Perché dormiamo? Che cos’è il sonno?

Perché dormiamo?

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Perché dormiamo?

Le ragioni del perché dedichiamo tanto tempo al sonno stanno diventando sempre meno enigmatiche.

Gli uccelli lo fanno. E, per allontanarci un poco dalle parole di una famosa canzone di Cole Porter (Let’s Fall in Love), sembra che lo facciano anche i moscerini della frutta. Gli esseri umani lo fanno, questo è certo. Non stiamo parlando dell’amore, ma del dormire. Il Macbeth di Shakespeare dice che il sonno “dipana l’aggrovigliata matassa degli affanni” ed è “il balsamo degli animi feriti, la seconda portata nel convito della grande natura, il principale alimento nel banchetto della vita…”. Il Sancho Panza di Cervantes ne canta invece le lodi come “cibo che cura ogni fame, acqua che estingue ogni sete, fuoco che scalda il gelo, freddo che placa il cuore … il contrappeso che rende il pastore uguale al Re e il semplice al saggio”. Ma il semplice e il saggio si sono sempre posti due domande strettamente legate l’una all’altra: che cos’è il sonno, e perché ne abbiamo bisogno? Una risposta ovvia all’ultima domanda è che un sonno adeguato è necessario per stare svegli e vigili. Quella risposta, però, non risolve il problema. E’ come dire che si mangia per non morire d’inedia o si respira per non soffocare.

La vera funzione del mangiare è fornire all’organismo sostanze nutrienti, e quella del respirare è assumere ossigeno ed espellere biossido di carbonio. Ma non abbiamo una spiegazione altrettanto semplice per quanto riguarda il dormire. Tuttavia la ricerca sul sonno, che ha meno di un secolo di storia come campo specializzato di investigazione scientifica, ci consente di formulare almeno ragionevole ipotesi sulla funzione di quello stato in cui trascorriamo un terzo della nostra vita.

Che cos’è il sonno?

Nonostante la difficoltà di definire rigorosamente il sonno, un osservatore è generalmente in grado di dire se qualcuno è addormentato oppure no: di solito chi dorme mostra una relativa “disattenzione” per ciò che lo circonda ed è più o meno immobile. La cosa, si badi, non è banale: i delfini e altri mammiferi marini nuotano durante il sonno, e alcuni uccelli possono dormire durante le lunghe migrazioni.

