Ricerche

Studiando i topi, gli scienziati della Johns Hopkins University hanno rafforzato le evidenze che l'obiettivo fondamentale del sonno è ricalibrare le cellule del cervello responsabili dell'apprendimento e della memoria, in modo che gli animali possano 'solidificare' le lezioni apprese e usarle quando si risvegliano.

I ricercatori, una sintesi del cui lavoro appare online oggi 3 febbraio su Science, riferiscono anche di aver scoperto diverse molecole importanti che regolano il processo di ricalibrazione, così come la prova del fatto che la privazione del sonno, i disturbi del sonno e i sonniferi possono interferire con il processo.

"I nostri risultati fanno avanzare con solidità l'idea che il topo e presumibilmente il cervello umano possono memorizzare solo una certa quantità di informazioni prima di doversi ricalibrare", dice Graham Diering PhD, che ha condotto lo studio. "Senza il sonno e la ricalibrazione che avviene durante il sonno, i ricordi sono in pericolo di essere persi".

Diering spiega che l'attuale comprensione scientifica dell'apprendimento suggerisce che l'informazione è 'contenuta' nelle sinapsi, le connessioni tra i neuroni, attraverso cui comunicano. Sul 'lato di invio' della sinapsi vengono rilasciate molecole di segnalazione chiamate neurotrasmettitori dalla cellula cerebrale mentre 'spara'; sul 'lato ricevente', queste molecole vengono acquisite dalle proteine ​​dei recettori, che passano avanti il 'messaggio'. Se una cellula riceve abbastanza segnali attraverso le sue sinapsi, fa proseguire ('spara') i propri neurotrasmettitori.

Più in particolare, gli esperimenti sugli animali hanno dimostrato che le sinapsi sul neurone ricevente possono essere attivate aggiungendo o rimuovendo le proteine ​​recettoriali, rafforzandole o indebolendole in tal modo, e permettendo al neurone ricevente di ricevere più o meno input dai neuroni vicini che segnalano. Gli scienziati ritengono che i ricordi vengano codificati attraverso questi cambiamenti sinaptici.

Ma c'è un inghippo in questo modo di pensare, dice Diering, perché mentre i topi e altri mammiferi sono svegli, le sinapsi di tutto il cervello tendono ad essere rafforzate, non indebolite, spingendo il sistema verso il massimo carico. Quando i neuroni sono 'sovraccarichi' e costantemente in 'sparo', perdono la capacità di trasmettere informazioni, ostacolando l'apprendimento e la memoria.

Una possibile ragione per cui di solito i neuroni non sono mai 'sovraccarichi' è un processo che è stato ben studiato nei neuroni accresciuti in laboratorio, ma non negli animali viventi, svegli o addormentati. Conosciuto come 'ridimensionamento omeostatico progressivo', è un processo che indebolisce uniformemente di una piccola percentuale le sinapsi di una rete neurale, lasciando intatti i loro punti di forza relativi e permettendo la continuazione dell'apprendimento e della formazione di memoria.

Per scoprire se il processo si verifica nei mammiferi mentre dormono, Diering si è focalizzato sulle aree del cervello di topo responsabili dell'apprendimento e della memoria: l'ippocampo e la corteccia. Ha depurato le proteine ​​dalle sinapsi riceventi nei topi dormienti e svegli, cercando gli stessi cambiamenti osservati durante il ridimensionamento nelle cellule allevate in laboratorio.

I risultati hanno mostrato un calo del 20 per cento dei livelli di proteine nel recettore dei topi dormienti, indicando un indebolimento complessivo delle loro sinapsi, rispetto ai topi che erano svegli. "E' la prima prova del ridimensionamento omeostatico progressivo in animali vivi", dice Richard Huganir PhD, professore di neuroscienze, direttore del Dipartimento di Neuroscienze e autore senior dello studio. "Questo suggerisce che le sinapsi sono ristrutturate in tutto il cervello del topo ogni 12 ore, più o meno, un fatto abbastanza notevole".

Per sapere specificamente quali molecole sono responsabili del fenomeno, il team ha esaminato una proteina chiamata Homer1a, scoperta nel 1997 da Paul Worley MD, professore di neuroscienze, che faceva parte del team che ha condotto il nuovo studio. Gli studi hanno dimostrato che la Homer1a (dal nome dell'autore antico greco a causa dell'«odissea» scientifica necessaria per identificarlo) è importante per la regolazione del sonno e della veglia, e per il ridimensionamento omeostatico progressivo dei neuroni prodotti in laboratorio.

Ripetendo la precedente analisi delle proteine ​​sinaptiche, Diering ha trovato in effetti livelli molto più elevati (+250%) di Homer1a nelle sinapsi dei topi dormienti rispetto ai topi svegli. E nei topi geneticamente progettati per mancare della Homer1a, non era più presente la diminuzione precedente di proteine ​nei ​recettori sinaptici associata al sonno.

