EFFETTI DEL SONNO SUI PROCESSI MNESTICI

Sonno e processi mnestici

• Effetti del sonno sull’acquisizione di materiale (stimoli presentati durante il sonno)

• Effetti del sonno sulla ritenzione ed elaborazione di materiale appreso prima del sonno

• Simon e Emmons (1956)Presentazione di materiale verbale durante il sonno, nessun effetto sul ricordo.

Riduzione afferenze sensoriali ? Ridotta risposta alle stesse ?

trasmissione impulsi nervosi dai corpi genicolati alla corteccia visiva ridotta in SWS rispetto alla veglia (Livingstone e Hubel, 1981)

componenti tardive dei potenziali evocati abolite in sonno REM (Llinas e Parè, 1991)

Imparare durante il sonno ?

Teoria di attivazione/recupero (arousal/retrieval, Koulack e Goodenough, 1976)

La codifica di una traccia dipende dalla presenza di un minimo livello di attivazione (= arousal), non disponibile durante il sonno

Shimizu et al., 1977: apprendimento in sonno solo quando la somministrazione dello stimolo è seguita da brevi treni di onde alfa

Apprendimento durante il sonno REM > NREM ?

Memoria dichiarativa: insieme di nozioni, idee ed eventi che possono essere richiamati in maniera cosciente (o “esplicita”) sotto forma di proposizioni verbali e/o immagini mentali

Memoria procedurale: è implicita, ed espressa da modifiche del comportamento. Include abilità motorie e percettive, ma anche risposte elementari come l’abitudine e il condizionamento

Classificazione dei sistemi di memoria secondo Squire (1984)

La codifica in sonno di materiale dichiarativo è ridotta, e la somministrazione di tale materiale mentre l’individuo dorme causa essenzialmente una frammentazione del sonno (Roth et al., 1988; Wyatt et al., 1994)

Sembrano invece possibili alcune semplici forme di apprendimento procedurale, a.e. risposte condizionate (Beh e Barratt, 1965)

Materiale dichiarativo vs. procedurale

Ricordare di più grazie al sonno ?

Interferenzaapprendimento

apprendimento

Gli psicologi della memoria iniziano a porre attenzione ai rapporti fra memoria e sonno per rispondere alla domanda:

L’OBLIO E’ DETERMINATO DALL’INTERFERENZA ?

S O N N O

V E G L I A =

Effetto del sonno sulla memoria di materiale pre-sleep

Jenkins e Dallenbach, 1924

Lista* Recall

Lista*

Lista*

Lista*

Recall

Recall

Recall

VEGLIA

SONNO

* sillabe senza senso

Il richiamo del materiale è migliore quando il periodo di ritenzione viene trascorso in sonno rispetto alla veglia (“SLEEP EFFECT”)

Ore1 2 4 8

Molti Autori (Newman, 1939; Lovatt e Warr, 1968;

Idzikowski, 1984, Fischer et al., 2002), nel corso dei

successivi decenni, hanno replicato i risultati di Jenkins e

Dallenbach, utilizzando anche compiti di tipo differente,

come ad esempio il ricordo di brani di prosa o complesse

sequenze motorie.

Pochissime sono state invece le evidenze contrarie allo “sleep effect”, peraltro in studi (e.g., Portnoff, 1966) che soffrivano di limiti metodologici, quali l’assenza di controllo per la variabile circadiana (il ricordo è migliore quando il periodo di ritenzione è trascorso di notte).

Lo “sleep effect”

Benson e Feinberg, 1977

Ore 4 8

Lista*

Lista*

Lista*

Condizione A

Condizione B

Condizione C

VEGLIA

SONNO

* lista di parole

Recall

Recall

Recall

Effetto sonno nella condizione B > Effetto sonno nella condizione C

Ipotesi: Processi di CONSOLIDAZIONE attivi in sonno

Prior sleep effect VEGLIA

SONNO

Prestazione migliore: W-S > W-W > S-S e S-W

Condizione W-W

Recall

Recall

Training

Recall

Recall

Condizione S-W

Condizione S-S

Condizione W-S

Training

Training

Training

Grosvenor e Lack, 1984

Dopo la scoperta del sonno REM (1953)

• Ipotesi: i processi di consolidamento sono possibili solo nell’ambito di uno stato caratterizzato da elevata attivazione corticale e neurovegetativa

• Inoltre la presenza di notevoli quantità di REM nelle prime fasi di sviluppo dei mammiferi pare a sostegno dell’importanza del REM per l’apprendimento

Le ricerche si focalizzano sul ruolo del sonno REM nello sleep effect

confronto tra un periodo di ritenzione nella prima o nella seconda metà della notte

somministrazione di un training intensivo

privazione selettiva di uno stato di sonno

aumento di uno stato nel sonno successivo?

quali effetti sulla memoria?

peggioramento della prestazione mnestica successiva?

