanti indicazioni per la diagnosi e il trattamento dei disturbi del sonno e di altre malattie. I ricercatori vogliono quindi verificare se i cambiamenti della pupilla durante il sonno possano fornire indizi sui disturbi funzionali del sistema di eccitazione. Questi includono disturbi come l’insonnia, il disturbo da stress post-traumatico e forse il morbo di Alzheimer.

Un altro obiettivo è quello di rendere la tecnologia utilizzabile al di fuori dei laboratori del sonno, ad esempio negli ospedali, dove potrebbe aiutare a monitorare la veglia dei pazienti in coma o a diagnosticare più accuratamente i disturbi del sonno. La pupilla come finestra sul cervello potrebbe quindi aprire la strada a nuove possibilità nella medicina del sonno e nelle neuroscienze.