Le esplosioni di onde cerebrali simili a terremoti sono risultate essenziali per un sonno sano.
Una nuova ricerca sui ratti mostra che l’eccitazione corticale e brevi risvegli durante il sonno
mostrano dinamiche di non equilibrio e organizzazione complessa su scale temporali necessarie per le
transizioni spontanee della fase del sonno e per mantenerlo sano. Il professor Plamen Ch. Ivanov (1)
dell’Università di Boston e colleghi presentano questi risultati nella biologia computazionale PLOS.
(2)
Il sonno è tradizionalmente considerato un processo omeostatico che resiste alla deviazione
dall’equilibrio. A tale proposito, brevi episodi di veglia sono considerati perturbazioni che
portano alla frammentazione del sonno e ai relativi disturbi del sonno. Pur affrontando gli aspetti
della regolazione del sonno correlati al sonno medesimo e alla veglia consolidati e al ciclo
sonno-veglia, il paradigma omeostatico non tiene conto delle dozzine di improvvise transizioni e
micro-stati della fase del sonno all’interno delle sue fasi nel corso della notte. Il professor
Plamen Ch. Ivanov e colleghi hanno ipotizzato che, mentre il sonno è effettivamente omeostatico in
scale temporali di ore e giorni, la dinamica di non equilibrio e la criticità sono alla base della
sua microarchitettura in scale temporali più brevi.
Per verificare questa ipotesi, i ricercatori hanno raccolto registrazioni di elettroencefalogramma
(EEG) sull’attività cerebrale per più giorni in ratti normali e in ratti con lesioni alla zona
parafacciale, una regione del cervello che aiuta a regolare il sonno. Gli scienziati hanno
analizzato le dinamiche dei modelli di attività cerebrale conosciuti come onde theta e onde delta,
che si osservano sia nei ratti che negli umani.
I loro risultati empirici e la loro modellizzazione indicano che l’eccitazione del sonno è una
manifestazione di un meccanismo intrinseco di regolazione del sonno e di non equilibrio correlato
all’auto-organizzazione delle assemblee neuronali. Questo meccanismo agisce su scale temporali di
secondi e minuti e rimane in funzione tramite raffiche continue nei ritmi delle onde cerebrali.
Lo studio suggerisce inoltre che il mantenimento di uno stato critico di non equilibrio è essenziale
per la flessibilità del sistema di regolazione del sonno nel attivare spontaneamente più transizioni
tra le diverse sue fasi e tra il sonno e la breve veglia durante il periodo di riposo. Tale stato
critico è anche necessario per la complessa microarchitettura che è sempre più riconosciuta come
caratteristica del sonno sano. Il comportamento critico osservato nel sonno traccia parallelismi con
altri sistemi di non equilibrio a criticità, come i terremoti.
Paradossalmente, scopriamo che lo stato di riposo del sonno sano viene mantenuto attraverso
esplosioni di attività del ritmo corticale che obbediscono a simili organizzazioni temporali,
statistiche e leggi matematiche come i terremoti, afferma Ivanov. I nostri risultati servono come
elementi fondamentali per comprendere meglio il sonno e potrebbero aiutare a migliorare il
rilevamento e il trattamento dei disturbi del sonno.
Questa ricerca è stata supportata da un finanziamento di ricerca a CA dal National Institutes of
Health (NIH Grant 1R01-NS061841) e borse di ricerca per PChI delle seguenti agenzie: National
Institutes of Health (NIH Grant 1R01-HL098437), US-Israel Binational Science Foundation (BSF Grant
2012219), Office of Naval Research (ONR Grant 000141010078), e dalla W. M. Keck Foundation. I
finanziatori non hanno avuto alcun ruolo nella progettazione dello studio, nella raccolta e analisi
dei dati, nella decisione di pubblicare o nella preparazione del manoscritto. Gli autori hanno
dichiarato che non esistono interessi in competizione.
Riferimenti:
(1) Plamen Ch. Ivanov
physics.bu.edu/people/show/plamen
(2) Non-equilibrium critical dynamics of bursts in ? and d rhythms as fundamental characteristic of
sleep and wake micro-architecture
journals.plos.org/ploscompbiol/article?id=10.1371/journal.pcbi.1007268
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano
Articolo originale: Earthquake-like brain-wave bursts found to be essential for healthy sleep
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