Nel 1953, all’Università di Chicago, il pioniere della ricerca sul sonno Nathaniel Kleitman e il suo studente Eugene Aserinsky diedero uno scossone all’idea allora diffusa che il sonno non costituisse altro che una sospensione di gran parte dell’attività cerebrale. Essi scoprirono che il sonno – nella fase oggi nota come sonno REM – è caratterizzato da rapidi movimenti oculari. L’esistenza della fase REM implicava dunque un’attività cerebrale durante il sonno. Tutti i mammiferi terrestri sinora studiati mostrano una regolare alternanza di sonno REM e non-REM (chiamato anche, quest’ultimo, sonno quieto o a onde lente). Più recentemente, i progressi in questo campo hanno consentito di caratterizzare la natura del sonno a livello dei neuroni cerebrali. Negli ultimi 20 anni, i ricercatori hanno imparato a padroneggiare tecniche che consentono di guidare sottilissimi microelettrodi (del diametro di soli 32 micrometri) in varie regioni del cervello. Questi filamenti non producono dolore una volta impiantati e sono stati usati sia in esseri umani sia in animali di laboratorio per studiare l’attività cerebrale durante la veglia e il sonno. Come ci si poteva aspettare, queste indagini hanno dimostrato che la maggior parte dei neuroni cerebrali si trova ai massimi livelli d’attività, o quasi, mentre il soggetto è sveglio. Ma il comportamento dei neuroni durante il sonno varia in modo sorprendente. Per quanto il comportamento del dormiente, visto dall’esterno, sia identico durante le fasi di sonno REM e non-REM, il cervello si comporta in modo del tutto differente. Durante il sonno non-REM, la maggior parte dei neuroni situati nel midollo allungato, immediatamente al di sopra del midollo spinale, riduce o arresta la propria attività (misurabile attraverso scariche elettriche), mentre i neuroni della corteccia cerebrale e delle regioni adiacenti del prosencefalo riducono solo di poco le proprie scariche elettriche. Ciò che cambia in modo marcato è la struttura complessiva dell’attività. Durante la veglia, un neurone bada più o meno agli affari propri. Durante le fasi di sonno non-REM, invece, neuroni corticali adiacenti iniziano a scaricare in sincronia, con una frequenza relativamente bassa. (In modo apparentemente paradossale, questa attività elettrica sincrona genera onde cerebrali di potenziale maggiore di quanto non avvenga durante la veglia. Tuttavia, come accade in un motore di automobile tenuto al minimo, anche il cervello consuma meno energia quando funziona in questo modo.) Respirazione e pulsazioni cardiache tendono a essere regolari durante il sonno non-REM, ed è molto meno frequente fare sogni vividi. Un piccolo gruppo di cellule cerebrali alla base del prosencefalo è al massimo della sua attività solo durante il sonno non-REM. Queste cellule, forse non più di 100.000 negli esseri umani, che possiamo chiamare neuroni di addormentamento, avrebbero il compito di indurre il sonno. I segnali precisi che attivano questi neuroni non sono ancora del tutto chiari, ma un incremento del calore corporeo durante lo stato di veglia è chiaramente in grado di attivare alcune di queste cellule, il che può spiegare la sonnolenza che spesso ci colpisce durante il bagno caldo o con l’afa estiva. D’altro canto, per diversi aspetti il sonno REM assomiglia molto allo stato di veglia. Le onde cerebrali rimangono a basso potenziale in quanto i neuroni tornano a comportarsi da “individualisti”. Inoltre gran parte delle cellule cerebrali, sia nel prosencefalo sia nel midollo allungato, è attiva, e comunica con altri neuroni con una frequenza almeno uguale a quella dello stato di veglia. Anche il consumo complessivo di energia da parte del cervello nel sonno REM è paragonabile a quello della veglia. L’intensa attività nervosa accompagna gli spasmi e i movimenti oculari che danno al sonno REM il suo nome. Cellule specializzate del midollo allungato, i neuroni di addormentamento REM, diventano in effetti particolarmente attive durante il sonno REM e sembrano essere responsabili della generazione di questo stato. I nostri sogni più vividi si svolgono durante il sonno REM, e il sognare è accompagnato dalla frequente attivazione dei centri motori del cervello, altrimenti operativi solo durante i movimenti nello stato di veglia. Fortunatamente, la maggior parte dei movimenti durante il sonno REM viene inibita da due processi biochimici complementari che coinvolgono neurotrasmettitori, le sostanze chimiche che trasportano fisicamente i segnali da neurone a un altro in corrispondenza della sinapsi (il punto di contatto tra due neuroni). Il cervello cessa di produrre i neurotrasmettitori che attivano i neuroni motori (i controllori dei muscoli), e ne secerne altri che invece li bloccano. Questi meccanismi non riguardano, però i neuroni motori preposti al controllo dei muscoli che muovono gli occhi, consentendo i rapidi movimenti oculari che danno alla fase di sonno REM il suo nome.

Il sonno REM condiziona profondamente anche i sistemi cerebrali che controllano organi e apparati. Per esempio, la frequenza cardiaca e respiratoria diviene irregolare durante il sonno REM, così come lo è durante la veglia attiva. Inoltre la temperatura corporea non è più regolata, e chi dorme tende ad assumere la temperatura ambiente. Per di più, i maschi hanno erezioni e le femmine dilatazioni del clitoride, anche se il sogno non contiene riferimenti di carattere sessuale. Questa breve descrizione dei fenomeni che accompagnano il sonno è abbastanza accurata ma insoddisfacente. Rimane, infatti, la questione di fondo: a che cosa serve il sonno?

