SONNO E VEGLIA

SONNO E VEGLIA
Fisiologia Umana AA 2013/2014
MED1-2
Prof. Aram Megighian
COSCIENZA
• Consapevolezza del mondo esterno ed
interno espressa verbalmente o per mezzo
di comportamenti non-verbali che
prescindono da semplici schemi stimolorisposta
VIGILANZA
• Capacità di reagire in maniera integrata agli
stimoli ambientali
• un individuo addormentato NON è vigile, ma
è cosciente del contenuto del sogno.
ATTENZIONE
• attenzione intensiva: funzione che modula la
vigilanza aumentando o riducendo la risposta
a tutti gli stimoli presenti
• attenzione specifica: funzione che aumenta
l’attenzione verso una specifica sorgente di
stimoli
• Coscienza, vigilanza ed attenzione dipendono
da:
• elaborazione delle informazioni: sistemi
specifici
• attivazione: sistemi di proiezione diffusa
ubicati nel tronco dell’encefalo e
nell’ipotalamo che determinano attivamente
l’alternanza di stati differenziati di coscienza
e vigilanza e il ciclo sonno-veglia
Sonno e mitologia
Sonno e morte
υπνοσ και θαϖατοσ
Sonno e e sogni
Un po’ di storia
•
•
•
•
Hans Berger - EEG
Moruzzi e Magoun - Sostanza reticolare attivante
Kleitman - fase REM del sonno
Steriade - registrazione intracellulare
Sonno e vertebrati
Sonno e invertebrati
deprivation
Per0
deprivation
deprivation
Definizione comportamentale del sonno
•
The universal way to define sleep is by behavioral criteria. These
include prolonged periods of quiescence; a reduced responsiveness
to external stimuli; rapid reversibility, which distinguishes sleep, for
example, from hibernation or coma; and homeostatic regulation –
the increased need for sleep that follows sleep deprivation. Another
characteristic of sleep is its independent regulation that is not
merely tied to the circadian clock. This refers to the fact that sleep
is clearly a circadian rhythm, but has more complex regulation.
Recently, an additional characteristic has been provided as a result
of the systematic screening of gene expression, where it has been
shown that the expression of certain genes is higher in waking than
in sleep in many brain regions. !
Ralph J. Greenspan et al, Trend in Neurosci., 24, 142, 2001
criteri per la definizione
del sonno/veglia
• periodi prolungati di riposo
• ridotta risposta agli stimoli esterni
• rapida REVERSIBILITA’ (vs. COMA)
• regolazione omeostatica (risposta da
deprivazione)
• Tracciato elettroencefalografico (ATTIVITA’
SINCRONIZZATA)
EEG
Origine dei segnali elettroencefalografici
–
+
–
+
minimo
Rm
I
–
Ra
Rex
II, III
IEPSP
+
+
+
+
+
+
+
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+
+
+
IV
Rm
V
+ +
+ +
+
+
+
+
+
+ +
+
VI
sorgente
assone proveniente
dal talamo
A
assone proveniente
dalla corteccia
controlaterale
B
© 2009 POLETTO EDITORE srl
Fisiologia e biofisica medica – quarta edizione
Figura 31.3 – Neuroni piramidali della corteccia e genesi delle onde EEG. A) Un potenziale postsinaptico eccitatorio (depolarizzante)
indotto da un’afferenza sinaptica nel terminale del dendrite apicale genera una corrente lungo il neurone piramidale. La sorgente di questa
corrente è a livello del soma e il recettacolo della corrente è a livello del terminale. B) Dipoli generati in neuroni piramidali da potenziali
postsinaptici eccitatori indotti da afferenze assosomatiche (a sinistra) o assodendritiche dirette al terminale del dendrite apicale. Nel primo
caso sulla superficie corrispondente del cuoio capelluto si registra una positività rispetto a un punto lontano, nel secondo una negatività.
Onde di polarità opposta sono generate da afferenze sinaptiche inibitorie.
