Onde delta del sonno REM umano e la distinzione sfumata tra sonno NREM e REM

Il sonno è universale, irresistibile ed eterogeneo. Nei mammiferi, il sonno è tradizionalmente diviso in fasi di movimento oculare non rapido (NREM) 1-4 e di movimento oculare rapido (REM), ognuna delle quali ha modelli di attività cerebrale ben definiti. In particolare, onde delta lente e sincrone, fusi e deflessioni negative isolate definiscono il sonno NREM, mentre l’attività tonica, veloce e non sincronizzata caratterizza il sonno REM. I modelli di attività neuronale bi-stabile con stati depolarizzati “on-” e iperpolarizzati “off-” danno origine alle onde delta e si pensa che consentano al sonno NREM di funzionare nel consolidamento della memoria (Battaglia et al., 2004) e nell’omeostasi sinaptica (Tononi e Cirelli, 2014). Al contrario, si pensa che i modelli di attività durante il sonno REM rendano questa fase più adatta alla stabilizzazione della memoria (Li et al., 2017) e all’integrazione (Sterpenich et al., 2014).

Prove recenti suggeriscono che il comportamento non è così facilmente separabile in stati a livello cerebrale, con programmi e funzioni di attività neurale emblematici, come precedentemente creduto. Invece, i cicli ultradiani di sincronizzazione neuronale e neuromodulazione possono avere influenze generali, a livello cerebrale, durante i quali l’attività cerebrale locale è eterogenea e può deviare dal modello globale. Per esempio, è stata documentata l’attivazione locale durante il sonno NREM (Nobili et al., 2011) e l’attività delle onde lente (di seguito attività delta-range) nel cervello sveglio (Vyazovskiy et al., 2011; Quercia et al., 2018), così come nelle cortecce primarie del topo durante il sonno REM (Funk et al., 2016); per una revisione dettagliata di questi argomenti vedi Siclari e Tononi (2017). Quindi, anche se è conveniente dividere il sonno umano in un piccolo numero di fasi facilmente distinguibili, la realtà potrebbe essere molto più complessa. Infatti, diverse domande devono essere affrontate. Gli esseri umani, come i topi, hanno onde delta locali durante il sonno REM? Se sì, queste onde hanno la stessa composizione di quelle osservate durante il sonno NREM? Le onde delta servono le stesse funzioni o diverse attraverso gli stati di eccitazione? E la distinzione tra sonno NREM e REM sta sfumando? Molte di queste domande trovano risposta nei recenti risultati di Bernardi et al. (2019), pubblicati nel Journal of Neuroscience.

Utilizzando l’elettroencefalografia ad alta densità, Bernardi et al. (2019) hanno cercato di determinare se gli umani hanno onde delta regionali durante il sonno REM, simili a quelle recentemente mostrate nei topi (Funk et al., 2016). Infatti, hanno distinto due gruppi di onde delta che si verificano durante il sonno REM: onde più lente (<2 Hz), registrate nelle regioni mediale-occipitale, presenti sia nel sonno NREM che REM, e onde più veloci (2,5-3 Hz), esclusive del sonno REM, fronto-centrali/occipito-temporali “dente di sega”. Di questi, le onde delta mediale-occipitale erano spesso isolati, bassa ampiezza, e localizzato alle cortecce visive primarie quando osservato nel sonno REM. Onde dente di sega è apparso in burst, erano ad alta ampiezza, e si è verificato accanto a aumenti in REM. A differenza delle onde mediali-occipitali simili al sonno NREM, che erano legate a diminuzioni dell’attività neuronale, le onde a dente di sega erano correlate positivamente con l’attività gamma ad alta frequenza ed erano quindi considerate corticamente “attivanti”.

L’osservazione di un ritmo tradizionalmente visto come una componente del sonno NREM in specifiche regioni del cervello durante il sonno REM si basa su prove che indicano che il sonno può operare in modo locale, in contrapposizione a un modo uniforme, a livello cerebrale (Siclari e Tononi, 2017). Tale sonno locale è presumibilmente accompagnato o guidato da influenze e attività quasi globali e specifiche dello stato. Cioè, forse il sonno NREM, già considerato come la maggior parte del periodo di sonno totale, non si spegne completamente durante la notte, nonostante alcune delle sue qualità siano periodicamente e regionalmente interrotte dal sonno REM. In alternativa, le attività tradizionalmente considerate come definizione del sonno NREM, come le onde delta, potrebbero non essere specifiche della fase, ma invece operano localmente durante il sonno REM, confondendo così la distinzione tra queste fasi. Indipendentemente da ciò, è chiaro che gli stati di eccitazione non dovrebbero essere distinti esclusivamente dal rilevamento di ciò che tradizionalmente si è pensato di essere modelli di attività distinti per fasi. Invece, la potenza spettrale netta nell’elettroencefalogramma e le misure fisiologiche periferiche, come il movimento degli occhi o i cambiamenti nel tono muscolare, sono le metriche che dovrebbero essere utilizzate per definire e discernere il sonno NREM e REM.

Il rilevamento di onde delta mediali-occipitali simili al sonno NREM durante il sonno REM, accanto a burst delta a dente di sega attivanti, integra la ricerca che indica che le forme d’onda che operano all’interno di una banda spettrale definita non sono limitate a un singolo stato di eccitazione (Siclari e Tononi, 2017) e non sono del tutto omogenee nella struttura e nella funzione (Siclari et al, 2014). Quando si verificano nel sonno REM, l’attività delta mediale-occipitale e a dente di sega potrebbe svolgere funzioni simili a quelle del delta del sonno NREM, svolgere una funzione sconosciuta specifica del sonno REM, o operare più in generale nella conservazione del sonno.

