1 Elettroencefalografia e ciclo sonno-veglia

1.1 Onde cerebrali

L’EEG permette la registrazione di potenziali elettrici correlati all’attività nervosa dell’encefalo: vennemesso a punto intorno al 1930 da Berger per poter studiare meglio l’epilessia. Il primo prototipo sibasava sul galvanometro a corda, fondamentalmente una bussola posta vicino ad un filo condut-tore: l’ago si spostava a causa dell’induzione magnetica in maniera proporzionale alla variazione dicorrente registrata. Usando questo strumento Berghel dimostrò che soggetti epilettici, anche a riposo,mostravano tracciati EEG caratterizzati da complessi punta-onda caratteristici.

Un dato importante e più generale che emerse però da questi studi è la differenza tra i vari statidi coscienza e sonno/veglia a livello dei tracciati; un soggetto rilassato ha il cervello dominato dalcosiddetto ritmo di Berger, oscillazioni con frequenza d’onda 8-12Hz e ampiezza 40 µV.

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Se il soggetto rilassato apre gli occhi questo ritmo di Berger, o ritmo alfa, viene immediatamentesostituito dal ritmo beta, con frequenza doppia (13-30Hz) e ampiezza dimezzata (20 µV):

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Il fenomeno di passaggio tra questi due ritmi venne definito desincronizzazione. Questo evento nonè legato alla sola apertura degli occhi, ma in generale all’attività corticale: si può evidenziare anchechiedendo di ricordare qualcosa. Se il soggetto si addormenta appare un nuovo tipo di profilo, il ritmodelta, con una frequenza molto bassa (0,5-2Hz) e ampiezza elevata:

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1.2 Fisiologia della registrazione EEG

Quando un neurone piramidale corticale si depolarizza c’è un ingresso di ioni sodio: inevitabilmentel’esterno diventerà più negativo. Questi neuroni hanno un loro orientamento spaziale, pertanto verràa crearsi una negatività superficiale direzionata che può essere misurata. Le due possibili misurazionisono:

Bipolare Si ipotizza che una popolazione neuronale B non sia depolarizzata: se pongo un elettrodonella popolazione A (depolarizzata) e un altro nella popolazione B io registrerò una differenza dipotenziale dovuta al fatto che una regione contiene un maggior numero di cariche negative.

Unipolare Un elettrodo viene posto nella popolazione di interesse (A) mentre l’altro viene posto in unpunto sufficientemente lontano da non generare o subire influenze: se la popolazione A non èeccitata la differenza di potenziale sarà nulla, altrimenti avrà un valore diverso da zero.

Dal punto di vista pratico sono parecchi i problemi da risolvere. Il primo è che i potenziali registratiin superficie sono piccolissimi perchè lontani dalla sede di origine: serve dunque un amplificatore suf-ficientemente potente da renderli significativi. Normalmente gli elettrodi vengono posizionati in modostandard secondo quello che è definito sistema internazionale 10/20. Il sistema viene usato in quan-to il cranio cambia molto a seconda del soggetto e quindi è necessario avere un sistema proporzionale.

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I punti di repere sfruttati sono il nasion, cioè l’attaccatura superiore del naso, e l’inion (perchè pro-tuberanza occipitale esterna non faceva abbastanza harry potter); il punto di mezzo tra questi due è ilvertice del cranio e viene sfruttato per dividere in quattro regioni il cranio grazie alla linea che passaper i due meati acustici esterni. Le quattro regioni vengono poi ulteriormente suddivise a seconda diquanti elettrodi saranno usati, solitamente da sedici a 128.Un secondo problema notevole dell’EEG è la sua ambiguità. Nel caso della registrazione bipolare nonè possibile riconoscere una iperpolarizzazione da una depolarizzazione: in effetti i potenziali registratinon sono potenziali d’azione ma potenziali postsinaptici. Quando si registra da un lato si avrà unacorrente in ingresso nel neurone ma da qualche parte questa deve uscire, quindi i fenomeni sonosempre accoppiati e questo impedisce di capire da un tracciato se una regione si sta depolarizzando insuperficie o in profondità.

Pur presentando i suoi problemi, l’EEG mostra chiaramente delle onde cerebrali, qual è la loro orig-ine? La spiegazione parte dal talamo, funzionalmente suddiviso in talamo a proiezione specifica(corpi genicolati e nucleo ventrale laterale posteriore) e talamo a proiezione diffusa (nuclei intralam-inari, nucleo centromediano). Negli anni ’50 si vide che stimolando il talamo specifico si ottiene unaprima risposta corticale, e aumentando questi stimoli si ottengono potenziali in aumento perchè saleil numero di neuroni attivati. La stimolazione del talamo aspecifico è diversa, innanzitutto perchèproduce effetti bilaterali, ma anche e soprattutto perchè una volta cessata la corteccia continua arispondere per tre o quattro volte senza altri impulsi, con la stessa frequenza che si otteneva durantela fase attiva dell’esperimento. Queste evidenze dimostrarono l’esistenza di circuiti riverberanti au-toalimentanti tra talamo e corteccia: questi circuiti sono sintonizzati grossomodo sul ritmo alfa. Se ilcervello non è dunque coinvolto in operazioni complesse viene guidato dal talamo e appare il ritmo alfa:appena vengono richieste delle attività mentali elaborate questa guida scompare e si ha la desincroniz-zazione verso il ritmo beta. L’instaurarsi del ritmo beta è legato al fatto che i neuroni non fanno piùtutti la stessa cosa contemporaneamente, ma ognuno segue i suoi compiti specifici, quindi la sincroniaè totalmente persa.

