Quando sogniamo, il nostro cervello è pieno di attività elettrica rumorosa che sembra quasi identica a quella del cervello sveglio.
Ma l’Università della California, Berkeley, i ricercatori hanno tirato fuori un segnale dal rumore che definisce in modo unico il sogno, o sonno REM, rendendo potenzialmente più facile monitorare le persone con disturbi del sonno, così come i pazienti in coma inconsci o quelli sotto anestesia.
Ogni anno, centinaia di migliaia di persone si sottopongono a studi notturni per diagnosticare problemi con il loro sonno, la maggior parte di loro collegato a un elettroencefalogramma (EEG) per monitorare l’attività cerebrale mentre progrediscono dalla veglia al sonno profondo, a onde lente e nel sonno REM. Ma l’EEG da solo non può dire se un paziente è sveglio o sta sognando: I medici possono distinguere il sonno REM solo registrando il movimento rapido degli occhi – da cui il nome – e il tono muscolare, poiché i nostri corpi si rilassano in una paralisi generale per impedirci di agire i nostri sogni.
“Ora abbiamo davvero una metrica che ti dice con precisione quando sei nel sonno REM. È una metrica universale di essere incosciente”, ha detto Robert Knight, UC Berkeley professore di psicologia e neuroscienze e autore senior di un documento che descrive la ricerca che è stato pubblicato il 28 luglio nella rivista online eLife.
“Questi nuovi risultati mostrano che, sepolto nella statica elettrica del cervello umano, c’è qualcosa di assolutamente unico – una firma semplice,” ha detto co-autore e ricercatore di sonno Matthew Walker, UC Berkeley professore di psicologia e neuroscienze. “E se misuriamo quella semplice firma elettrica, per la prima volta, possiamo determinare con precisione esattamente quale stato di coscienza qualcuno sta vivendo – sognando, sveglio, anestetizzato o in sonno profondo.”
La capacità di distinguere il sonno REM per mezzo di un EEG permetterà ai medici di monitorare le persone sotto anestesia durante l’intervento chirurgico per esplorare come l’incoscienza indotta da narcotici differisce dal sonno normale – una domanda ancora non risolta. Questa è la ragione principale del primo autore Janna Lendner, un medico residente in anestesiologia, ha iniziato lo studio.
“Spesso diciamo ai nostri pazienti che, ‘Ora andrai a dormire,’ ed ero curioso di sapere quanto questi due stati effettivamente si sovrappongono,” ha detto Lendner, un borsista post-dottorato della UC Berkeley nel suo quarto anno di residenza in anestesiologia presso il Centro medico universitario di Tubinga, in Germania. “L’anestesia può avere alcuni effetti collaterali. Se impariamo un po’ su come si sovrappongono – forse l’anestesia dirotta alcune vie del sonno – potremmo essere in grado di migliorare l’anestesia nel lungo periodo.”
Il sonno calma il cervello
Il sonno, come ha scritto Walker nel suo libro del 2017, “Perché dormiamo”, “arricchisce una diversità di funzioni, compresa la nostra capacità di imparare, memorizzare e prendere decisioni e scelte logiche. Benevolmente al servizio della nostra salute psicologica, il sonno ricalibra i nostri circuiti cerebrali emotivi, permettendoci di affrontare le sfide sociali e psicologiche del giorno dopo con compostezza a mente fredda.”
Il sonno interrotto interferisce con tutto questo, aumentando il rischio di malattie mediche, psichiatriche e neurologiche.
La maggior parte della ricerca sul sonno si concentra sulle onde sincronizzate e ritmiche che scorrono attraverso la rete neurale del cervello, dalle onde lente che segnalano il sonno profondo, tipicamente nelle prime ore della notte, alle onde di frequenza più alta tipiche del sonno dei sogni. Queste onde spuntano sopra un sacco di attività generale, chiamato anche 1/f, che è stato tipicamente liquidato come rumore e ignorato.
Ma Knight e il suo laboratorio hanno guardato questo “rumore” per un decennio e scoperto che contiene informazioni utili sullo stato del cervello. Nel 2015, per esempio, lui e Bradley Voytek, un ex studente di dottorato ora in facoltà alla UC San Diego, hanno scoperto che la quantità di attività ad alta frequenza aumenta con l’età. Lendner ha ora scoperto che un calo più veloce dell’attività ad alta frequenza, rispetto all’attività a bassa frequenza, è una firma unica del sonno REM.
“C’è questa attività di fondo, che non è ritmica, e l’abbiamo trascurata per molto tempo”, ha detto Lendner. “A volte, è stato chiamato rumore, ma non è un rumore; porta un sacco di informazioni, anche sul livello di eccitazione sottostante. Questa misura rende possibile distinguere il sonno REM dalla veglia guardando solo l’EEG.”
Poiché le onde lente sono associate all’inibizione dell’attività nel cervello, mentre l’attività ad alta frequenza – come quella trovata durante la veglia – è associata al comportamento eccitatorio, il drop-off più netto può essere un’indicazione che molte attività nel cervello, comprese quelle relative al movimento muscolare, sono state tamponate durante il sonno REM.
La nuova misura quantifica il rapporto di attività cerebrale a diverse frequenze – quanta attività c’è a frequenze da circa 1 ciclo al secondo a 50 cicli al secondo – e determina la pendenza, cioè quanto velocemente lo spettro scende. Questo 1/f “drop-off” è più nitida nel sonno REM che in veglia o quando sotto anestesia.
Lendner ha trovato questa misura caratteristica nell’attività cerebrale notturna di 20 persone registrate tramite elettrodi EEG del cuoio capelluto nel laboratorio del sonno di Walker UC Berkeley e in 10 persone che avevano elettrodi posizionati nel loro cervello per cercare le cause di epilessia come un prologo necessario per la chirurgia del cervello per alleviare le crisi.
Ha anche registrato l’attività cerebrale in 12 pazienti con epilessia e 9 altri pazienti sottoposti a chirurgia spinale con il comune anestetico generale Propofol.
Lendner sta ora rivedendo le registrazioni cerebrali di pazienti in coma per vedere come varia la loro attività cerebrale nel corso di una giornata e se il drop-off 1/f può essere utilizzato per indicare la probabilità di emergere dal coma.
“Più importante, penso che sia un’altra metrica per valutare gli stati di coma”, ha detto Knight. “1/f è molto sensibile. Potrebbe risolvere, per esempio, se qualcuno era in uno stato minimamente cosciente, e non si muove, e se è più vigile di quanto si pensi che sia.”
Riferimento: Lendner, J. D., Helfrich, R. F., Mander, B. A., Romundstad, L., Lin, J. J., Walker, M. P., Larsson, P. G., & Knight, R. T. (2020). Un marcatore elettrofisiologico del livello di eccitazione negli esseri umani. ELife, 9, e55092. https://doi.org/10.7554/eLife.55092