Psicologia fisiologica (7/13): I ritmi del cervello

L'elettroencefalogramma (EEG)

E' una misura che permette di avere un'idea dell'attività generalizzata della corteccia cerebrale, fù inventato da Caton nel 1875 per gli animali e per gli uomini da Berger nel 1929.
L'EEG è un metodo non invasivo ed indolore che viene usato per determinare condizioni neurologiche, individuare crisi epilettiche e per studiare il sonno.
Il funzionamento dell'EEG è semplice: si mettono degli elettrodi sul cuoio capelluto e si misurano a coppie le fluttuazioni di voltaggio, riportandole su carta come onde di varia ampiezza a seconda dei casi.
L'EEG necessita del segnale di almeno un migliaio di neuroni perchè essi producano una scarica abbastanza alta da poter esser percepita, e l'ampiezza del segnale dipende da quanto è sincronizzata l'attività dei neuroni implicati, perchè quando un gruppo di cellule è eccitato simultaneamente, i minuscoli segnali si sommano formando onde ampie e ritmiche.

I ritmi EEG variano molto e sono spesso correlati a particolari stati di comportamento o di patologia.
I ritmi sono categorizzati in base all'intervallo di frequenza in cui ricadono: esistono i ritmi beta, sono quelli più veloci (frequenza >14Hz) e indicano che la corteccia è attivata, i ritmi alfa sono associati a stati di veglia rilassata (circa 8-13Hz), i ritmi teta (4-7Hz) sono quelli della prima fase del sonno, i ritmi delta sono piuttosto lenti (<4Hz), di grande ampiezza e caratterizzano il sonno profondo.
L'EEG può aiutare a capire se una persona sta pensando, ma non a capire cosa sta pensando, i ritmi ad alta frequenza e bassa ampiezza sono associati a stati di vigilanza e veglia, o agli stati di sonno dove si sogna, quelli a bassa frequenza e alta ampiezza sono associati al sonno normale o al coma.

I ritmi sincronizzati possono essere prodotti dai neuroni tramite un unico orologio centrale (stimolatore), oppure essi possono eccitarsi ed inibirsi reciprocamente in maniera sincronizzata nel tempo, infatti, molti circuiti di neuroni possono generare attività ritmica.
Il talamo può agire da sincronizzatore, grazie ai suoi canali ionici sincronizzati, un gruppo di pochi suoi neuroni può sincronizzare un elevato numero di neuroni corticali.
Il talamo permette alle informazioni sensoriali di raggiungere la corteccia quando siamo svegli, ma le blocca quando dormiamo, inoltre Freeman ha ipotizzato che non ci sia un blocco generale durante il sonno, ma ci siano i ritmi perchè servono per coordinare le attività di diverse aree del sistema nervoso.
Anche quando siamo svegli le scariche oscillano in maniera sincronizzata, dai 30-80Hz.

Le crisi epilettiche causano convulsioni dovute da una estrema attività cerebrale sincronizzata che genera scariche molto ampie, c'è la crisi generalizzata, che coinvolge l'intera corteccia di entrambi gli emisferi, e la crisi parziale, che coinvolge solo un'area circoscritta.
Le cause dell'epilessia possono essere: traumi, disfunzioni metaboliche, infezioni, disturbi vascolari, tumori, anche se in molti casi la causa dell'epilessia non è conosciuta perchè è improbabile che un solo meccanismo spieghi tutti gli attacchi.
L'epilessia si ha spesso per predisposizione genetica, con geni difettosi che non fanno agire bene i canali ionici ed i recettori, e può anche essere generata da farmaci convulsivi che bloccano gli inibitori GABA, e bloccata da farmaci anticonvlusivi che contrastano l'eccitabilità.
Una forte crisi epilettica può far perdere coscienza, mentre crisi piccole è normale che accadano da adolescenti (crisi di assenza), con leggeri tremolii delle palpebre o contrazione involontaria della bocca.
Le crisi parziali possono attivare la corteccia motrice oppure ricadere in aree sensoriali, facendo provare sensazioni non vere, come odori finti, allucinazioni, ecc..., se capitano nel lobo temporale, possono danneggiare la memoria, il pensiero e la coscienza, inoltre da una crisi parziale si può finire ad una crisi generalizzata, se questa si estende in modo incontrollabile.