Durante il sonno NREM, l’attività cerebrale nella fascia delta è implicata nel consolidamento della memoria dei sistemi (Maingret et al., 2016), nell’omeostasi sinaptica (Tononi e Cirelli, 2014), e nella disconnessione sensoriale (Funk et al., 2016). Le onde delta mediali-occipitali osservate da Bernardi et al. (2019) potrebbero servire funzioni comparabili nel sonno REM. Anche se l’attivazione neurale tonica durante il sonno REM rafforza le sinapsi (Li et al., 2017) e potrebbe formare associazioni (Lewis et al., 2018), il tono colinergico elevato interrompe il dialogo ippocampale-neocorticale e probabilmente vieta alle onde delta in questo stato di servire una funzione di consolidamento dei sistemi (Gais e Born, 2004). Inoltre, le attività delta-range nel sonno NREM sono pensate per facilitare il trasferimento a livello di sistema di informazioni di memoria da aree sottocorticali a luoghi corticali da fase-lock depolarizzazione up-states a ondulazioni ippocampali e fusi talamocorticali (Maingret et al., 2016). Il relativo confinamento delle ondulazioni associate alla riattivazione della memoria e dei fusi che trasportano le ondulazioni al sonno NREM rafforza la nozione che le onde delta osservate nel sonno REM non servono una funzione di consolidamento dei sistemi. Anche se si verificasse un dialogo interregionale, le attività delta-range nelle cortecce primarie (Funk et al., 2016; Bernardi et al., 2019) potrebbero impedire la propagazione del segnale (Massimini et al., 2005) e precludere il consolidamento integrativo delle connessioni alle regioni a valle delle cortecce primarie, dove tipicamente risiedono i ricordi (Binder et al., 2009).

Le informazioni vengono codificate durante la veglia dal rafforzamento delle sinapsi. Le sinapsi rafforzate hanno maggiori probabilità di attivarsi e rafforzarsi ulteriormente, rendendo queste connessioni vulnerabili alla saturazione. Durante il sonno NREM, si pensa che l’attività nello spettro delta provochi una rinormalizzazione adattiva delle sinapsi rafforzate (Tononi e Cirelli, 2014). Tuttavia, la restrizione dei picchi di attività delta durante il sonno REM a regioni corticali di ordine inferiore (Bernardi et al., 2019) non tipicamente associate all’immagazzinamento della memoria rende improbabile che l’omeostasi delle sinapsi sia la funzione principale delle onde delta in questo stato. Pertanto, il consolidamento della memoria dei sistemi e la rinormalizzazione delle sinapsi sono probabilmente funzioni meno importanti delle onde delta nel sonno REM rispetto a quelle osservate nel sonno NREM.

Durante il sonno NREM, l’inibizione dei relè talamocorticali e gli stati off delle onde delta sono pensati per disconnettere il cervello dal mondo esterno (Lewis et al., 2015; Siclari et al., 2018). Funk et al. (2016) hanno suggerito che l’attività delta-range osservata nelle cortecce sensoriali primarie, ma non secondarie, durante il sonno REM opera per garantire che questa disconnessione persista nel sonno REM. Le onde delta non attivanti presenti nelle cortecce visive primarie umane e dei roditori durante il sonno REM potrebbero impedire che gli stimoli visivi e le forme d’onda attivanti evochino eccitazione eccessiva e transizioni di stato comportamentali. Tali forme d’onda attivanti potrebbero includere dente di sega (Bernardi et al., 2019) e onde ponto-genicolo-occipitali (PGO) (Stuart e Conduit, 2009), che sono discusse di seguito. In questo modo, le onde delta mediali-occipitali possono garantire che i ricordi riattivati, rafforzati, indeboliti o integrati durante il sonno REM non siano distorti o contaminati dall’ambiente esterno, come accadrebbe se i micro-arousal o i risvegli fossero frequenti.

Le esperienze fenomenologiche vivide e coinvolgenti sono una caratteristica del sonno REM negli esseri umani. La ricchezza dei sogni si basa in parte sull’attivazione corticale tonica, questo è evidenziato dall’osservazione che gli stati off ricorrenti nel sonno NREM diminuiscono l’esperienza cosciente (Siclari et al., 2018) e causano la brevità del sogno. Come mai, allora, le immagini dei sogni sono così vivide durante il sonno REM se le onde delta sono presenti nelle cortecce visive primarie? I sogni sono spesso localizzati in aree multimodali di ordine superiore della corteccia e si verificano concomitante bassa potenza delta in queste regioni (Siclari et al., 2017), anche se sono state implicate anche aree visive di ordine inferiore. Le onde PGO attivanti osservate nelle specie non umane sono un substrato cerebrale proposto per l’immaginazione dei sogni (Stuart e Conduit, 2009). Le esplosioni delta a dente di sega descritte da Bernardi et al. (2019) assomigliano, e forse sono un correlato umano delle onde PGO. Pertanto, queste onde delta possono essere direttamente collegate a uno degli attributi più determinanti del sonno REM umano, i sogni.

Dimostrando l’attività delta locale durante il sonno REM negli esseri umani, Bernardi et al. (2019) hanno fornito nuove prove contro la nozione di fasi del sonno globalmente omogenee, con attività distinte per fasi. Questi risultati contribuiscono a un crescente corpo di letteratura che indica che il sonno è in gran parte locale e che le attività rilevanti, come le onde delta, spesso non sono così monolitiche nella struttura e nella funzione o così specifiche per un singolo stato cerebrale, come si credeva una volta. Queste scoperte segnano un momento eccitante per la scienza del sonno e preludono a future ricerche che indagano ulteriormente le distinzioni tra, e la sovrapposizione di, sonno NREM e REM, così come il ruolo delle onde delta del sonno REM.