Per sapere come la Homer1a capisce quando i topi dormono o sono svegli, i ricercatori hanno esaminato il neurotrasmettitore noradrenalina, che induce il cervello a eccitarsi e a svegliarsi. Bloccando o aumentando i livelli di noradrenalina, sia nei neuroni di laboratorio che nei topi, i ricercatori hanno confermato che, quando i livelli di noradrenalina erano elevati, la Homer1a restava lontana dalle sinapsi; quando erano bassi, si raccoglieva lì.

Per verificare direttamente se la posizione della Homer1a è legata al sonno, il team ha tenuto svegli i topi per quattro ore in più, inserendoli in una gabbia non familiare. Alcuni hanno poi avuto due ore e mezza di 'sonno di recupero'. Come previsto, i livelli di Homer1a nelle sinapsi riceventi erano molto più alti nei topi privati ​​del sonno rispetto a quelli che hanno avuto il sonno di recupero. Ciò suggerisce, dice Diering, che la Homer1a capisce quando un animale ha 'bisogno di sonno', non solo che ora del giorno è.

Diering sottolinea che la necessità di sonno è controllata dall'adenosina, una sostanza chimica che si accumula nel cervello sveglio, provocando sonnolenza. (La caffeina, la droga psicoattiva più consumata al mondo, interferisce direttamente con l'adenosina). Quando, durante la privazione del sonno, i topi hanno ricevuto un farmaco che blocca l'adenosina, i livelli di Homer1a non sono più aumentati nelle loro sinapsi.

"Pensiamo che la Homer1a sia una specie di vigile urbano", dice Huganir. "E che valuta i livelli di noradrenalina e adenosina per determinare quando il cervello è sufficientemente tranquillo per iniziare il ridimensionamento".

Come test finale della loro ipotesi che il ridimensionamento durante il sonno è fondamentale per l'apprendimento e la memoria, i ricercatori hanno testato la capacità dei topi di imparare senza ridimensionamento. Topi singoli sono stati collocati in un'arena non familiare e hanno ricevuto una scossa elettrica delicata, al risveglio o proprio prima di addormentarsi. Alcuni topi hanno poi ricevuto un farmaco noto per prevenire il ridimensionamento.

Quando un topo non trattato con farmaco riceveva una scossa poco prima di dormire, il suo cervello eseguiva il processo di ridimensionamento e formava un'associazione tra quell'ambiente e lo shock. Quando venivano posti in quella stessa arena, i topi passavano circa il 25 per cento del loro tempo immobili, nel timore di un altro shock. Quando erano posti in una arena sconosciuta diversa, si bloccavano a volte, ma solo circa il 9 per cento del loro tempo, probabilmente perché non erano molto bravi a notare la differenza tra le due arene sconosciute.

Aspettandosi che i topi con farmaco che non riuscivano a ridimensionare durante il sonno avrebbero avuto ricordi più deboli e quindi si bloccassero di meno, Diering è stato sorpreso di vedere che erano immobili più a lungo (il 40 per cento del loro tempo), quando tornavano all'arena in cui avevano avuto la scossa. Ma i topi con farmaco erano immobili più a lungo (13 per cento del loro tempo), anche quando erano in una nuova arena. Quando la scossa veniva data al risveglio, il farmaco non faceva alcuna differenza nel tempo di blocco dei topi in alcuno degli ambienti, confermando che il ridimensionamento avviene solo durante il sonno.

"Pensiamo che la memoria della scossa fosse più forte nei topi con farmaco, perché le loro sinapsi non potevano subire il ridimensionamento, ma anche tutti i tipi di altri ricordi erano rimasti forti, così che i topi erano confusi e non potevano distinguere facilmente le due arene", dice Diering. "Questo dimostra perché 'dormirci sopra' può effettivamente chiarire le nostre idee. La linea di fondo è che, in realtà, il sonno non è un tempo di inattività per il cervello. Ha un lavoro importante da fare in quel momento, e noi nel mondo sviluppato stiamo imbrogliando noi stessi lesinandolo".

Huganir dice che il sonno è ancora un grande mistero: "In questo studio, abbiamo esaminato solo quello che succede in due aree del cervello durante il sonno. Ci sono probabilmente processi altrettanto importanti che accadono in altri settori, e in tutto il corpo, per quanto riguarda ciò".

Tra gli eventi che richiedono un ulteriore approfondimento, c'è il modo in cui apprendimento e memoria sono influenzati dai disturbi del sonno e da altre malattie note per disturbare il sonno negli esseri umani, come l'Alzheimer e l'autismo. Huganir dice anche che le benzodiazepine e altri farmaci che vengono comunemente prescritti come sedativi, miorilassanti e altri aiuti al sonno, sono noti per evitare il ridimensionamento omeostatico progressivo e probabilmente interferiscono con l'apprendimento e la memoria, anche se questa idea deve ancora essere testata sperimentalmente.