Il sonno

Il sonno è uno stato prontamente reversibile di ridotta reattività e ridotta interazione con l'ambiente.
Non abbiamo il completo controllo del sonno, possiamo rimandarlo, ma prima o poi ci coglie, tantè che passiamo un terzo della nostra vita a dormire.
Il sonno è essenziale per la vita, ed una prolungata deprivazione è devastante per l'organismo, il sonno inoltre, permette di vincere la sonnolenza.
La distinzione principale è fatta sul sonno e la veglia, il sonno può essere ulteriormente diviso in più fasi, ciascuna caratterizzata da più stadi.
Il sonno REM (sonno con movimenti rapidi degli occhi, rapid eye movement) è caratterizzato da un EEG più attivo di quando si è svegli (onde piccole e scoordinate), il corpo è immobilizzato (a parte gli occhi) e si hanno i sogni.
Il resto del sonno si passa in una fase detta sonno non-REM, dove di solito sono assenti i sogni e si hanno onde lente ed ampie.
Nel sogno non-REM pare ci si riposi profondamente, la tensione muscolare è ridotta, il corpo è in grado di muoversi durante questo sonno ma raramente lo fa, c'è una diminuzione di temperatura e di consumo di energia, e la frequenza cardiaca, la respirazione ed il funzionamento dei reni rallentano, inoltre vengono incrementati i sistemi digestivi.
Nel sonno REM si hanno i sogni e quando un paziente viene svegliato da questa fase, ricorda quasi sempre ciò che stava sognando, inoltre il consumo di ossigeno in questa fase è più alto che da svegli e in piena concentrazione, si ha una perdita quasi totale del tono muscolare (atonia), i sistemi di controllo fisiologico sono dominati dall'attività simpatica, la temperatura diminuisce, la frequenza cardiaca e respiratoria diventano irregolari, il pene può essere eretto, in questa fase insomma, il cervello sembra fare tutto tranne riposare.

Il 75% del tempo totale del sonno si passa nella fase non-REM, il restante 25% nella fase REM, con cicli continui che durano tutta la notte, la cui ripetizione si ha ogni 90 minuti circa (ritmi ultradiani).
Il sonno non-REM è caratterizzato da 4 stadi:

Lo stadio 1: è il sonno di transizione, uno stadio di veglia rilassata dove l'EEG ha ritmi teta, che sono meno intensi della veglia, è uno stadio rapido che dura pochi minuti e si ha un sonno molto leggero.
Lo stadio 2: è un po' più profondo e dura dai 5 ai 15 minuti, ha oscillazioni occasionali prodotte dal sincronizzatore talamico di 8-14Hz dette fusi del sonno, i movimenti oculari cessano quasi completamente e si hanno onde più ampie dette complesso K.
Lo stadio 3: si hanno i ritmi delta, onde lente e ampie, non si muovono nè il corpo nè gli occhi.
Lo stadio 4: è il sonno profondo, caratterizzato da onde lente ed ampie (ritmi delta) di 2Hz o meno, e durante i primi cicli questo stadio dura circa 20-40 minuti.

Dopo lo stadio 4, il sonno inizia a diventare più leggero e finisce nella fase 2, per 10-15 minuti, per poi finire improvvisamente nella fase REM, per poco tempo, prima di ricominciare il ciclo.
Con l'avanzare dei cicli, si riduce la fase non-REM (in particolari gli stadi 3 e 4) e aumenta la fase REM, tanto che la metà del sonno REM avviene nell'ultimo terzo della notte (e possono durare anche 30-50 minuti), si ha inoltre un periodo refrattario obbligatorio di circa 30 minuti di sonno non-REM dopo ogni fase REM.
La veglia ha le onde alfa, mentre il sogno REM ha le onde beta.
Esistono anche casi in cui nelle fasi non-REM (di solito nel primo stadio 4), di sonnambulismo, dove il soggetto cammina e si muove nel sonno.
I sonnambuli son difficili da svegliare perchè si trovano nello stadio più profondo del sonno e la cosa migliore da fare è cercare di accompagnarli verso il letto, e dopo questo evento, se svegliati, non ricorderanno nulla.
L'attività del parlare nel sonno è detta somniloquio, anche se di solito si tratta di discorsi confusi e senza senso, mentre i bambini dai 5-7 anni possono avere il fenomeno dei terrori notturni (negli stati 3 e 4 non-REM), dove essi strillano e si agitano e quando si svegliano non ricordano nulla.

Il tempo necessario da dare al sonno varia da persona a persona, e mediamente per gli uomini è di circa 8 ore a notte (anche se può variare dalle 5 alle 10 ore).
Non è stato dimostrato che negli uomini il non dormire possa essere letale (in alcuni animali lo è), ma è sicuro che la deprivazione del sonno può essere pericolosa perchè mira i riflessi e l'attenzione.
Il record di non sonno è stato fatto da un ragazzino di 17 anni, che è stato sveglio per 11 giorni consecutivi (264 ore): dopo 2 giorni il giovane diventò irritabile, il quarto giorno soffrì di ossessioni e di stanchezza, il settimo ebbe tremori, i suoi discorsi erano confusi ed il suo EEG non aveva i ritmi alfa, durante la sua ultima notte vinse anche ad un videogioco.
Dopo l'esperimento il ragazzo dormì per 15 ore consecutive, poi stette sveglio per 23 ore, e nel giro di una settimana il suo ciclo del sonno si ristabilì.
Il giovane non ebbe danni permanenti, ma questi risultati suggeriscono che il sonno fornisce qualcosa di fisiologicamente essenziale.