Approcci sperimentali allo studio del ruolo di uno stato di sonno nei processi di memoria

Primo approccio: studi su animaliEffetti sul REM dopo manipolazione della veglia:

Effetti sul NREM dopo manipolazione della veglia:

• incremento del REM all’interno di “REM windows” nel sonno post-apprendimento (Smith, 1986, 1993, 1996, 2001, 2004)

• incremento delle onde PGO nel sonno REM post- apprendimento (Datta, 2000)• incremento del REM in ratti esposti ad “enriched environment” (Gutwein,

Fishbein, 1980)

• incremento del NREM dopo condizionamento con rinforzo positivo (Hennevin et al., 1974)

• incremento locale del SWS nella corteccia motoria nel sonno post-apprendimento (Hanlon et al., 2009)

• incremento post-apprendimento nella densità dei fusi del sonno (Eschenko et al., 2006)

Primo approccio: studi su umaniFanjuad et al., 1982 apprendimento di mappe

topografiche↑ REM

Verschoor e Holdstock, 1984 studio di brani di prosa ↑ REM

Mandai et al., 1989 apprendimento del codice Morse ↑ REM

De Koninck et al., 1989 apprendimento di lingue straniere ↑ REM

Smith e Lapp, 1991 periodo di apprendimento intensivo in studenti di college

↑ REM

Gais et al., 2000 apprendimento di liste di coppie di parole

↑ fusi del sonno

Brière et al., 2000 apprendimento verbale implicito ↑ fusi del sonno

Fogel et al., 2001 apprendimento procedurale motorio ↑ fusi del sonno

Huber et al., 2004 apprendimento procedurale motorio ↑ SWS locale (lobo parietale)

Morin et al., 2008 finger-tapping task ↑ fusi del sonno

Secondo aproccio: privazione

Peggioramento delle prestazioni mnestiche dopo privazione di sonno REM ottenuta nel ratto con la tecnica “swimming pool”

(Pearlman, 1981; Smith, 2001)

Ma: “Gli studi sono equamente divisi tra quelli che

mostrano e quelli che non mostrano un peggioramento della memoria in seguito a privazione di sonno REM”

(Salzarulo e Fagioli, 1980; Vertes e Eastman, 2000)

Critiche al ruolo del REM Risultati molto discordanti Ruolo dello stress associato ai paradigmi della

sperimentazione animale Psicofarmacologia: gli antidepressivi non

compromettono la memoria; locked in syndrome Neuroanatomia: riattivazione in REM delle place

cells non accompagnata da esperienze mentali corrispondenti

Etologia: non c’è correlazione tra grado di encefalizzazione degli animali e tempo trascorso in REM

I processi mnestici durante il sonno dipendono dal sistema di memoria implicato ?

REM -------> memoria procedurale

NREM -------> memoria dichiarativa

L’ipotesi “one-to-one”

Un compito di tipo procedurale:La discriminazione visiva del tessuto

Esempio di stimolo:Tre barre diagonali nel quadrante in basso a destra dello schermo, inserite su uno sfondo di elementi orizzontali.

Una piccola lettera capovolta (una T o una L) al centro funge da target di fissazione.

Karni et al., Science, 1994“Dependence on REM sleep of overnight improvement of a perceptual skill”

• La performance ad un compito di discriminazione visiva migliora dopo una notte di sonno indisturbato.

• La privazione selettiva di sonno REM impedisce tale miglioramento durante un analogo intervallo di ritenzione, mentre…

• …la privazione di Sonno a Onde Lente (SWS) non compromette il miglioramento

Un compito di tipo dichiarativo: La lista di Parole Accoppiate

Sedia MontagnaMoneta CucchiaioBosco StanzaVetro PioggiaFinestra LeoneQuadro TavoloTopo ProfessoreLetto EstateColore Carne

•Il numero di coppie può essere variato a seconda degli scopi della ricerca .

