SONNO E VEGLIA. Fisiologia Umana AA 2013/2014 MED1-2 Prof. Aram Megighian

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1 SONNO E VEGLIA Fisiologia Umana AA 2013/2014 MED1-2 Prof. Aram Megighian

2 COSCIENZA Consapevolezza del mondo esterno ed interno espressa verbalmente o per mezzo di comportamenti non-verbali che prescindono da semplici schemi stimolorisposta

3 VIGILANZA Capacità di reagire in maniera integrata agli stimoli ambientali un individuo addormentato NON è vigile, ma è cosciente del contenuto del sogno.

4 ATTENZIONE attenzione intensiva: funzione che modula la vigilanza aumentando o riducendo la risposta a tutti gli stimoli presenti attenzione specifica: funzione che aumenta l attenzione verso una specifica sorgente di stimoli

5 Coscienza, vigilanza ed attenzione dipendono da: elaborazione delle informazioni: sistemi specifici attivazione: sistemi di proiezione diffusa ubicati nel tronco dell encefalo e nell ipotalamo che determinano attivamente l alternanza di stati differenziati di coscienza e vigilanza e il ciclo sonno-veglia

6 Sonno e mitologia Sonno e morte υπνοσ και θαϖατοσ Sonno e e sogni

7 Un po di storia Hans Berger - EEG Moruzzi e Magoun - Sostanza reticolare attivante Kleitman - fase REM del sonno Steriade - registrazione intracellulare

8 Sonno e vertebrati

9 Sonno e invertebrati deprivation Per0 deprivation deprivation

10 Definizione comportamentale del sonno The universal way to define sleep is by behavioral criteria. These include prolonged periods of quiescence; a reduced responsiveness to external stimuli; rapid reversibility, which distinguishes sleep, for example, from hibernation or coma; and homeostatic regulation the increased need for sleep that follows sleep deprivation. Another characteristic of sleep is its independent regulation that is not merely tied to the circadian clock. This refers to the fact that sleep is clearly a circadian rhythm, but has more complex regulation. Recently, an additional characteristic has been provided as a result of the systematic screening of gene expression, where it has been shown that the expression of certain genes is higher in waking than in sleep in many brain regions.! Ralph J. Greenspan et al, Trend in Neurosci., 24, 142, 2001

11 criteri per la definizione del sonno/veglia periodi prolungati di riposo ridotta risposta agli stimoli esterni rapida REVERSIBILITA (vs. COMA) regolazione omeostatica (risposta da deprivazione) Tracciato elettroencefalografico (ATTIVITA SINCRONIZZATA)

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14 EEG

15 Origine dei segnali elettroencefalografici + + minimo R a R m R ex I EPSP I II, III R m + IV V sorgente VI A assone proveniente dal talamo B assone proveniente dalla corteccia controlaterale 2009 POLETTO EDITORE srl Fisiologia e biofisica medica quarta edizione Figura 31.3 Neuroni piramidali della corteccia e genesi delle onde EEG. A) Un potenziale postsinaptico eccitatorio (depolarizzante) indotto da un afferenza sinaptica nel terminale del dendrite apicale genera una corrente lungo il neurone piramidale. La sorgente di questa corrente è a livello del soma e il recettacolo della corrente è a livello del terminale. B) Dipoli generati in neuroni piramidali da potenziali postsinaptici eccitatori indotti da afferenze assosomatiche (a sinistra) o assodendritiche dirette al terminale del dendrite apicale. Nel primo caso sulla superficie corrispondente del cuoio capelluto si registra una positività rispetto a un punto lontano, nel secondo una negatività. Onde di polarità opposta sono generate da afferenze sinaptiche inibitorie.

