Ricerche

In un nuovo studio eseguito alla University of California di San Francisco, pubblicato online il 3 ottobre sulla rivista Cell, un gruppo di ricerca guidato da Karunesh Ganguly MD/PhD, professore associato di neurologia, ha usato una tecnica chiamata optogenetica per smorzare tipi specifici di attività cerebrale in ratti dormienti.

Questo ha permesso ai ricercatori di determinare che 2 tipi distinti di onde lente del cervello, viste durante il sonno e chiamate oscillazioni lente e onde delta, rafforzano o indeboliscono rispettivamente lo sparo di specifiche cellule cerebrali interessate da una nuova competenza appena acquisita (in questo caso come far funzionare un getto d'acqua che i ratti potevano controllare con il cervello tramite un impianto neurale).

Ganguly ha detto:

“Siamo stati sorpresi di scoprire che potremmo migliorare o peggiorare l'apprendimento smorzando questi tipi distinti di onde cerebrali durante il sonno. In particolare, le onde delta costituiscono una grande parte del sonno, ma sono poco studiate, e nessuno aveva attribuito loro un ruolo. Crediamo che questi due tipi di onde lente competano durante il sonno per determinare se le nuove informazioni devono essere consolidate e conservate, o dimenticate”.

“Collegare un tipo di onde cerebrali alla dimenticanza è un concetto nuovo. Altri studi sono stati fatti sul rafforzamento dei ricordi, meno sul dimenticarli, e i due processi tendono ad essere studiati in modo isolato l'uno dall'altro. Quello che indicano i nostri dati è che c'è una costante concorrenza tra i due, e l'equilibrio tra loro determina ciò che ricordiamo“.

Alcuni dormono per ricordare, altri per dimenticare

Negli ultimi due decenni la secolare intuizione umana che il sonno ha un ruolo nella formazione dei ricordi è stata sempre supportata dagli studi scientifici. Quelli sugli animali dimostrano che gli stessi neuroni coinvolti nella formazione iniziale della memoria di una nuova attività o esperienza sono riattivati ​​durante il sonno per consolidare queste tracce di memoria nel cervello.

Molti scienziati ritengono che anche dimenticare sia una importante funzione del sonno, forse un modo per  sgombrare la mente, eliminando le informazioni senza importanza.

Le oscillazioni lente e le onde delta sono le caratteristiche del cosiddetto sonno non-REM, che - negli esseri umani, almeno - costituisce almeno la metà di una notte di sonno. Ci sono prove che questi stadi di sonno non-REM hanno un ruolo nel consolidamento di vari tipi di memoria, compreso l'apprendimento di abilità motorie. Negli esseri umani, i ricercatori hanno trovato che il tempo trascorso nelle prime fasi del sonno non-REM è associato al migliore apprendimento di un semplice riff (breve motivo ripetuto) di pianoforte, per esempio.

Il gruppo di Ganguly ha cominciato a studiare il ruolo del sonno nell'apprendimento nell'ambito dei suoi sforzi continui per sviluppare impianti neurali che permettano alle persone con paralisi di controllare in modo più affidabile gli arti robotici con il loro cervello. Nei primi esperimenti in animali da laboratorio, aveva notato che i miglioramenti più grandi nella capacità degli animali di guidare queste interfacce cervello-computer c'erano stati  quando dormivano tra le sessioni di allenamento.

“Ci siamo resi conto che avevamo bisogno di capire come avvengono l'apprendere e il dimenticare durante il sonno per capire come integrare veramente i sistemi artificiali nel cervello”, ha detto Ganguly.

Le onde cerebrali competono per determinare l'apprendimento nel sonno

Nel nuovo studio, nel cervello di una dozzina di ratti sono stati impiantati elettrodi che monitorano gli spari (la segnalazione) tra un piccolo gruppo di neuroni selezionati nella corteccia motoria del loro cervello, neuroni coinvolti nel concepire ed eseguire movimenti volontari.

Un particolare modello di scarica neurale permetteva ai ratti di controllare un tubo di erogazione di acqua nelle loro gabbie. In sostanza, i ratti stavano eseguendo una sorta di biofeedback (reazione biologica): ogni ratto ha imparato a far sparare insieme un piccolo gruppo di neuroni, in un nuovo modello unico, per spostare il rubinetto e prendere l'acqua.

Il gruppo di Ganguly ha osservato che lo stesso schema di accensione unico e nuovo si riproduceva nel cervello degli animali mentre dormivano. La forza di questa riattivazione durante il sonno determinava il modo in cui i topi erano in grado di controllare l'erogatore d'acqua il giorno successivo. Ma i ricercatori hanno voluto andare oltre, per capire come il cervello controlla se i ratti imparano o dimenticano nel sonno.

Per manipolare l'effetto delle onde cerebrali durante il sonno non-REM, i ricercatori hanno modificato geneticamente i neuroni di ratto perché esprimessero un interruttore di controllo optogenetico sensibile alla luce, permettendo al team di usare il laser e fibre ottiche per smorzare istantaneamente l'attività cerebrale associata alla trasmissione di onde specifiche del cervello. Con la temporizzazione precisa al millisecondo del laser, in esperimenti separati gli scienziati hanno specificamente smorzato le oscillazioni lente oppure le onde delta in una zona molto piccola del cervello intorno al nuovo circuito di memoria.

Il disturbo delle onde delta ha rafforzato la riattivazione dell'attività neurale associata al compito durante il sonno e si è associato a una migliore prestazione al risveglio. Al contrario, l'interruzione delle oscillazioni lente ha provocato un calo delle prestazioni al risveglio. “Le oscillazioni lente sembrano proteggere i nuovi modelli di sparo neurale dopo aver appreso, mentre le onde delta tendono a cancellarli e promuovere l'oblio”, ha detto Ganguly.

Ulteriori analisi hanno dimostrato che, al fine di proteggere l'apprendimento, le oscillazioni lente dovevano verificarsi allo stesso tempo del terzo fenomeno delle onde cerebrali ben studiato, chiamato 'fusi del sonno' (o picchi). Un picco del sonno è una raffica di attività ad alta frequenza e di breve durata, che ha origine in una regione chiamata talamo e poi si propaga ad altre parti del cervello. Essi sono stati collegati al consolidamento della memoria, e la mancanza di normali fusi del sonno è associata a malattie del cervello, come la schizofrenia e il ritardo dello sviluppo, e anche all'invecchiamento.

“Il nostro lavoro dimostra che c'è una forte spinta a dimenticare durante il sonno”, ha detto Ganguly. “Abbinamenti molto brevi di fusi del sonno e oscillazioni lente possono superare l'oblio guidato dalle onde delta e conservano l'apprendimento, ma l'equilibrio è molto delicato. Anche le piccole perturbazioni in questi eventi portano a dimenticare”.

Non è ancora noto cosa determina il bilanciamento fra la dimenticanza guidata dalle onde delta e l'apprendimento guidato dall'oscillazione lenta, ma è chiaro che una migliore comprensione del processo potrebbe avere un impatto profondo sullo studio dell'apprendimento e della memoria umani, ha detto Ganguly.

“Il sonno guida realmente profondi cambiamenti nel cervello. La comprensione di questi cambiamenti sarà fondamentale per integrare nel cervello interfacce artificiali e un giorno potrebbe permettere di modificare i circuiti neurali per aiutare a riabilitare i movimenti, come ad esempio dopo un ictus, dove studi precedenti hanno dimostrato che il sonno ha un ruolo importante nel recupero riuscito“.