La funzione del sonno

In occasione di un recente convegno sul sonno, uno dei presenti ha fatto notare come la funzione del sonno rimanesse in definitiva misteriosa. Il presidente della sessione reagì con veemenza, tuttavia non fu in grado di dare una concreta descrizione del perché, esattamente, la funzione del sonno non dovesse più essere considerata misteriosa. Chiaramente, non esiste ancora un accordo generale, ma è già possibile avanzare alcune ipotesi che a molti esperti sembrano ragionevoli. Un approccio efficacie per comprendere la funzione del sonno consiste nell’osservare quali cambiamenti fisiologici e comportamentali implica la sua deprivazione. Già più di un decennio fa si era osservato che, nei ratti, la totale deprivazione di sonno conduce alla morte. Benché gli animali sottoposti a questa prova consumassero cibo in quantità maggiore del normale e presentassero aumento della frequenza cardiaca e del dispendio di energia (il che faceva sospettare una eccessiva perdita di calore) il loro peso diminuiva ed essi morivano, per ragioni non ancora chiarite, nel giro di 10-20 giorni. Più rapidamente, quindi, di quanto avrebbero fatto se fossero stati tenuti a digiuno, ma se avessero potuto dormire normalmente. Negli esseri umani, una rarissima malattia degenerativa del cervello chiamata insonnia familiare fatale conduce alla morte dopo parecchi mesi dal suo esordio. Ancora non è chiaro se a essere fatale sia la mancanza di sonno in sé e per sé o se siano da chiamare in causa altri aspetti del danno cerebrale. Gli studi sulla deprivazione del sonno negli esseri umani hanno evidenziato che la sonnolenza aumenta anche in seguito a piccole riduzioni dei tempi di sonno notturno. La sonnolenza durante la guida di autoveicoli o durante altre attività che richiedono una vigilanza continua è pericolosa come il consumo di alcool. Ma i dati disponibili suggeriscono che “aiutando” qualcuno ad aumentare la durata del sonno con l’uso, a lungo termine, di sedativi non si ottengono benefici per la salute ben definiti, e anzi si potrebbe abbreviare la durata della vita. (Circa sette ore di sonno per notte si correlano con la massima durata di vita negli esseri umani.) La spinta al sonno è così inesorabile che per ottenere una deprivazione totale del sonno è necessaria una stimolazione ripetuta e intensa. I ricercatori che si basano sulla deprivazione per studiare la funzione del sonno si trovano pertanto a dover affrontare quasi subito la difficoltà di distinguere gli effetti dello stress da quelli della mancanza di sonno. Un altro importante indizio sulla possibile funzione del sonno proviene dall’enorme variabilità del suo fabbisogno da una specie all’altra. Per esempio, una talpa trascorre 22 ore al giorno dormendo, mentre un elefante se la cava con tre o quattro. Ci si aspetterebbe che specie strettamente imparentate, tanto da presentare notevoli somiglianze genetiche, fisiologiche e comportamentali, abbiano abitudini di sonno simili. Tuttavia studi di laboratorio, su animali in cattività e allo stato selvaggio, hanno rilevato che il bisogno di sonno non ha alcuna relazione con la classificazione tassonomica: il campo di variabilità di diversi primati si sovrappone in larga parte a quello dei roditori, il quale si sovrappone, a sua volta, a quello dei carnivori, e così via attraverso molti ordini di mammiferi. Ma se la parentela evolutiva non stabilisce la durata del sonno che cos’è, allora, a determinarla?