Fasi del sonno ed EEG
EEG e fasi del sonno e ritmo alfa
RITMO ALFA
EEG e fasi del sonno
stage 3 - < 50% delta rithm
stage 4 - > 50% delta rithm
synchronization
Alpha
Alpha
desynchronization o reazione d’arresto
RIASSUMENDO
• Durante la veglia l’attività EEGrafica è
DESINCRONIZZATA
• Durante il sonno l’attività EEGrafica diviene
SINCRONIZZATA
• La sincronizzazione determina ONDE DI
UNA DETERMINATA FREQUENZA ED
AMPIEZZA
• stadio 1: onde theta, ridotta risposta agli
stimoli sensoriali; se risvegliato dichiara di non
essersi addormentato; improvvise contrazioni
muscolari; in individui deprivati dal sonno
compaiono brevi fasi di stadio 1 (microsonni)
• stadio 2: complessi k e fusi del sonno; se
risvegliati dichiarano di aver dormito
• stadio 3 e 4: ritmo delta
• fase REM: attività desincronizzata + movimenti
oculari rapidi + aumento della frequenza
cardiaca e respiratoria e della pressione.
Riduzione del tono muscolare
Klimesch VL: Bio II, WS 03,
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Alpha, 10 Hz
REM
REM
1 Sec.
50 µV
Slow Alpha, 8 Hz
fusi
EEG samples from two subjects, B.D. and H.J. The classification of EEG-
patterns is illustrated. Note spindles in stage 2 and slow Alpha at the occipital lead (O) during stage 1. F = Frontal, P = Parietal leads.
From the classical work of Dement & Kleitman (1957)
There are two different patterns of EEG during wakefulness as the following two
examples demonstrate. Only subject A shows large alpha activity during
wakefulness.
Subject A:
!
Subject B:
Awake, synchronized, preattentive Awake, Desynchronized, attentive performance
Stage I
Stage II
Stage III
Stage IV
REM
Note that the EEG during wakefulness differs between subject A and B. Only the
desynchronized EEG reflects a state of mental activity. Thus, the EEG stages I - IV
show a gradual slowing as compared to wakefulness (cf. the data for subject B).
L’ipnogramma
Ciclo REM - NREM
Un tracciato ipnografico si ottiene analizzando l’EEG
registrato ininterrottamente durante il sonno
Variazioni del sonno NREM-REM con l’età
Durata REM - NREM nella vita
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Sonno nei mammiferi marini
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Il test di risposta motoria allo
stimolo visivo mostra un tempo
di reazione fisiologico. Cioè
l’emisfero sveglio è
funzionalmente attento e
vigile
Durante il sonno REM:
• atonia (vedi EMG)
• movimenti oculari (vedi EOG)
• aumento del ritmo cardiaco
• aumento del ritmo respiratorio
Episodio di sonnanbulismo
Episodio di “terrore nel sonno”
Episodio di “attivo” sonno REM
la persona combatte
Come si comportano i neuroni corticali durante la veglia e il
sonno ?
Attività intracellulare da neurone corticale in veglia
Fig. 1.
Espanso
Steriade, M. et al. J Neurophysiol 85: 1969-1985 2001
Copyright ©2001 The American Physiological Society
Attività intracellulare da neurone corticale durante il sonno NREM e REM
Steriade, M. et al. J Neurophysiol 85: 1969-1985 2001
Fig. 4.
Allargato
* onda lenta
*
**
down state
up state
oscillazione lenta
Steriade, M. et al. J Neurophysiol 85: 1969-1985 2001
Copyright ©2001 The American Physiological Society
Oscillatore talamico
Sistemi neurochimici attivanti
•
Noradrenergico: facilita
l’attenzione selettiva
•
Serotoninergico: frena la
risposta impulsiva
•
Colinergico: aumenta
l’accuratezza del
riconoscimento degli
stimoli rilevanti
•
•
Istaminergico
•
Dopaminergico: aumenta
la velocità delle risposte
motorie
Glutammatergico
Capacità di rispondere agli stimoli esterni
• La soglia di risposta agli stimoli esterni
aumenta dallo stadio 1 al 4 del NREM e
rimane elevata durante il REM
NREM
•
la diminuzione del rilascio dell’acetilcolina rende i neuroni
talamici iperpolarizzati bloccando il flusso di segnali
attraverso il talamo
•
l’oscillazione lenta del potenziale dei neuroni corticali li
rende iperpolarizzati per centinaia di millisecondi
•
quindi anche stimoli che superano il talamo vengono
bloccati a livello corticale
•
le aree prefrontali e parietali (implicate nell’attenzione)
sono deattivate
REM
• nel REM il cancello talamico è aperto, ma
l’attenzione agli stimoli esterni è bassa
• si rivolge l’attenzione agli stimoli interni
• le aree prefrontali e parietali (attenzione a
stimoli esterni) rimangono deattivate (studi di
imaging)
Modifiche del metabolismo (=attività) cerebrale
durante il sonno
NREM
REM
sveglio
metabolismo elevato
metabolismo basso
Nature Neuroscience Reviews
Quali sono i circuiti funzionali implicati nel passaggio sonnoveglia ?
