a.a. 2005/2006 Laurea Specialistica in Fisica Corso di Fisica Medica 1 Modelli del sonno 9/5/2006
Oscillatori sinaptici Il più semplice degli oscillatori è costituito da due elementi che sono attivi alternativamente come prodotto di connessioni inibitorie reciproche La ritmicità deriva dalle caratteristiche proprie delle membrane delle cellule che formano un sistema elettrotonicamente accoppiato (ad esempio REM ON, REM OFF ) Oscillatori per l'eccitamento o l inibizione possono produrre un attività sincrona la cellula con frequenza piú elevata determina il ritmo di tutte le altre cellule del gruppo
Modello di Lotka-Volterra Descrive le popolazioni che interagiscono biologicamente tra di loro interazioni ad esempio tra due specie in un ecosistema: prede e predatori volpi e conigli Modello dinamico: il tasso di incremento del sopravvento di una delle due popolazioni è una funzione della densita di entrambe le popolazioni
Equazioni Usate nel modello per descrivere la popolazione: dx dt dy dt = = ax bxy dy + cxy REM ON è il predatore REM OFF è la preda
Perché McCarley e Hobson (1975) usarono il modello di Lotka-Volterra per descrivere l alternarsi degli stati di REM ON e REM OFF visti come elementi alternativamente attivi legati da connessioni inibitorie reciproche mentre il primo neurone è attivo, il secondo è inibito dall'attivitá di questo e rimane in uno stato di inibizione fino a che è in grado di attivarsi e inibire il primo neurone con modalità identiche
Fotoricettori circadiani Piccolo sottogruppo di cellule gangliari retiniche che non elabora informazioni visive bensì trasporta informazioni sulla luce cioè indicatore di tempo (stimolo che sincronizza un ritmo endogeno con l orologio circadiano) contengono melanopsina
Oscillatori endogeni I possibili meccanismi che possono spiegare le attività ritmiche spontanee sono più difficili da immaginare e da definire molti fattori esterni e ambientali possono depolarizzare la membrana cellulare modificando i ritmi biologici giornalieri in condizioni naturali Esempi: ritmo sonno-veglia ritmo circadiano
I ritmi del sonno: In condizioni normali sono di natura endogena in quanto indipendente da tutti i fattori ambientali corrispondono alla durata naturale del giorno, ritmo circadiano (24h) si automantengono per lunghi periodi (settimane, mesi) oscillatore automatico il ciclo di questo oscillatore è sincronizzato con il ciclo luce-buio giornaliero
Il sistema circadiano Il principale regolatore dei ritmi circadiani è il nucleo soprachiasmatico ossia 16.000 coppie di nuclei localizzati nell ipotalamo Epifisi (o anche ghiandola pineale) secerne melatonina (che diminusce con il crescere dell età) molecola che regola la durata della notte
Risultati sperimentali Ogni cellula neuronale del Sistema Centrale Neurologico (SCN) è in grado di generare e regolare ritmi circadiani Nel SCN c è un elevata densità neuronale (sovrapposizione delle membrane cellulari) aumentano scambi intra-cellulari che favoriscono la sincronizzazione dei ritmi stessi Il sistema circadiano è sincronizzato quando oscilla ad una frequenza vicina alla frequenza più espressa all interno della popolazione neuronale
Ruolo del SCN Sostenere e sincronizzare la ritmicità delle oscillazioni circadiane dell espressione genica che si notano anche nei tessuti periferici gli stimoli provenienti dal SNC sono convertiti in programmi temporali per l intero organismo che può così adattarsi alle variazioni stagionali, alle diverse condizioni metaboliche
Regolazione del sonno Il bisogno di dormire e l intensità del sonno sono regolati omeostaticamente cioè si tende, nelle 24 ore, a mantenere un uguale quantità di sonno Se ciò non avviene varia l espressione dei geni responsabili/coinvolti nella regolazione del sonno La regolazione omeostatica del sonno è sotto un forte controllo genetico in particolare il cromosoma 13 sembra essere responsabile della diminuizione del sonno profondo (slow wave sleep SWS)
ElettroEncefaloGramma Distribuzione di potenziali sul cuoio capelluto di un EEG ipotetici potenziali assoluti per le varie posizionamenti degli elettrodi
Grafico EEG plot in funzione del tempo
Il sonno Susseguirsi di stati diversi, caratterizzati da un diverso tracciato ElettroEncefaloGrafico (EEG) ma determinano stadio e profondità del sonno: Sonno tranquillo o profondo (NREM) Sonno attivo: REM (Rapid Eye Movement) Si utilizzano, polisonnografia, anche: EKG che monitorizza l attività cardiaca EMG che monitorizza il tono muscolare EOG che monitorizza i movimenti oculari
Ritmo circadiano Un orologio biologico è presente in tutte le specie viventi, dai procarioti all'essere umano Il ritmo circadiano è il sistema che organizza il ciclo sonno-veglia e viene influenzato da stimoli sensoriali: ad esempio dal ciclo luce-buio Per questo motivo il grafico ha un periodo di 24 ore
Ritmo omeostatico Indica l'andamento della propensione al sonno Durante la veglia (7-23) il grafico sale lentamente mentre, appena inizia il sonno (23-7) avviene la scarica molto veloce processo simulato nel tempo grazie a una equazione differenziale non lineare
Ritmo ultradiano Descrive l'alternanza che c'è durante il sonno fra fasi REM e NonREM e, quindi, l'andamento della SWA - Slow Wave Activity diminuzione della intensità di sonno NonREM, aumento dei successivi cicli REM
Stato sonno-veglia Osservazione Veglia NREM REM Occhi aperti chiusi chiusi con movimenti rapidi Attività mentale appropriata assente o ridotta sogno Potenziali Elettrici basso voltaggio alto voltaggio basso voltaggio EEG alta frequenza bassa frequenza alta frequenza EMG (escluso diaframma) attività toracica elevata attività toracica ridotta attività toracica abolita EOG movimenti rapidi o lenti movimenti lenti se presenti movimenti rapidi fasici