La risposta è che tutto dipende dalle dimensioni: gli animali più grandi semplicemente hanno meno bisogno di sonno. Gli elefanti, le giraffe e i grandi primati (come l’uomo) necessitano di relativamente poco sonno; ratti, gatti, arvicole e altri piccoli animali trascorrono la maggior parte del loro tempo dormendo. Il fenomeno si spiega osservando che gli animali piccoli hanno tassi metabolici più alti e maggiori temperature cerebrali e corporee rispetto ai grandi animali. E il metabolismo è un processo che genera radicali liberi, prodotti chimici estremamente reattivi che danneggiano le cellule e gli acidi nucleici, le proteine e i lipidi. Il danno prodotto dai radicali liberi in molti tessuti dell’organismo può essere ovviato sostituendo le cellule compromesse con nuove cellule, generate per divisione cellulare; però la maggior parte delle regioni cerebrali non produce quantità significative di nuove cellule cerebrali dalla nascita in poi. (L’ippocampo, coinvolto nell’apprendimento e nella memoria, è un’importante eccezione.) L’abbassamento del tasso metabolico e della temperatura cerebrale che si verificano durante il sonno non-REM sembrano offrire un’opportunità di riparare ai danni verificatisi durante la veglia. Per esempio, enzimi normalmente occupati nel mantenimento del metabolismo cellulare possono essere diretti alla riparazione. Oppure vecchi enzimi, alterati a loro volta dai radicali liberi, possono essere sostituiti da nuovi enzimi più funzionali. Lo scorso anno il mio gruppo presso l’Università della California a Los Angeles ha scoperto quella che riteniamo essere la prima prova di danno alle cellule cerebrali (nella forma di rottura della membrana cellulare) in ratti, verificatosi come conseguenza diretta della deprivazione di sonno. Questa scoperta va a sostegno dell’idea che il sonno non-REM serva a prevenire il danno metabolico. L’ipotesi della riparazione cellulare potrebbe elegantemente spiegare il sonno non-REM, ma non quello REM. In effetti, dato che durante il sonno REM la maggior parte delle cellule cerebrali è almeno altrettanto attiva che durante la veglia, esse non potrebbero subire processi riparativi. Ma c’è un gruppo specifico di cellule cerebrali che va contro questa tendenza ed è di particolare interesse ai fini di capire la funzione del sonno REM. Si ricordi che la produzione di alcuni neurotrasmettitori cessa durante il sonno REM, disabilitando i movimenti corporei e riducendo la consapevolezza di ciò che avviene nell’ambiente. I neurotrasmettitori chiave coinvolti – noradrenalina, serotonina e istamina – sono chiamati monoammine, in quanto ognuno di essi contiene un gruppo amminico. Le cellule cerebrali che producono queste monoammine sono ininterrottamente al massimo della loro attività nello stato di veglia (e possono avere un ruolo nella generazione di nuove cellule nell’ippocampo). Ma Tennis McGinty e Ronald Harper dell’Università della California a Los Angeles hanno scoperto nel 1973 che queste cellule interrompono del tutto la loro attività elettrica durante il sonno REM. Nel 1988 Michael Rogawski dei National Institute of Health e io ipotizzammo che la sospensione del rilascio dei neurotrasmettitori sia vitale per un adeguato funzionamento di questi neuroni e dei loro recettori. Vari studi indicano che un rilascio ininterrotto di monoammine può desensibilizzare i recettori del neurotrasmettitore. Sospendere la liberazione dei neurotrasmettitori durante il sonno REM potrebbe quindi consentire ai sistemi dei recettori di “riposare” e recuperare così la piena sensibilità indispensabile per la regolazione dell’umore. (I più comuni antidepressivi funzionano proprio attraverso l’inibizione della ricaptazione della serotonina, un processo che causa un netto incremento nella quantità di neurotrasmettitore disponibile per i recettori.) Questi neurotrasmettitori svolgono anche un ruolo nel modificare le connessioni intracerebrali in risposta alle nuove esperienze. La cessazione del loro rilascio durante il sonno REM potrebbe essere pertanto un modo per prevenire cambiamenti nelle connessioni cerebrali che altrimenti potrebbero crearsi inavvertitamente come risultato dell’intensa attività di altre cellule cerebrali nel sonno REM. Nel 2000, Pail J. Shaw e colleghi presso il Neurosciences Institute di La Jolla, in California, hanno scoperto che nei moscerini della frutta esiste un legame tra i livelli di monoammine e i periodi durante i quali gli insetti sono relativamente inattivi. Essi hanno osservato che interrompendo i periodi di inattività dei moscerini si provocava l’incremento dei livelli di monoammine, proprio come nell’uomo. La scoperta suggerisce che il ripristino della funzione del neurotrasmettitore, un attributo di quello che chiamiamo “sonno”, abbia fatto la sua comparsa ben prima che i mammiferi apparissero sulla Terra.