1.3 Ciclo sonno-veglia

Nel ’900 l’idea del sonno era di tipo negativo/passivo: si dorme quando il cervello stacca le afferenzesensoriali. L’idea moderna di sonno nacque con gli esperimenti di Moruzzi intorno al 1950: ci si accorseche tramite stimolazione elettrica della formazione reticolare nella porzione più rostrale era possibilesvegliare un animale addormentato. Iniziò così a diffondersi l’idea di un sonno non passivo: esisteun’area della formazione reticolare che mantiene la veglia e una che induce il sonno. Gli esperimentipiù convincenti condotti in questo campo furono però fondamentalmente due:

• Privazione delle vie sensitive: l’animale non dormiva, cioè si dimostrò che non è l’assenza diinformazioni sensitive a generare il sonno.

• Privazione della formazione reticolare rostrale: l’animale non dormiva più o aveva un ciclo sonno-veglia sconvolto.

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Verso la fine degli anni ’50 le cose si complicarono ulteriormente quando ci si accorse che gli EEG di ungatto addormentato mostravano, dopo una fase ad onde lente, una desincronizzazione uguale a quelladella veglia. Quando il gatto si trovava in questa fase del sonno lo stimolo richiesto per risvegliarlo eramolto più intenso: questa fase venne all’epoca chiamata sonno paradosso. L’avanzare delle conoscenzeha portato a dividere il sonno in quattro fasi:

1. Veglia

2. Ritmo teta

3. Ritmo delta

4. Sonno REM

Queste fasi si seguono una all’altra secondo un ritmo molto preciso.Dal KandelIl sonno viene diviso in due fasi: fase non-REM e fase REM. La fase non-REM viene a sua volta divisain quattro fasi:

• Fase 1: transizione da veglia a inizio del sonno

• Fase 2: apparizione di onde sinusoidali (fusi del sonno) e complessi K

• Fase 3: Apparizione del ritmo delta distinto

• Fase 4: Aumento dell’attività ad onde lente

Durante il sonno REM parecchi parametri vegetativi vengono alterati ed è possibile osservare movi-menti oculari rapidi assenti nelle altre fasi. Le alterazioni più evidenti sono nella frequenza cardiaca,respiratoria e nella pressione arteriosa. In questa fase del sonno compaiono anche oscillazioni detteonde ponto-genicolo-occipitali che sono correlate ai movimenti oculari. Una caratteristica fondamen-tale della fase REM è la completa atonia muscolare: se così non fosse ci si muoverebbe di continuoseguendo le tempeste elettriche che avvolgono il cervello; in questa fase infatti la desincronizzazionecorticale è evidente e la soglia al risveglio molto alta. In fase REM la termoregolazione viene persa,la temperatura corporea scende e le risposte alle condizioni climatiche vengono perse: ad esempiovengono aboliti i brividi.

Il sonno REM è presente in animali di basso livello evolutivo, e la sua privazione porta a turbe dellapersonalità e a perdita della termoregolazione fino alla morte. Esistono due ipotesi che giustificanola totale dipendenza dal sonno: la prima sostiene che il sonno serve a fissare i ricordi nel cervello,la seconda che sia fondamentale per mantenere la termoregolazione facendo un reset del termostatointerno. Il fatto di possedere un periodo con assenza di termoregolazione potrebbe essere un indizio afavore della seconda teoria. Il sonno non-REM ha invece ruolo ristoratore, ed è quella fase del sonnoche se interrotta non causa particolari sbalzi di umore: se viene interrotto il sonno REM il soggetto saràdi pessimo umore. Le due fasi del sonno sono intervallate in modo regolare: nelle prime fasi del sonnosi dorme ad onde lente, nella seconda soprattutto a sonno REM.

Il ciclo sonno-veglia fa parte di quella serie di cicli biologici che regolano la nostra vita, tra i qualiil principale è il ritmo circadiano, cioè quello delle ventiquattro ore. Questo ritmo è determinato dauna sorta di orologio interno che sfrutta come informazione principale il passaggio dalla luce al buio:ogni volta che avviene questo passaggio il meccanismo però tenderebbe ad allungarsi e ha bisogno diun reset. Il reset è fornito dal nucleo soprachiasmatico dell’ipotalamo che viene attivato in mododiverso di giorno e di notte: durante la fase notturna infatti questo nucleo è molto meno attivo. Un

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soggetto privato di informazioni sull’ambiente esterno tende ad allungare il periodo delle 24 ore e quindipensa di aver vissuto meno giorni in questa condizione.

Il pattern di distribuzione sonno-veglia è diverso nelle varie fasi della vita e lo è anche la distribuzionedelle varie fasi all’interno del sonno. Un neonato dorme circa sedici ore al giorno ma in modo fram-mentato e di queste ore circa la metà è di tipo REM. Il sonno REM diminuisce in proporzione con lacrescita: calano sia le ore di sonno che le ore di sonno REM, ma queste ultime in proporzione molto dipiù e raggiungono un minimo verso i quarant’anni.

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