16 Fasi del sonno ed EEG

17 EEG e fasi del sonno e ritmo alfa RITMO ALFA

18 EEG e fasi del sonno stage 3 - < 50% delta rithm stage 4 - > 50% delta rithm synchronization Alpha Alpha desynchronization o reazione d arresto

19 RIASSUMENDO Durante la veglia l attività EEGrafica è DESINCRONIZZATA Durante il sonno l attività EEGrafica diviene SINCRONIZZATA La sincronizzazione determina ONDE DI UNA DETERMINATA FREQUENZA ED AMPIEZZA

20 stadio 1: onde theta, ridotta risposta agli stimoli sensoriali; se risvegliato dichiara di non essersi addormentato; improvvise contrazioni muscolari; in individui deprivati dal sonno compaiono brevi fasi di stadio 1 (microsonni) stadio 2: complessi k e fusi del sonno; se risvegliati dichiarano di aver dormito stadio 3 e 4: ritmo delta fase REM: attività desincronizzata + movimenti oculari rapidi + aumento della frequenza cardiaca e respiratoria e della pressione. Riduzione del tono muscolare

21 Klimesch VL: Bio II, WS 03, Page 16 Alpha, 10 Hz REM REM 50 µv 1 Sec. Slow Alpha, 8 Hz fusi EEG samples from two subjects, B.D. and H.J. The classification of EEGpatterns is illustrated. Note spindles in stage 2 and slow Alpha at the occipital lead (O) during stage 1. F = Frontal, P = Parietal leads. From the classical work of Dement & Kleitman (1957)

22 There are two different patterns of EEG during wakefulness as the following two examples demonstrate. Only subject A shows large alpha activity during wakefulness.! Subject A: Subject B: Awake, synchronized, preattentive Awake, Desynchronized, attentive performance Stage I Stage II Stage III Stage IV REM Note that the EEG during wakefulness differs between subject A and B. Only the desynchronized EEG reflects a state of mental activity. Thus, the EEG stages I - IV show a gradual slowing as compared to wakefulness (cf. the data for subject B).

23 L ipnogramma Ciclo REM - NREM Un tracciato ipnografico si ottiene analizzando l EEG registrato ininterrottamente durante il sonno

24 Variazioni del sonno NREM-REM con l età

25 Durata REM - NREM nella vita

26 Ore di sonno nelle 24 ore in vari mammiferi %# "$ "# $ # &'()**+,-+./)01 2/)-+ 3)0 4)5660 7)1 8)1 9'60 4)1!"

27 Sonno nei mammiferi marini Il test di risposta motoria allo stimolo visivo mostra un tempo di reazione fisiologico. Cioè l emisfero sveglio è funzionalmente attento e vigile

28 Durante il sonno REM: atonia (vedi EMG) movimenti oculari (vedi EOG) aumento del ritmo cardiaco aumento del ritmo respiratorio

29 Episodio di sonnanbulismo Episodio di terrore nel sonno

30 Episodio di attivo sonno REM la persona combatte

31 Come si comportano i neuroni corticali durante la veglia e il sonno?

33 Attività intracellulare da neurone corticale durante il sonno NREM e REM Steriade, M. et al. J Neurophysiol 85:

35 Oscillatore talamico

36 Sistemi neurochimici attivanti Noradrenergico: facilita l attenzione selettiva Colinergico: aumenta l accuratezza del riconoscimento degli stimoli rilevanti Serotoninergico: frena la risposta impulsiva Istaminergico Glutammatergico Dopaminergico: aumenta la velocità delle risposte motorie

37 Capacità di rispondere agli stimoli esterni La soglia di risposta agli stimoli esterni aumenta dallo stadio 1 al 4 del NREM e rimane elevata durante il REM

38 NREM la diminuzione del rilascio dell acetilcolina rende i neuroni talamici iperpolarizzati bloccando il flusso di segnali attraverso il talamo l oscillazione lenta del potenziale dei neuroni corticali li rende iperpolarizzati per centinaia di millisecondi quindi anche stimoli che superano il talamo vengono bloccati a livello corticale le aree prefrontali e parietali (implicate nell attenzione) sono deattivate

39 REM nel REM il cancello talamico è aperto, ma l attenzione agli stimoli esterni è bassa si rivolge l attenzione agli stimoli interni le aree prefrontali e parietali (attenzione a stimoli esterni) rimangono deattivate (studi di imaging)

40 Modifiche del metabolismo (=attività) cerebrale durante il sonno NREM REM sveglio metabolismo elevato metabolismo basso Nature Neuroscience Reviews

41 Quali sono i circuiti funzionali implicati nel passaggio sonnoveglia?

42 Ancora numerosi lati oscuri

43 Esistono 3 sistemi implicati nel passaggio sonno-veglia; NREM- REM sistema reticolare attivante (RAS) orologio circadiano sistema ipotalamico del sonno (HSS) regione dorsale del bulbo e del ponte (REM)