•In alcuni esperimenti, la prima parola della coppia può essere fornita come cue.

•Le parole possono essere associate o non associate.

Ipotesi one-to-one: sonno REM ------------> memoria procedurale

sonno NREM ---------> memoria dichiarativa

(Plihal e Born, 1997)

1) A fronte di solide evidenze sperimentali concernenti la relazione sonno REM-memoria procedurale, il modello non pare spiegare adeguatamente quelle ricerche del passato che non mostravano differenze tra gli stati di sonno, o indicavano persino una superiorità del sonno REM, nella determinazione dello “sleep effect” per il materiale dichiarativo

Alcuni problemi per l’ipotesi “dual-process”

Autori

Test di richiamo Risultati

Empson e Clarke, 1970

Brevi testi

Liste di parole

Peggioramento dopo privazione REM

Peggioramento dopo

privazione REM Tilley e Empson, 1978

Storie

Peggioramento dopo

privazione REM, nessun peggioramento dopo pri vazione SWS

Yaroush et al., 1971 Barrett e Ekstrand, 1972

Liste di parole

1a parte della notte più

benefica della 2a Cipolli e Salzarulo, 1979

Frasi con senso

Frasi senza senso

REM = NREM

REM = NREM

2) Molti compiti non sono né puramente “procedurali”, né puramente dichiarativi (a.e., apprendimento codici Morse).La suggerita relazione REM-procedurale/NREM-dichiarativo è in effetti confutata da molti studi recenti in cui i compiti hanno caratteristiche “addizionali”.

1) A fronte di solide evidenze sperimentali concernenti la relazione sonno REM-memoria procedurale, il modello non pare spiegare adeguatamente quelle ricerche del passato che non mostravano differenze tra gli stati di sonno, o indicavano persino una superiorità del sonno REM, nella determinazione dello “sleep effect” per il materiale dichiarativo

Alcuni problemi per l’ipotesi “dual-process”

Wagner et al. 2001; Learning & Memory

SWS – early sleepSWS – early sleep

REM – late sleepREM – late sleep

“Practice with sleep makes perfect: sleep dependent motor skills learning”

(Walker et al., 2002)

“Sleep and the time course of motor skills learning”

(Walker et al., 2003)

Le abilità motorie sono migliorate dallo Stadio 2

Sonno REM -------> memoria procedurale

memoria dichiarativaper materiale a contenuto emotivo

Sonno NREM -------> memoria dichiarativa per materiale a contenuto neutrale

memoria procedurale, motoria

E’ realmente plausibile un’interazione fra un sistema di memoria e uno stato di sonno che escluda del tutto l’altro stato ?

oppure:

Un ruolo della cooperazione NREM-REM per lo “sleep effect” ?

La cooperazione NREM-REM

EVIDENZE DALLA NEUROFISIOLOGIAIl “dialogo” ippocampo-corteccia favorisce il LTPREM: flusso di informazioni dalla neocorteccia all’ippocampo, con attivazione delle stesse aree ippocampali attivate nel corso della sessione di apprendimentoSWS: si verifica il cosiddetto “replay” ippocampale: onde sincrone e ampie accompagnano il flusso delle informazioni in direzione opposta

(Wilson & McNaughton, 1994, Hinton, 1995; Buszaki, 1998)

EVIDENZE DAL NEUROIMAGING FUNZIONALE

Diversi pattern di attivazione in sonno REM (amigdala) rispetto al SWS (aree medio-temporali)

(Maquet, 2000; Peigneux et al., 2001)

EVIDENZE DA STUDI SU ANIMALI

Apprendimento più veloce nei ratti il cui sonno è caratterizzato da maggiore quantità di sequenze sonno sincrono-sonno transizionale-sonno paradosso

(Giuditta et al., 1995)

Stickgold et al. (2000) hanno considerato il ruolo del sonno nelle sue componenti globali, piuttosto che in termini di superiorità di uno stato rispetto all’altro.

