Comprendere i ruoli dell'attività centrale e autonomica durante il sonno nel miglioramento della memoria di lavoro e della memoria episodica - Parte 2

Il sonno modula l'attività del sistema nervoso autonomo

La transizione dalla veglia al sonno produce il più grande cambiamento nell’attività autonomica che sperimentiamo ogni giorno. Il sonno non è un evento uniforme e la sua caratterizzazione in fasi organizzate mostra profili specifici nell'attività centrale e autonomica durante ciascuna fase. Durante una notte di sonno, il cervello umano attraversa due fasi principali: il sonno NREM e il sonno REM (movimento rapido degli occhi).

Negli ultimi anni, la connessione tra sonno e memoria ha attirato molta attenzione da parte dei ricercatori. La ricerca mostra che il sonno gioca un ruolo importante nella funzione di memoria delle persone.

Il sonno umano è diviso in due stati: REM (sonno con movimenti oculari rapidi) e NREM (sonno con movimenti oculari non rapidi). Tra questi, il sonno NREM è una fase molto importante, che comprende quattro fasi: uno, due e tre.

Durante il sonno NREM, il cervello umano rafforza la memoria attraverso stimolazioni ripetute e trasferisce le informazioni alla memoria a lungo termine. Pertanto, è molto importante per le persone che desiderano migliorare la propria memoria avere abbastanza sonno NREM.

Allo stesso tempo, il sonno NREM può anche promuovere il metabolismo del corpo, aiutare a ripristinare le funzioni del corpo e migliorare l'immunità del corpo. Pertanto, garantire un sonno NREM adeguato non è solo vantaggioso per migliorare la memoria, ma è anche una condizione necessaria per mantenere una buona salute.

Per garantire un sonno NREM adeguato, dovremmo sviluppare buone abitudini di sonno, come controllare l’ora della cena e ridurre l’esercizio fisico intenso e le attività serali faticose. Inoltre, rilassarsi prima di addormentarsi può aiutarci a entrare più velocemente nel sonno NREM.

Tutto sommato, il sonno NREM svolge un ruolo indispensabile e importante nella memoria umana e nella salute fisica. Migliorare la qualità del sonno e garantire un sonno NREM adeguato avrà un impatto positivo sulla nostra vita e sul nostro lavoro. Cominciamo ora a sviluppare sane abitudini di sonno e ad accogliere un domani migliore! Si può vedere che dobbiamo migliorare la nostra memoria. La Cistanche deserticola può migliorare significativamente la memoria perché la Cistanche deserticola è un materiale medicinale tradizionale cinese con molti effetti unici, uno dei quali è quello di migliorare la memoria. L'efficacia della carne macinata deriva dai vari principi attivi che contiene, tra cui acidi, polisaccaridi, flavonoidi, ecc. Questi ingredienti possono favorire la salute del cervello in vari modi.

Fai clic su Conosci 10 modi per migliorare la memoria

Il sonno NREM è ulteriormente suddiviso negli stadi 1, 2 e 3 (o sonno a onde lente) (53). La fase 1 del sonno è uno stato di transizione dalla veglia al sonno e costituisce il 3% del sonno notturno di un adulto. Circa il 60% del sonno adulto è rappresentato dallo stadio 2, caratterizzato da eventi elettrofisiologici distinti denominati fusi del sonno e complessi K. Lo stadio 3, o sonno a onde lente (SWS), costituisce circa il 20% del sonno ed è caratterizzato da oscillazioni lente e di elevata ampiezza chiamate oscillazioni lente (SOs,<1 Hz) and slow-wave activity (SWA, 0.5 to 2 Hz). In NREM sleep, cholinergic systems in the brainstem and forebrain become markedly less active; firing rates of LC–NE and serotonergic Raphe neurons are also reduced, compared to waking levels
(54). 

Tuttavia, il dogma convenzionale sulla relativa quiescenza dei neuroni LC-NE durante il sonno NREM è stato messo in discussione dall'evidenza di un aumento transitorio dell'attività LC-NE durante il sonno NREM (55). Uno studio simultaneo di elettroencefalogramma (EEG) e MRI funzionale (fMRI) negli esseri umani ha inoltre rivelato che l’aumentata attività fasica del nucleo LC è temporalmente correlata alle transizioni SO dal basso verso l’alto (55, 56), suggerendo una dinamica neuromodulatrice più complessa durante Sonno NREM. L’attività dei neuroni LC-NE durante il sonno NREM è potenzialmente rilevante per comprendere come l’attività autonomica durante questo periodo di sonno possa contribuire al miglioramento cognitivo.

