Illustrazione: Jose-Luis Olivares/MITIl sonno è di solito considerato uno stato tutto-o-niente: il cervello o è del tutto sveglio o del tutto addormentato.

Però i neuroscienziati del MIT hanno scoperto un circuito cerebrale che può indurre piccole aree del cervello ad addormentarsi o a diventare meno vigili, mentre il resto del cervello rimane sveglio.

Questo circuito ha origine in una struttura del cervello chiamata «nucleo reticolare talamico» (TRN), che trasmette i segnali al talamo e poi alla corteccia cerebrale, inducendo sacche delle onde cerebrali lente e oscillanti caratteristiche del sonno profondo.

Le oscillazioni lente sono presenti anche durante il coma e l'anestesia generale, e sono associate ad una minore eccitazione. Con un'attività del TRN sufficiente, queste onde possono prendere il controllo dell'intero cervello.

I ricercatori ritengono che il TRN possa aiutare il cervello a consolidare nuovi ricordi, coordinando le onde lente tra le diverse parti del cervello, consentendo loro di condividere più facilmente le informazioni.

"Durante il sonno, delle specifiche regioni cerebrali forse hanno onde lente contemporaneamente, perché hanno bisogno di scambiare informazioni l'una con l'altra, mentre altre non lo fanno", dice Laura Lewis, affiliato di ricerca nel Dipartimento di Scienze Cognitive e Cerebrali del MIT e uno dei principali autori del nuovo studio, che è apparso ieri sulla rivista eLife.

Il TRN può essere responsabile anche di ciò che accade nel cervello quando le persone private del sonno sperimentano brevi sensazioni di 'straniamento' mentre cercano di rimanere svegli, dicono i ricercatori.

Un altro primo autore della ricerca è Jakob Voigts, studente laureato del MIT in scienze cognitive e cerebrali. Gli autori senior sono Emery Brown, professore di Ingegneria Medica e Neuroscienza Computazionale al MIT e anestesista del Massachusetts General Hospital, e Michael Halassa, assistente professore alla New York University. Altri autori sono l'affiliato di ricerca del MIT Francisco Flores e Matthew Wilson, professore di Neurobiologia e membro del Picower Institute del MIT.

Controllo locale

Fino ad ora, la maggior parte della ricerca sul sonno si è concentrata sul controllo globale del sonno, che avviene quando l'intero cervello è inondato di onde lente, che sono oscillazioni dell'attività cerebrale create quando gruppi di neuroni sono messi a tacere per brevi periodi.

Tuttavia, studi recenti hanno dimostrato che gli animali privati ​​del sonno possono esibire onde lente in alcune parti del cervello mentre sono ancora svegli, il che suggerisce che il cervello può anche controllare la vigilanza a livello locale.

Il team del MIT ha iniziato l'indagine sul controllo locale della vigilanza o della sonnolenza con il TRN perché la sua posizione fisica lo rende perfettamente posizionato per avere un ruolo nel sonno, dice Lewis. Il TRN circonda il talamo come un guscio e può agire da portinaio per far entrare le informazioni sensoriali nel talamo, che poi le invia alla corteccia per ulteriori elaborazioni.

Con la optogenetica, una tecnica che permette agli scienziati di stimolare o silenziare dei neuroni con la luce, i ricercatori hanno scoperto che se stimolano debolmente il TRN nei topi svegli, appaiono onde lente in una piccola parte della corteccia. Con più stimolazione, l'intera corteccia mostra onde lente. "Abbiamo anche scoperto che quando si inducono queste onde lente attraverso la corteccia, gli animali iniziano a comportarsi come se avessero sonno. Smettono di muoversi e il loro tono muscolare cade", dice Lewis.

I ricercatori ritengono che il TRN regoli finemente il controllo del cervello su aree locali, aumentando o riducendo le onde lente in alcune regioni in modo che quelle aree possano comunicare tra loro, o indurre alcune aree a diventare meno vigili quando il cervello è molto assonnato. Questo può spiegare ciò che accade negli esseri umani quando sono privati ​​del sonno e si estraniano momentaneamente senza addormentarsi realmente. "Sono incline a pensare che ciò accade perché il cervello comincia la transizione verso il sonno, e alcune regioni locali del cervello diventano sonnolenti anche se ti costringi a rimanere sveglio", dice Lewis.

"La forza di questo lavoro è che è il primo ad usare l'optogenetica per analizzare il ruolo di una parte del circuito talamo-corticale nel generare onde lente nella corteccia", afferma Mark Opp, professore di anestesiologia e medicina del dolore all'Università di Washington, che non faceva parte del gruppo di ricerca.

Sonno naturale e anestesia generale

Capire come il cervello controlla l'eccitazione potrebbe aiutare i ricercatori a progettare nuovi farmaci per il sonno e l'anestesia e creare uno stato più simile al sonno naturale. Stimolare il TRN può indurre stati profondi di sonno non di tipo REM, e precedenti ricerche di Brown e colleghi hanno scoperto un circuito che accende il sonno REM.

Brown aggiunge: "Il TRN è ricco di sinapsi (le connessioni del cervello) che rilasciano il neurotrasmettitore inibitore GABA. Pertanto, il TRN è quasi certamente un sito di azione di molti farmaci anestetici, dato che una grande classe di essi agisce su queste sinapsi e produce onde lente come una delle sue caratteristiche".

Il precedente lavoro di Lewis e colleghi aveva dimostrato che, a differenza delle onde lente del sonno, le onde lente nell'anestesia generale non sono coordinate, suggerendo un meccanismo del motivo per cui questi farmaci compromettono lo scambio di informazioni nel cervello e producono incoscienza.