Il rumore cerebrale contiene la firma unica del sogno
La prima misurazione EEG del sonno REM che consente agli scienziati di distinguere il sogno dalla veglia.
Il sonno onirico o REM si distingue per il rapido movimento degli occhi e l'assenza di tono muscolare, ma le registrazioni dell'elettroencefalogramma (EEG) sono indistinguibili da quelle di un cervello sveglio.
I neuroscienziati hanno ora trovato una firma EEG del sonno REM, consentendo agli scienziati per la prima volta di distinguere il sogno dalla veglia attraverso la sola attività cerebrale.
Questo potrebbe aiutare a determinare la prognosi per i pazienti in coma e consentire lo studio dell'impatto dell'anestesia sul sogno.
Quando sogniamo, il nostro cervello è pieno di rumorosa attività elettrica che sembra quasi identica a quella del cervello sveglio.
Ma i ricercatori dell'Università della California, Berkeley, hanno estratto un segnale dal rumore che definisce in modo univoco il sogno, o sonno REM, rendendo potenzialmente più facile monitorare le persone con disturbi del sonno, così come i pazienti in coma incosciente o quelli sotto anestesia.
Ogni anno, centinaia di migliaia di persone si sottopongono a studi durante la notte per diagnosticare problemi con il sonno, la maggior parte di loro è collegata a un elettroencefalogramma (EEG) per monitorare l'attività cerebrale mentre progredisce dalla veglia al sonno profondo a onde lente e al sonno REM .
Ma i soli EEG non possono dire se un paziente è sveglio o sta sognando: i medici possono distinguere il sonno REM solo registrando il movimento rapido degli occhi - da cui il nome - e il tono muscolare, poiché i nostri corpi si rilassano in una paralisi generale per impedirci di agire i nostri sogni.
"Ora abbiamo davvero una metrica che ti dice precisamente quando sei nel sonno REM. È una metrica universale dell'incoscienza", ha detto Robert Knight, professore di psicologia e neuroscienze alla UC Berkeley e autore senior di un articolo che descrive la ricerca che è stata pubblicato sulla rivista online eLife.
"Queste nuove scoperte mostrano che, sepolto nell'elettricità statica del cervello umano, c'è qualcosa di assolutamente unico: una semplice firma", ha detto il coautore e ricercatore del sonno Matthew Walker, professore di psicologia e neuroscienze alla UC Berkeley.
"E se misuriamo quella semplice firma elettrica, per la prima volta, possiamo determinare esattamente quale stato di coscienza sta vivendo qualcuno: sogno, completamente sveglio, anestetizzato o in sonno profondo".
La capacità di distinguere il sonno REM per mezzo di un EEG consentirà ai medici di monitorare le persone sotto anestesia durante l'intervento chirurgico per esplorare come l'incoscienza indotta da narcotici differisce dal sonno normale - un quesito ancora irrisolto. Questo è il motivo principale per cui la prima autrice Janna Lendner, una specialista in anestesiologia, ha avviato lo studio.
"Spesso diciamo ai nostri pazienti che, 'Adesso andrai a dormire', ed ero curiosa di sapere quanto questi due stati si sovrappongano effettivamente", ha detto Lendner, borsista post-dottorato della UC Berkeley al suo quarto anno di specializzazione in anestesiologia presso la University Medical Centro a Tubinga, Germania.
"L'anestesia può avere alcuni effetti collaterali. Se impariamo un po 'su come si sovrappongono - forse l'anestesia dirotta alcuni percorsi del sonno - potremmo essere in grado di migliorare l'anestesia a lungo termine".
Il sonno calma il cervello
Il sonno, come ha scritto Walker nel suo libro del 2017, "Why we Sleep", "arricchisce una varietà di funzioni, inclusa la nostra capacità di apprendere, memorizzare e prendere decisioni e scelte logiche. Al servizio della nostra salute psicologica, il sonno ricalibra i nostri circuiti cerebrali emotivi , permettendoci di affrontare le sfide sociali e psicologiche del giorno successivo con calma. "
Il sonno disturbato interferisce con tutto questo, aumentando il rischio di malattie mediche, psichiatriche e neurologiche.
La maggior parte della ricerca sul sonno si concentra sulle onde sincronizzate e ritmiche che scorrono attraverso la rete neurale del cervello, dalle onde lente che segnalano il sonno profondo, tipicamente nelle prime ore della notte, alle onde a frequenza più alta tipiche del sonno onirico. Queste onde emergono al di sopra di molte attività generali, chiamate anche 1 / f, che sono state generalmente liquidate come rumore e ignorate.
Ma Knight e il suo laboratorio hanno esaminato questo "rumore" per un decennio e hanno scoperto che contiene informazioni utili sullo stato del cervello. Nel 2015, ad esempio, lui e Bradley Voytek, un ex studente di dottorato ora alla facoltà della UC San Diego, hanno scoperto che la quantità di attività ad alta frequenza aumenta con l'età.
Lendner ha ora scoperto che un abbandono più rapido dell'attività ad alta frequenza, rispetto all'attività a bassa frequenza, è una firma unica del sonno REM.
"C'è questa attività di fondo, che non è ritmica, e l'abbiamo trascurata per un periodo piuttosto lungo", ha detto Lendner. "A volte, è stato chiamato rumore, ma non è rumore; trasporta molte informazioni, anche sul livello di eccitazione sottostante. Questa misura rende possibile distinguere il sonno REM dalla veglia guardando solo l'EEG."
Poiché le onde lente sono associate all'inibizione dell'attività cerebrale, mentre l'attività ad alta frequenza - come quella riscontrata durante la veglia - è associata al comportamento eccitatorio, il calo più acuto può essere un'indicazione che molte attività nel cervello, comprese quelle legati al movimento muscolare, vengono compressi durante il sonno REM.
La nuova misura quantifica la relazione dell'attività cerebrale a diverse frequenze - quanta attività c'è a frequenze da circa 1 ciclo al secondo a 50 cicli al secondo - e determina la pendenza, ovvero la velocità con cui lo spettro scende. Questo "abbandono" 1 / f è più acuto nel sonno REM che nella veglia o sotto anestesia.
Lendner ha trovato questa misura caratteristica nell'attività cerebrale notturna di 20 persone registrate tramite elettrodi EEG del cuoio capelluto nel laboratorio del sonno di Walker UC Berkeley e in 10 persone che avevano elettrodi posizionati nel loro cervello per cercare le cause dell'epilessia come prologo necessario alla chirurgia cerebrale per alleviare le convulsioni.
Ha anche registrato l'attività cerebrale in 12 pazienti con epilessia e in altri 9 pazienti sottoposti a chirurgia spinale con il comune anestetico generale Propofol.
Lendner sta ora esaminando le registrazioni cerebrali dei pazienti in coma per vedere come varia la loro attività cerebrale nel corso della giornata e se il drop-off 1 / f può essere utilizzato per indicare la probabilità di emergenza dal coma.
"Ancora più importante, penso che sia un'altra metrica per valutare gli stati di coma", ha detto Knight. "1 / f è molto sensibile. Potrebbe risolvere, ad esempio, il dubbio se qualcuno è in uno stato di coscienza minimo, e non si muove, e se è più vigile di quanto pensi che sia."
Reference:
Janna D Lendner, Randolph F Helfrich, Bryce A Mander, Luis Romundstad, Jack J Lin, Matthew P Walker, Pal G Larsson, Robert T Knight. An electrophysiological marker of arousal level in humans. eLife, 2020; 9 DOI: 10.7554/eLife.55092
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