Dopo un periodo di SWS, il cervello passa al sonno REM, che costituisce circa il 20% del sonno umano ed è caratterizzato da improvvisi scoppi di movimenti oculari e da movimenti alfa (da 8 a 12 Hz) e theta (da 4 a 4 Hz) più veloci e di bassa ampiezza. 8 Hz) oscillazioni. Durante il sonno REM, entrambe le popolazioni aminergiche sono fortemente inibite, mentre i sistemi colinergici diventano più attivi rispetto ai livelli di veglia (57). La transizione attraverso la fase 2, SWS e REM avviene in cicli da 90- a 100- minuti durante la notte, con la prima metà della notte dominata dal sonno SWS e la seconda metà della notte dominata dal sonno REM (58).

Nei siti periferici, la transizione dalla veglia allo SWS è associata ad un calo significativo della frequenza cardiaca e della pressione sanguigna, nonché ad un aumento della dominanza di HF-HRV (59, 60). Il calo della pressione sanguigna durante il sonno NREM rispetto alla veglia è benefico per la salute cardiovascolare, portando alcuni esperti a descrivere il sonno come una "vacanza cardiovascolare" (61). L’SWS, in particolare, è un periodo di quiescenza cardiovascolare e può rappresentare un’opportunità per il sistema cardiovascolare di riprendersi dagli insulti diurni, come gli sbalzi di pressione sanguigna indotti dallo stress. Infatti, uno studio che ha confrontato la quantità di SWS e i marcatori subclinici di malattia cardiovascolare ha rilevato che i partecipanti che hanno sperimentato un SWS maggiore hanno mostrato marcatori di malattia cardiovascolare più bassi dopo lo stress cardiovascolare (62), suggerendo che il SWS può tamponare le risposte autonome allo stress diurno che può modificare il rischio di malattia.

Inoltre, il sonno, piuttosto che gli effetti circadiani, sembra influenzare l'attività del sistema nervoso autonomo, poiché sono stati mostrati profili HRV simili nel sonno diurno e notturno (63), il che potrebbe anche indicare che i sonnellini diurni servono come una mini vacanza cardiovascolare. Inoltre, uno studio che ha confrontato i profili HRV durante un pisolino di 50-minuto rispetto al riposo in posizione supina ha riportato una dominanza del parasimpatico solo durante il sonno e non durante il riposo tranquillo, indicando che i benefici cardiovascolari sono specifici del sonno (64).

Gli studi hanno rivelato un'interdipendenza coerente tra l'attività cardiaca e quella cerebrale, con cambiamenti temporalmente coincidenti nella potenza delta dell'EEG (da 0, da 5 a 4 Hz) e nell'attività del SNA (65–70). Le modulazioni dell'HRV sono così strettamente associate all'insorgenza di SWS che possono essere utilizzate come parametro per rilevare automaticamente SWS (71). Inoltre, la potenza della banda delta, un indicatore del drive omeostatico del sonno che si dissipa nei successivi periodi NREM, mostra un accoppiamento inverso con il rapporto LF/(LF+HF) durante il sonno notturno. Generalmente, il rapporto LF/(LF+HF) aumenta durante il sonno REM e diminuisce durante SWS (Fig. 1A) (66), indicando una maggiore attività simpatica durante il sonno REM, con livelli di frequenza cardiaca e pressione sanguigna che raggiungono valori simili alla veglia (72 ).

L'attività parasimpatica/vagale durante il sonno NREM e l'attività simpatica durante il sonno REM possono superare i livelli medi di veglia tranquilla (72). La Fig. 1B mostra lo spettro di potenza degli intervalli RR durante la veglia tranquilla, lo stadio 2, il sonno SWS e il sonno REM (Fig. 1B) (73). Più recentemente, l’aumento causale di SWA tramite la stimolazione acustica dei SO ha comportato un aumento dell’attività vagale (misurata da HF-HRV e SDNN) durante il SWS rispetto alla stimolazione fittizia (74), suggerendo una forte interdipendenza tra l’attività vagale e gli eventi oscillatori lenti dell’EEG durante il SWS.

