a.a. 2005/2006 Laurea Specialistica in Fisica Corso di Fisica Medica 1 Il sonno 2/5/2006
Un comportamento? Un istinto? Cosa è? Uno stato della mente? Uno stato del corpo? Uno stato del sistema nervoso? èuna funzione biologica di base come l alimentazione, la respirazione e la riproduzione Senza sonno gli esseri viventi muoiono!
Azione Abolizione (ovvero forte riduzione) del contatto con l esterno reversibile spontaneamente reversibile con stimolazioni esterne (più forti) indispensabile per la salute/vita dell organismo avviene con occorrenza periodica necessita di comportamenti adeguati e di un ambiente adatto risulta essere stato plasmato dall adattamento alla pressione evolutiva
Azione e riposo Adattamento di alcuni animali per il bisogno biologico di dormire Lontra di mare: dorme attaccata alle alghe Giraffa in uno zoo durante un sonno profondo con i muscoli completamente rilassati
Sonno del delfino Utilizzo alterno dei due emisferi cerebrali (R/L) veglia sonno profondo Tracciato EEG A: veglia B: sonno intermedio C: sonno profondo emisfero destro D: sonno profondo emisfero sinistro
Deprivazione del sonno Studi di Rechtschaffen negli anni 80 sui ratti Set sperimentale controllato per fattori confondenti (stress): ciclo luce buio controllato temperatura costante neutra accesso libero a cibo ed acqua Esito: aspetto vecchieggiante, pelo giallastro, arruffato, ulcere cutanee morte in media entro 21 giorni
Effetti deprivazione del sonno Comportamento: ipervoracità, ipercinesia (tremori), bradicinesia (lentezza), brividi Anatomia patologica: unica differenza lieve e tardiva volume peso ghiandole surrenali Peso: diminuzione del 20% peso corporeo Senso di fame: aumenta Utilizzo depositi adiposi: aumenta Dispendio energetico: aumenta (circa del 30%) Ormoni: tardivo aumento cortisolo ACTH Noradrenalina: aumenta
Effetti nell uomo Deprivazione di sonno in 3 soggetti per 90 ore Patrick, G. T. W. & Gilbert, J. A. 1896 On the effects of loss of sleep. The Psychological Review 3, 469-483. sonnolenza vincibile solo da stimoli forti (dopo 50 ore) illusioni visive peso aumenta poi diminuisce forza muscolare, memoria, tempi di reazione diminuiscono, acutezza visiva aumenta presenza di microsonni recupero molto rapido
Deprivazione di sonno nell uomo Esperimento più lungo: nel 1964 Randy Gardner sveglio per 264 ore (.. He stayed awake for 11 days in a row without sleeping and made it into the Guinnes Book of Records ) II notte: difficoltà di mettere a fuoco, stop TV III notte: calo umore, lieve atassia (mancanza di coordinamento dei movimenti), lieve anartria (mancanza di coordinamento linguistico) IV notte: irritabilità, calo di concentrazione, calo di memoria, illusioni visive V-IX: allucinazioni, peggiore atassia e anartria
Conclusione esperimento XI notte: frammentazione del pensiero (senza elementi psicotici), allucinazioni, visione fortemente deteriorata, estrema difficoltà nel linguaggio Dorme per 15 ore e si sveglia spontaneamente. Si sente bene, solo un po' sonnolento: tutti i disturbi sono spariti. Nei 2 sonni seguenti dorme 4 e 2.5 ore oltre le 8 ore normali
Teoria del recupero Moruzzi 1972, Hartmann 1973, Oswald 1974: recupero tissutale nel sonno NREM recupero cerebrale nel sonno REM ormoni anabolici che agiscono sui prodotti nutrienti alla crescita muscolare aumentano ormoni catabolici: cortisolo (che mantiene costante i livelli di glucosio nel plasma, agendo sui ricambi organici) diminuisce aumento sintesi proteica cerebrale in REM dati sperimentali pochi e controversi!