La performance ad un compito di discriminazione visiva del tessuto è migliore dopo l’intero episodio di sonno rispetto a quando segue il solo SWS o il solo REM

compito di discriminazione visiva: la performance mnestica al risveglio è correlata sia con la quantità di sonno a onde lente (SWS) nel primo quarto della notte che con la quantità di sonno REM nell’ultimo quarto.

Cooperazione NREM-REM nel processo di memorizzazione

Correlation of learning with sleep

-0,20

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

Quartile

r-value

SWS

REMp < 0.05

p < 0.01

Two-step model

• Il modello ha il merito di prendere in considerazione una complementarità degli stati di sonno

TUTTAVIA….

processo di memorizzazione: acquisizione in veglia del materiale elaborazione in corso di SWS nella prima parte della notte elaborazione in corso di sonno REM nella seconda parte della notte

Alcuni problemi per l’ipotesi “two-step”

• Pur indicando la necessità della compresenza di ambedue gli stati (NREM e REM), fa dipendere l’efficacia dei processi mnestici dalle quantità assolute degli stessi, più che da una loro reale interazione

• Sottolineando l’importanza del primo e dell’ultimo quarto di sonno, non chiarisce cosa accadrebbe, ai fini dei processi di memorizzazione, nel periodo di sonno intermedio

• Esso opera una separazione della notte in blocchi, trascurando un’evidenza fenomenologica importante del sonno, ossia la sua natura altamente organizzata

Messaggi riassuntivi

• Il sonno si è dimostrato efficace nel favorire il consolidamento di materiale appreso prima di dormire, indipendentemente dal tipo di materiale (“sleep effect”)

•Nessuna caratteristica del sonno (durata, collocazione, composizione in stati) si è rivelata necessaria e sufficiente a determinare lo “sleep effect”

Livelli di organizzazione del sonno

EPISODIO

CICLO

STATO

Aspetti organizzativi intra-stato

Veglia Sonno

NREM REM

NREM-REM

(es.: REMs isolati o in bursts)

Potenziamento a Lungo Termine ?

Il completamento dei cicli di sonno favorisce processi biologici fondamentali come la sintesi proteica

(Barondes, 1989; Bliss & Collinridge, 1995)

La struttura CICLICA del sonno ha una funzione ?

L’organizzazione del sonno, espressa dall’aumento della durata dei cicli NREM-REM, aumenta nel corso del primo sviluppo, in particolare del primo anno di vita

(Fagioli et al., 1981; Ficca et al., 2001)

I processi di LPT sono maggiormente efficaci con la concomitante e/o successiva presenza di:

LTP e stati di sonno

a) elevati livelli di attivazione elettrofisiologica, che consentono la produzione di spikes neuronali ad alta frequenza

Il ciclo di sonno NREM-REM, inteso come SUCCESSIONE ININTERROTTA DEI DUE STATI, rappresenta dunque una cornice fisiologica ideale per l’LTP(Barondes, 1983; Bliss e Collinridge, 1993)

Il sonno REM è contraddistinto da elevati livelli di arousal, ritenuti essenziali per i processi di apprendimento (Koulack e Goodenaugh, 1976)

Vari studi hanno mostrato l’importanza Vari studi hanno mostrato l’importanza della componente NREM (più della componente NREM (più specificamente dello SWS) per processi specificamente dello SWS) per processi biologici fondamentali come la sintesi biologici fondamentali come la sintesi proteica.proteica.(Fagioli et al., 1981; Salzarulo e Fagioli, 1995)(Fagioli et al., 1981; Salzarulo e Fagioli, 1995)

b) elevati livelli di sintesi proteica, che consentono l’espressione di nuovi recettori AMPA sulle membrane postsinaptiche

Evidenze nell’uomo

Goder et al. , 2007: STUDIO CORRELAZIONALE su una popolazione clinica• cicli di sonno e memoria dichiarativa visuo-spaziale (figura di Rey)

Ficca et al. , 2000: STUDIO SPERIMENTALE su soggetti giovani• cicli di sonno e memoria dichiarativa verbale (liste di parole)

Mazzoni et al. , 1999: STUDIO CORRELAZIONALE su soggetti anziani• cicli di sonno e memoria dichiarativa verbale (liste di parole)

CORRELATIONS BETWEEN SLEEP MEASURES AND WORD RECALL IN ELDERLY PEOPLE

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

NREM/REM cycles TCT/TST

Spearman's rho

p < 0.005

p < 0.05

(Mazzoni et al., 1999)

I cicli risultavano l’unica variabile del sonno a mostrare una correlazione positiva con il ricordo mattutino, mentre non emergevano correlazioni con altre misure del sonno, incluse le quantità dei singoli stati e l’efficienza del sonno.