44 Orologio circadiano Sistema del sonno REM Sistema ipotalamico del sonno HSS Sistema reticolare attivante RAS

45 Circuiti nervosi interessati al ritmo sonno/veglia

46 Sistema reticolare attivante!"#$#"%&'(&)*++*&,-))'.*!"#"$%&'("$%!)*$%*+"$% *#0 1(- /2'!)(,(' -.($/#" -*, "$%"0/#*+(-*#/!*3+-*$$*41"5#(/!"#"$%&'("$%!)*$%*+"$% *#0 1(- /2'!)(,('+-.($/#" -*, %")1"##*+(-*#/!*3+'*),"+-",.)"

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49 Nell uomo Thalamus Cerveau isole Midpontine pre- trigeminal SWS Sleep-wake cycle without REM Normal sleep-wake cycle including REM Cerebellum Encephale isole

50 Il RAS proietta in modo diffuso

51 RAS vengono rilasciati tonicamente numerosi neurotrasmettitori: glutammato acetilcolina istamina l attivazione dei neuroni corticali e talamici avviene bloccando i canali del potassio che divengono quindi depolarizzati parzialmente e quindi più inclini e pronti a scaricare

52 2 vie principali di proiezione delle vie extratalamica tramite i neuroni colinergici del proencefalo basale colinergiche talamica Nell Alzheimer la perdita di queste cellule colinergiche si accompagna ad un rallentamento dell EEG

53 Proiezione colinergica Nell Alzheimer la perdita di queste cellule colinergiche si accompagna ad un rallentamento dell EEG Farmaci anticolinergici (antidepressivi triciclici, atropina) possono dare sedazione Farmaci o sostanze colinergiche (nicotina) danno attivazione

54 Ipotalamo posteriore I neuroni (colinergici) del proencefalo basale proiettano anche all ipotalamo posteriore dove si trovano le cellule istaminergiche del nucleo tubero mammillare (TM) che proiettano diffusamente alla corteccia e sono molto attivi durante la veglia infusione di istamina dà attivazione lesione del nucleo TM riduce la durata della veglia ed aumenta quella del sonno

55 RAS e noradrenalina altri sistemi neuromodulatori (adrenergico e serotoninergico) modificano la loro attività durante il ciclo S/V Locus coeruleus (NorA) proietta diffusamente ed è massimamente attivo durante la veglia, meno durante REM, silente nel NREM La lesione non ha grossi effetti sul ritmo S/V E importante nell espressione genica durante il ritmo S/V

56 RAS e serotonina Nuclei del rafe (Serotonina) proiettnao diffusamente al cervello max frequenza di scarica durante la veglia, meno durante il NREM, silenti durante il REM (vedi sistema NorA) farmaci antiserotoninergici

57 Circuiti nervosi interessati al ritmo sonno/veglia

58 I sistemi che promuovono il sonno

59 Encefalite letargica di Von Economo Ipotalamo posteriore neuroni che promuovono la veglia

60 Narcolessia Ipotalamo anteriore neuroni che inibiscono quelli posteriori quindi promuovono il sonno VLPO area preottica ventrolaterale: neuroni GABAergici

61 Il sistema del sonno REM dorso pontomesencefalico neuroni colinergici La lesione elimina il REM sono attivi assieme ai circuiti RAS durante la veglia e anche durante il REM. Nel REM la RAS è fortemente inibita

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63 Memoria e sonno REM

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65 Riassumendo

66 Strutture coinvolte nel sonno e nella veglia

67 III, oculomotor; IV, trochlear; VI, abducens; AHC, anterior horn cell; BIRF, bulbospinal inhibitory reticular formation (for example, gigantocellular tegmental field, parvocellular tegmental field, magnocellular tegmental field); CT, cortical; LC, locus coeruleus; LDT, laterodorsal tegmental nucleus; mprf, meso- and mediopontine tegmentum (for example, gigantocellular tegmental field, parvocellular tegmental field); P, peribrachial region; PGO, ponto-geniculo-occipital; PPT, pedunculopontine tegmental nucleus; PT cell, pyramidal cell; RAS, midbrain reticular activating system; RN, raphe nuclei; TC, thalamocortical.