Altre possibilità

Che cos’altro potrebbe fare il sonno REM? Ricercatori come Frederick Snyder e Thomas Wehr dei National Institutes of Health e Robert Vertes della Florida Atlantic University hanno ipotizzato che, durante il sonno REM, l’elevata attività delle cellule nervose che non sono coinvolte nella produzione di monoammine consenta ai mammiferi di essere più preparati dei rettili ad affrontare le insidie dell’ambiente. Quando si trovano in un ambiente freddo, anche da svegli i rettili sono lenti e hanno bisogno di una fonte di calore esterna per diventare reattivi al punto giusto. Invece, anche se durante il sonno REM non sono ben termoregolati, i mammiferi continuano ad avere un’intensa attività dei neuroni che può innalzare il tasso metabolico del cervello, aiutandoli a tenere sotto controllo una determinata situazione in modo da reagire più rapidamente al risveglio. L’osservazione secondo cui gli esseri umani sono molto più vigili quando vengono svegliati da un sonno REM di quanto non lo siano al risveglio da un sonno non-REM fornisce una conferma a questa ipotesi. Gli studi sulla deprivazione del sonno indicano, comunque, che il sonno REM deve fare qualcosa di più che non predisporre il cervello per il risveglio. Questi studi dimostrano che gli animali privati del sonno REM si rifanno ampiamente del “debito” quando ne hanno l’opportunità, a dimostrazione dell’importanza di questa fase del sonno. Naturalmente, se il risveglio del cervello fosse la la sola funzione del sonno REM, anche lo stato di veglia dovrebbe adempiere a questo stesso compito, dal momento che il cervello allo stato di veglia è ben attivo e riscaldato. Forse il debito di sonno REM è connesso con la necessità di mettere a riposo i sistemi delle monoammine o altri sistemi che durante il sonno REM vengono disattivati. Le vecchie idee secondo le quali la deprivazione di sonno REM condurrebbe alla malattia mentale si sono dimostrate completamente false (anche se non si può negare che deprivare qualcuno del sonno, per esempio pungolandolo per svegliarlo di continuo, può causare una notevole irritazione). In realtà, la deprivazione di sonno REM può alleviare la depressione clinica. Il meccanismo di questo fenomeno è ancora oscuro, ma si è ipotizzato che la deprivazione imiti gli effetti degli antidepressivi: dal momento che durante il sonno REM non si verifica il normale decremento delle monoammine, la concentrazione sinaptica dei neurotrasmettitori, che nei soggetti depressi è inferiore alla norma, aumenta.

Alcuni ricercatori stanno inseguendo l’idea che il sonno REM possa avere un ruolo nel consolidamento della memoria, ma le prove a sostegno sono deboli e contraddittorie. A deporre contro il consolidamento della memoria ci sono invece diverse certezze. Per esempio, le persone che presentano danni cerebrali tali da impedire il sonno REM, o che hanno subito un blocco del sonno REM indotto da farmaci, hanno una memoria normale o perfino migliorata. E per questo la deprivazione di sonno REM dopo un periodo di apprendimento da svegli non sembra interferire con la memorizzazione delle nuove informazioni. Inoltre, il sonno dei delfini è privo o quasi della fase REM, e tuttavia questi animali dispongono di notevoli capacità di ragionamento e apprendimento.

Di fatto, la capacità di apprendimento da specie a specie non sembra essere correlata alla durata totale del sonno REM. Gli esseri umani non hanno tempi di sonno REM particolarmente lunghi – da 90 a 120 minuti per notte – se confrontati con quelli degli altri mammiferi. (E se gli esseri umani con buone prestazioni scolastiche o con elevato quoziente intellettivo non mostrano di avere fasi REM del sonno in misura maggiore o minore di coloro che ottengono i punteggi più bassi.) Comunque, la quantità di tempo trascorso nel sonno REM cambia nel corso della vita di un individuo. In tutti gli animali sinora studiati, la quota di tempo dedicata al sonno REM è massima nelle prime fasi di vita del soggetto e scende gradualmente a un livello inferiore e costante nell’età adulta. Un ulteriore, affascinante fatto emerge dal confronto tra numerose specie: il migliore fattore di previsione della quantità di sonno REM per un adulto di una determinata specie è il grado di immaturità della prole di quella specie al momento della nascita. Nel 1999 Jack Pettigrew e Paul Manger dell’Università del Queensland, in Australia, e io abbiamo studiato un soggetto di ricerca alquanto insolito: l’ornitorinco. Questo mammifero, tra i più arcaici dal punto di vista evolutivo, ci ha sorpreso rilevandosi il campione dei dormitori REM: circa otto ore al giorno. L’ornitorinco nasce completamente indifeso e cieco, non può termoregolarsi o procacciarsi il cibo autonomamente, e rimane attaccato alla madre per settimane dopo la nascita. All’altro estremo, il delfino neonato può e deve termoregolarsi, nuotare, seguire la madre ed evitare i predatori. E i delfini adulti, come accennato in precedenza, non hanno quasi per nulla il sonno REM.