Teoria conservazione energia Zepelin & Rechtschaffen 1974 Correlazione positiva, nella scala filogenetica, fra lunghezza del sonno e tasso metabolico Nel sonno NREM il metabolismo cerebrale, il consumo di ossigeno e glucosio e il flusso ematico cerebrale diminuiscono favorendo la conservazione dell energia solo 120 calorie in 8 ore Nel sonno REM invece i parametri metabolici ed energetici sono uguali a quelli della veglia
Principali altre teorie Teoria adattativa (McGinty 1974, Webb 1992) Sonno come comportamento vantaggioso ai fini della sopravvivenza (favorito dall evoluzione) Teoria istintiva (Moruzzi 1972, Mc Ginty 1974) Spinta istintiva verso un comportamento gratificante e vantaggioso Consolidamento della memoria (1975.2001) Ruolo del sonno REM e del sogno: cancellazione e consolidamento delle informazioni in memoria adeguamento dell immagine e della storia dell io
Struttura del sonno Il sonno microscopicamente è un processo regolato da diverse famiglie di neuroni la trasmissione dell'informazione dipende dalla propagazione dei potenziali d'azione (messaggi) con frequenza modulata mediante stimoli sensoriali, ingressi sinaptici o correnti applicate attività neuronale vista come effetto risposta ad un potenziale d azione osservata nell assone del calamaro (fibra nervosa)
Calamaro gigante in risposta ad una corrente alternata sinusoidale, si ha un treno di potenziali d'azione con valore soglia dipendente dalla frequenza dello stimolo
Ricettori biologici Alcuni recettori si adattano lentamente ad uno stimolo, ovvero scaricano potenziali d'azione ad una data frequenza o ad una frequenza che va diminuendo fino ad un valore stazionario altri recettori si adattano allo stimolo rapidamente e la loro risposta consiste solo di un transitorio (molti recettori pressori o di tatto)
Oscillatori biologici In molte cellule recettrici la membrana cellulare presenta un normale potenziale di riposo in assenza di stimolazione e si depolarizza solo dopo altre possiedono attività ritmica spontanea (ad es. le cellule pacemaker del cuore) L'aver ottenuto, in alcuni esperimenti, delle scariche di potenziali d'azione dopo completo isolamento di un neurone, ha fornito la dimostrazione definitiva dell'attività autoritmica di certe cellule nervose
Regolatori biologici In molte cellule recettrici la membrana cellulare presenta un normale potenziale di riposo in assenza di stimolazione e si depolarizza solo dopo altre possiedono attività ritmica spontanea (ad es.le cellule pacemaker del cuore) L'aver ottenuto, in alcuni esperimenti, delle scariche di potenziali d'azione dopo completo isolamento di un neurone, ha fornito la dimostrazione definitiva dell attività autoritmica di certe cellule nervose
Oscillatori di rilassamento descritto per la prima volta da Van Der Pol (1926) termine smorzante ritorno 2 d ν 2 dt 2 dν 2 + a ( v 1) + w v dt = 0 α << w, l oscillatore si comporta come un oscillatore lineare (salita molto lenta) e genera una sinusoide che decade molto lentamente α = w, il comportamento oscillatorio diventa meno sinusoidale ma ancora regolare α >> w le oscillazioni approssimano l onda quadra
Simulazione oscillatore 2 1 10 20 30 40 50 60 70-1 -2 Simulazione con α = 0.5, w = 1 con Mathematica
Simulazione oscillatore forzato Simulazione con α = 10 w=0.1 2 1 10 20 30 40 50 60 70-1 -2 le sue oscillazioni facilmente agganciano la fase con un frequenza esterna di guida (forzamento), anche quando questa non corrisponde alla loro frequenza naturale
Ciclo del sonno? Sequenze di segnali ritmici possono essere generate da un oscillatore centrale o da un circuito riflesso in cui un segnale sensorio di ritorno da un movimento inizia, innescando la ripetizione del movimento stesso oscillatori in cui il ritmo è generato da due o più neuroni in funzione delle loro connessioni sinaptiche chimiche o elettriche oscillatori endogeni, in cui la ritmicità deriva da un oscillazione propria del potenziale elettrico di membrana di un singolo neurone