Veglia

Stadio 1

Stadio 2

Stadio 3

Stadio 4

Sonno REM

Notte C -Risvegli dopo 40’ NREM

Notte C + Risvegli dopo10’ REM

Manipolazione sperimentale dei cicli NREM-REM

(Ficca et al., 2000)

0

1

2

3

4

5

Continuous Cycles + Cycles -

Conditions

Word pairs

p < 0.05p < 0.05

Ficca et al., 2000

Prestazione mnestica di giovani adulti al risveglio da notti continue, frammentate o disorganizzate

• punteggi dopo notte indisturbata = punteggi dopo notte interrotta ma con organizzazione dei cicli conservata• punteggi significativamente peggiori dopo notte con disorganizzazione dei cicli

SONNELLINI POMERIDIANI: UN MODELLO UTILE PER STUDIARE IL RUOLO DEI CICLI NREM-REM

•Circa metà dei pisolini pomeridiani hanno almeno una fase di sonno REM (=1 ciclo)

•La quantità totale di sonno REM è comunque molto limitata

•Anche la quantità di SWS è limitata, perché all’inizio dei sonnellini diurni, per ragioni circadiane, la quasi totalità del sonno NREM è costituita da Stadio 2

(Salzarulo, 1970)

Mednick et al., Nature Neuroscience, 2003

Nap e Visual Discrimination Task

Veglia

Veglia

13.30 14.00 16.00

Sonno

Nap e compito dichiarativo

Montaggio elettrodi

Karolinska Sleepiness Scale Test di richiamo

19.00

Somministrazione materiale e primo richiamo

L‘obiettivo é verificare se un sonnellino diurno favorisca il ricordo di materiale dichiarativo

Misure del sonno Media ± d.s.

Tempo a letto (min) 124,8 ± 20,2

Tempo Totale di Sonno (min) 73,7 ± 23

Efficienza di sonno (%) 60 ± 11

Stadio 2 (%) 61,4 ± 8,9

SWS (%) 29,4 ± 12,3

REM (%) 9,1 ± 8,9

50

60

70

80

90

100

110

120

h 14 h 16 h 19

Recall scores (%)

NapWake

Ftime= 0,3 ns; Fcondition= 9,0 **

Richiamo delle coppie di parole ai tre tempi

Muto et al. 2005

***

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

h 14 h 16 h 19

KSS scores

NapWake

Ftempo= 1,4, ns; Fcondizione= 8,9 **

Punteggi KSS dei due gruppi ai tre tempi

Muto et al. 2005

Conclusioni (1)

• I sonnellini pomeridiani non hanno mostrato nel nostro studio significativi effetti sulla memoria di materiale verbale

NAPS ----------------- Prevalente composizione in NREM

• Evidenza a sfavore della relazione “one-to-one” sonno NREM-memoria dichiarativa

Differenze fra naps contenenti esclusivamente sonno NREM e naps contenenti anche sonno REM?

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

h 14 h 16 h 19

recall scores (%)

Nap noREM

Nap REM

Richiamo del materiale verbale al risveglio da naps con o senzasonno REM (almeno 10’)

*

• Sonnellini diurni contenenti almeno 10 minuti di sonno REM sembrano migliorare il ricordo di liste di parole al risveglio

• Presenza del REM = Completamento del ciclo ?

Conclusioni (2)

Messaggi riassuntivi

• Il sonno si è dimostrato efficace nel favorire il consolidamento di materiale appreso prima di dormire, indipendentemente dal tipo di materiale (“sleep effect”)

• Nessuna caratteristica del sonno (durata, collocazione, composizione in stati) si è rivelata necessaria e sufficiente a determinare lo “sleep effect”

•La ricerca sta attualmente considerando con molta attenzione gli aspetti di tipo architetturale e organizzativo (compartecipazione di sonno NREM e REM, cicli di sonno)