Michel Jouvet, il pioniere della ricerca sul sonno che quaranta anni fa scoprì che il midollo allungato genera il sonno REM, ha proposto un’ipotesi stimolante per spiegare le grandi quantità di sonno REM negli animali che nascono immaturi. L’intensa attività neuronale e il grande dispendio di energia caratteristici del sonno REM, ritiene Jouvet, hanno un ruolo nelle prime fasi di vita per stabilire le connessioni neuronali geneticamente programmate che rendono possibile il cosiddetto comportamento istintivo. Prima della nascita, o negli animali che presentano uno sviluppo sensoriale ritardato, il sonno REM può fungere da sostituto della stimolazione esterna che sollecita lo sviluppo neuronale negli animali già maturi alla nascita. Gli esperimenti di Howard Roffwarg, direttore dello Sleep Disorders Center del Medical Center dell’Università del Mississippi, dei suoi collaboratori, forniscono sostegno a questa ipotesi. Roffwarg ha scoperto che l’impedimento del sonno REM nei gatti durante queste prime fasi di sviluppo può causare anomalie nello sviluppo del sistema visivo. Gli animali che iniziano ad avere lunghe fasi di sonno REM fin dai primi tempi successivi alla nascita continuano a sperimentarne quantità relativamente consistenti in età matura. Ma in che modo l’immaturità alla nascita può influenzare la durata del sonno REM nelle fasi successive della vita? In semplici termini evolutivi, gli animali che hanno brevi fasi di sonno REM dovrebbero aver bisogno di meno energia fornita dal cibo, e dovrebbero generare più discendenti degli animali che sperimentano lunghi periodi di alto consumo energetico. Da questo punto di vista, è plausibile che gli animali ancora caratterizzati da lunghe fasi di sonno REM debbano avere evoluto una funzione che non si riscontra in animali precoci. Ma quella funzione è ancora da identificare. I ricercatori che si occupano del sonno confidano che i progressi nell’identificazione delle regioni cerebrali che controllano il sonno REM e non-REM possano presto condurre a una comprensione più ampia e soddisfacente del sonno e delle sue funzioni. Nell’approfondire ulteriormente lo studio dei meccanismi e dell’evoluzione del sonno, acquisiremo presumibilmente nozioni più precise su ciò che durante il sonno viene riparato o messo a riposo, e sul perché questi processi vengano realizzati nel modo migliore proprio durante il sonno.

AUTORE:

Jerome M. SIEGEL è professore di psichiatria e membro del Brain Research Institute presso il Medical Center dell’Università della California a Los Angeles. E’ anche a capo della ricerca neurobiologica presso Sepulveda Veterans Affairs Medical Center.

BIBLIOGRAFIA:

CARSKADON M. A. (a cura), Enciclopedia of Sleep and Dreaming, Macmillan, 1993.

SIEGEL J.M., Narcolessia, in “Le Scienze”, n. 380, aprile 2000.

KRYGER M.H.ROTH e DEMENT W.C.(a cura), Principles and Practice of Sleep Medicine, W.B. Saunders, 2000.

RECHTSCHAFFEN A. e SIEGEL J.M., Sleep and Dreaming, in Principles of Neural Science a cura di E.R. Kandel- Mc Graw-Hill, 2000

SIEGEL J.M., The REM Sleep-Memory Consolidation Hypothesis, in “Science”, n.294 ,2001

Dal sonno ai sogni, sezione speciale, in “Mente e Cervello” n.4 luglio-agosto 2003

Per altre informazioni si veda il sito del Center of Sleep Research della UCLA:

www.npi.ucla.edu/sleepresearch

Tratto dall’articolo di Jerome M. Siegel “Perché dormiamo” - “Le Scienze” n°424 Dicembre 2003

Fonte: http://www.paolo-landi.it/Documenti/Perche_dormiamo.doc

Sito web da visitare: http://www.paolo-landi.it

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