Non si sa ancora perchè dormiamo, però ci sono diverse teorie a riguardo, e la durata del sonno e la modalità varia da specie a specie (ad esempio i delfini tursiopi dormono con un solo emisfero cerebebrale alla volta), e in linea di massima sembra che il sonno serva solo al cervello.
Esiste la teoria del ristoro, che afferma che dormiamo per riposare e ristabilirci e per prepararci ad essere ancora svegli, e la teoria dell'adattamento, che afferma che dormiamo per tenerci lontani dai problemi, per nasconderci dai predatori, o per conservare energia.
Il sonno è qualcosa di più del riposo, e la sua deprivazione può portare a problemi fisici e comportamentali, ed è probabile che la corteccia riesca a riposarsi in qualche modo nella fase non-REM.

Il corpo umano sembra avere bisogno del sogno REM, dopo una deprivazione, c'è cmq un recupero in termini di tempo del sonno REM perso.
Hobson e McCarley hanno proposto l'ipotesi della attivazione-sintesi, dove i sogni (contrariamente alle idee di Freud) sono visti come le associazioni ed i ricordi della corteccia che vengono suscitati dalle scariche casuali del ponte durante il sonno REM.
Questa attività casuale del ponte spiegherebbe il perchè dell'assurdità di alcuni sogni, ma non il fatto che alcuni sogni sono precisi e dettagliati.
Il sonno REM sembra inoltre legato alla memoria, alcuni studiosi hanno dimostrato che c'è un allungamento del sonno REM in seguito ad una attività intensa di apprendimento, è che dopo una buona notte di sonno, dopo una fase REM, le prestazioni di memorizzazione migliorano (si apprende molto se si studia prima di addormentarsi, mentre non è vero che si apprende dormendo).

Il sonno è un processo attivo che richiede la partecipazione di molte aree cerebrali, in particolare:

I neuroni più importanti per il controllo del sonno e della veglia fanno parte dei sistemi di neurotrasmettitori modulatori diffusi.
I neuroni modulatori del tronco encefalico serotoninergici e noradrenalinici, scaricano durante la veglia ed incrementano il suo stato, altri di tipo ACh incrementano la fase REM.
I sistemi modulatori diffusi controllano i comportamenti ritmici del talamo, i quali controllano molti ritmi EEG della corteccia, ed i ritmi lenti del talamo legati al sonno sembrano bloccare le informazioni verso la corteccia.
Il sonno controlla anche attività dei sistemi modulatori discendenti, come l'inibizione dei motoneuroni.

I meccanismi del sonno nel cervello vengono localizzati grazie alle lesioni, esperimenti di stimolazione e registrazioni di attività neurale.
Lesioni al tronco encefalico possono causare sonno e coma, quindi si deduce che i suoi neuroni siano indispensabili per tenerci svegli, e la stimolazione elettrica del tegmento causa una maggiore vigilanza (sistema reticolare ascendente attivatore).
L'addormentamento si ha con una diminuzione della frequenza di scarica della maggior parte dei neuroni modulatori del tronco, mentre alcuni neuroni del proencefalo basale aumentano la scarica, e la diminuiscono invece durante la veglia, inoltre col procedere del sonno REM, i fusi del sonno scompaiono e vengon sostituiti da onde delta.
Durante il sonno REM invece, sono attive molte aree, la corteccia è in funzione, ma non è necessaria per produrre questo sonno, inoltre la corteccia visiva primaria non è particolarmente attiva, come invece lo è quella extrastriata.
Il controllo del sonno REM dipende dai sistemi modulatori diffusi del tronco encefalico, in particolar modo del ponte, c'è un aumento di scarica degli ACh, e probabilmente sono questi neuroni ad indurre al sonno REM.
Il sistema tronco-encefalico che controlla il sonno, inibisce i motoneuroni spinali, impedendo il movimento, per evitare di farci male durante il sonno.
Alcuni studi han dimostrato che il dipeptide muramile facilita il sonno, come anche l'interleuchina-1, che stimola anche il sistema immunitario, e la adenosina.
L'adenosina in particolare aumenta quando diminuisce il glicogeno (necessario per l'energia del cervello), e ciò fa pensare che si debba dormire per recuperare le energie.
Inoltre è stato scoperto che il sonno, la veglia e la deprivazione del sonno sono associati a differenze nell'espressione dei geni, ci sono i geni della fase precoce immediata, che codificano la trascrizione di fattori che influenzano l'espressione di altri geni e sono poco attivi durante il sonno perchè non c'è apprendimento e memoria, ed i geni dei motocondri, che quando sono attivi possono servire a soddisfare le richieste metaboliche del cervello.