Ancora numerosi lati oscuri
Esistono 3 sistemi implicati nel
passaggio sonno-veglia; NREMREM
• sistema reticolare attivante (RAS)
• sistema ipotalamico del sonno (HSS)
• regione dorsale del bulbo e del ponte (REM)
• orologio circadiano
Orologio
circadiano
Sistema del sonno REM
Sistema
ipotalamico del
sonno HSS
Sistema reticolare
attivante RAS
Circuiti nervosi interessati al ritmo sonno/veglia
Sistema reticolare attivante
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Nell’uomo
Cerebellum
Encephale isole‘
Normal sleep-wake cycle including REM
Midpontine pre- trigeminal
Sleep-wake cycle without REM
Cerveau isole‘
SWS
Thalamus
Il RAS proietta in modo diffuso
RAS
•
•
vengono rilasciati tonicamente numerosi
neurotrasmettitori:
•
•
•
glutammato
acetilcolina
istamina
l’attivazione dei neuroni corticali e talamici avviene
bloccando i canali del potassio che divengono
quindi depolarizzati parzialmente e quindi più
inclini e pronti a scaricare
2 vie principali di proiezione delle vie
colinergiche
extratalamica tramite i
neuroni colinergici del
proencefalo basale
talamica
Nell’Alzheimer la perdita di queste cellule colinergiche si
accompagna ad un rallentamento dell’EEG
Proiezione colinergica
•
Nell’Alzheimer la perdita di queste cellule colinergiche si accompagna ad un
rallentamento dell’EEG
•
Farmaci anticolinergici (antidepressivi triciclici, atropina) possono dare
sedazione
•
Farmaci o sostanze colinergiche (nicotina) danno attivazione
Ipotalamo posteriore
• I neuroni (colinergici) del proencefalo basale
proiettano anche all’ipotalamo posteriore
dove si trovano le cellule istaminergiche del
nucleo tubero mammillare (TM) che
proiettano diffusamente alla corteccia e
sono molto attivi durante la veglia
• infusione di istamina dà attivazione
• lesione del nucleo TM riduce la durata della
veglia ed aumenta quella del sonno
RAS e noradrenalina
•
altri sistemi neuromodulatori (adrenergico e
serotoninergico) modificano la loro attività durante il
ciclo S/V
•
Locus coeruleus (NorA) proietta diffusamente ed è
massimamente attivo durante la veglia, meno durante
REM, silente nel NREM
•
•
La lesione non ha grossi effetti sul ritmo S/V
E’ importante nell’espressione genica durante il ritmo
S/V
RAS e serotonina
•
Nuclei del rafe (Serotonina) proiettnao diffusamente al
cervello
•
max frequenza di scarica durante la veglia, meno durante
il NREM, silenti durante il REM (vedi sistema NorA)
•
farmaci antiserotoninergici
Circuiti nervosi interessati al ritmo sonno/veglia
I sistemi che
promuovono il sonno
Encefalite letargica di Von Economo
Ipotalamo posteriore
neuroni che promuovono la veglia
Narcolessia
Ipotalamo anteriore
neuroni che
inibiscono quelli
posteriori
quindi promuovono
il sonno
VLPO area preottica ventrolaterale: neuroni
GABAergici
Il sistema del sonno REM
dorso pontomesencefalico
neuroni colinergici
La lesione elimina il REM
sono attivi assieme ai circuiti RAS durante la veglia e anche durante
il REM. Nel REM la RAS è fortemente inibita
Memoria e sonno REM
Riassumendo
Strutture coinvolte nel sonno e
nella veglia
III, oculomotor; IV, trochlear; VI,
abducens; AHC, anterior horn cell;
BIRF, bulbospinal inhibitory
reticular formation (for example,
gigantocellular tegmental field,
parvocellular tegmental field,
magnocellular tegmental field);
CT, cortical; LC, locus coeruleus;
LDT, laterodorsal tegmental
nucleus; mPRF, meso- and
mediopontine tegmentum (for
example, gigantocellular tegmental
field, parvocellular tegmental
field); P, peribrachial region; PGO,
ponto-geniculo-occipital; PPT,
pedunculopontine tegmental
nucleus; PT cell, pyramidal cell;
RAS, midbrain reticular activating
system; RN, raphe nuclei; TC,
thalamocortical.