La narcolessia è un disturbo permanente ed invalidante del sonno e della veglia.
La narcolessia ha diverse manifestazioni: eccessiva sonnolenza durante il giorno (attacchi di sonno), cataplessia, una repentina paralisi muscolare che dura meno di un minuto e fa restare coscienti, dovuta spesso a forti emozioni, la paralisi del sonno è una perdita del controllo muscolare che avviene durante la transizione tra il sonno e la veglia (causa l'incapacità di muoversi e parlare per diversi minuti), le allucinazioni ipnagogiche sono sogni vivaci spesso spaventosi che accompagnano l'inizio del sonno.
Un individuo narcolettico passa direttamente dalla veglia alla fase REM, ed è stato dimostrato che i fattori ambientali giocano un ruolo importante, insieme a quelli genetici, per questa malattia.
Non c'è ancora cura per la narcolessia, ed il trattamento consiste nel cercare di attenuare i sintomi tramite sonnellini frequenti o antidepressivi.

I ritmi circadiani

Sono cicli giornalieri di luce e buio che risultano dalla rotazione della terra, e verso i quali la maggior parte degli animali coordinano il loro comportamento.
L'organizzazione dei ritmi varia da specie a specie, e nell'uomo c'è una relazione inversa tra la propensione a dormire e la temperatura corporea.
Anche quando la luce viene soppressa nell'ambiente dell'animale, i ritmi circadiani non cambiano, perchè sono il risultato di fattori biologici del cervello, c'è un orologio interno che di tanto in tanto viene aggiustato per essere in sincronia con il mondo (grazie agli stimoli esterni come la luce ed il buio o i cambiamenti giornalieri di temperatura).
Gli indizi temporali dell'ambiente sono detti zeitgebers, grazie ad essi gli animali mantengono sincronizzato l'orologio biologico e mantengono un ciclo di attività di 24 ore, ed in assenza di zeitgebers l'uomo si autoregola (ritmi a corsa libera) con tempi variabili dalle 24,5 alle 25,5 ore.
E' stato però dimostrato che una lunga deprivazione degli zeitgebers può portare ad una desincronizzazione tra cicli di sonno e temperatura corporea, in una condizione nota come jet-lag, e questo fa pensare che esistano più orologi biologici, uno per il sonno ed uno per la temperatura.
Il principale zeitgeber è il ciclo luce-buio, ma ne esistono anche altri, come la disponibilità periodica di acqua e cibo, il contatto sociale, i cicli della temperatura ambientale, i cicli rumore-quiete, e quando si è nel feto della madre, addirittura i suoi livelli ormonali.

Un orologio biologico è composto da diverse componenti:
sensore alla luce -> orologio -> via afferente.
L'orologio continua a girare anche quando la via afferente è rimossa, ed essa serve come tramite tra l'ambiente ed il cervello.
Sono i nuclei soprachiasmatici (NSC), ad avere la funzione di orologio biologico nell'uomo, ed una loro lesione può rimuovere la ritmicità circadiana come una stimolazione può alterarla, ma non quella del sonno che cmq è regolata da altri meccanismi.
Il NSC riceve le afferenze retiniche riguardanti la luce dal tratto retinoipotalamico, afferenze necessarie e sufficienti per coordinare i cicli di sonno-veglia con la notte e il giorno, inoltre i neuroni del NSC possiedono campi recettivi molto ampi e non selettivi, e rispondono alla luminanza degli stimoli luminosi piuttosto che al loro orientamento o movimento.
Non sono i coni ed i bastoncelli ad essere le cellule retiniche che sincronizzano il NSC, probabilmente è la proteina criptocromo a farlo.
Il NSC usa il GABA come neurotrasmettitore, e lesioni alla via afferente del NSC sconvolgono i ritmi circadiani, inoltre i neuroni del NSC possono secernere il peptide neuromodulatore vasopressina.

Pare che ciascuna cellula del NSC sia un minuscolo orologio, dato che la loro frequenza di scarica di potenziali d'azione, di consumo di glucosio, di produzione di vasopressina e di sintesi proteica, continuano a variare con ritmi di circa 24 ore.
Le cellule del NSC comunicano i loro messaggi ritmici tramite i potenziali d'azione, anche se questi potenziali non sono necessari per mantenere il ritmo (i potenziali sono come le lancette di un orologio, che funziona anche senza, ma che non indica l'ora).
Sembra quindi che queste cellule funzionino grazie all'espressione di un gene orologio, che funziona producendo proteine e regolandosi con feedback negativi (come han dimostrato gli studi di Takahashi e quelli sul gene mutante tau).
In ciascuna cellula del NSC deve esserci qualche meccanismo che coordina migliaia di orologi cellulari, inoltre le cellule del NSC comunicano anche tra loro, regolandosi a vicenda.