Considerando livelli di analisi più precisi dal punto di vista temporale, è stato dimostrato l'accoppiamento tra singoli eventi del SNA e del SNC, come i battiti cardiaci e gli SO dell'EEG nel sonno profondo (75). Utilizzando un approccio di correlazione incrociata, Thomas et al. (69) hanno mostrato una relazione temporale tra SWA e accoppiamento cardiopolmonare ad alta frequenza (da 0,1 a 0,4 Hz), un biomarcatore di sonno stabile derivato dall'ECG, durante il sonno NREM. Diversi studi hanno anche riportato l'accoppiamento tra eventi autonomici e centrali per cui brevi esplosioni di frequenza cardiaca coincidono temporalmente con aumenti transitori di SO durante il sonno NREM (73, 76). Rembado et al. hanno registrato potenziali evocati vagali, manifestati come afferenze vagali alla corteccia cerebrale in risposta alla VNS, nel cervello delle scimmie macaco durante diversi stati di coscienza (77). È stato riportato che i potenziali evocati vagali sono dal 300 al 500% più grandi durante il sonno NREM, rispetto al sonno REM e alla veglia (Fig. 1C) (77) e, criticamente, i potenziali evocati vagali durante il sonno NREM erano più grandi per gli stimoli erogati nella zona depolarizzata fase di oscillazioni delta in corso, suggerendo uno stretto accoppiamento temporale tra eventi del SNA e del SNC. Questi risultati dimostrano che le dinamiche del SNC-SNA supportano l’interdipendenza tra la funzione corticale e quella cardiaca durante il sonno. Inoltre, considerati insieme ai risultati degli studi sull’HRV durante la veglia, i picchi naturali dell’attività parasimpatica durante l’SWS suggeriscono che i profili HRV durante il sonno potrebbero spiegare un certo grado di miglioramento cognitivo.

Sia il SWS che il tono vagale traggono beneficio dalla WM

Rispetto alla veglia, il sonno tra le sessioni di allenamento della WM può essere fondamentale per migliorare le prestazioni della WM (78–82), potenzialmente a causa dell’effetto dei SO (83–85) (Appendice SI, Fig. S2A). Inoltre, uno studio recente che utilizza la stimolazione acustica dell'SO durante il sonno notturno ha riportato che la stimolazione ha migliorato la WM come risultato di un aumento dello SWA, rispetto agli individui il cui SWA non era aumentato (86). Non tutti gli studi, tuttavia, trovano un'associazione positiva tra le caratteristiche EEG del SWS e il miglioramento della WM (78, 81). Una potenziale ragione per la mancanza di risultati coerenti potrebbe essere in parte legata al fatto che pochi studi misurano l’attività del sistema nervoso autonomo durante il sonno e quindi non tengono conto del contributo del sistema nervoso autonomo al cambiamento delle prestazioni. Uno studio recente ha tenuto conto dell'attività sia autonomica che centrale durante un periodo di sonno in cui la WM dei soggetti è stata testata prima e dopo un periodo di sonno (78) (Appendice SI, Fig. S2B). In questo studio, i partecipanti hanno eseguito il compito di durata operativa al mattino e alla sera. Durante il periodo di interesse, i soggetti hanno sperimentato un pisolino o una veglia tranquilla con la registrazione dell'EEG e dell'ECG (78). I risultati hanno mostrato che HF-HRV durante SWS prediceva il miglioramento della WM in giovani adulti sani, in misura maggiore rispetto a HF-HRV durante la veglia o rispetto ad altre caratteristiche SWS, inclusi SO o SWA. Questi risultati suggeriscono che, insieme agli eventi EEG del SWS, anche l’attività vagale naturalmente elevata durante il SWS supporta il miglioramento della WM nei giovani adulti.

Sebbene i meccanismi di miglioramento della WM dipendenti dal sonno rimangano sfuggenti, sulla base del quadro attuale, i SO e l’attività vagale possono facilitare il miglioramento della WM aumentando l’efficienza e l’automaticità prefrontale nelle reti inibitorie prefrontali-sottocorticali. Nello specifico, gli input vagali aumentano l'attività fasico-NE prefrontale mentre i SO regolano il potenziamento delle sinapsi corticali. Ancora più interessante, Eschenko et al. ha mostrato che i neuroni LC si attivano durante la transizione dal basso verso l'alto, mentre i neuroni prefrontali mediali si attivano al picco dei SO (87), che corrisponde al momento di massima eccitabilità corticale durante gli stati up, suggerendo che nelle interazioni prefrontale-LC, LC guida l'attività prefrontale. È stato ipotizzato che gli SO potenzino le sinapsi che erano depresse a causa dell'attività persistente durante il giorno precedente e che il potenziamento fornisca una base fisiologica per il miglioramento della memoria dipendente dal sonno (88). Nel loro insieme, livelli ottimali di NE durante il sonno potrebbero supportare le prestazioni della WM del giorno successivo potenziando l’attività prefrontale della WM e quindi migliorando l’efficienza della WM prefrontale-striatale.

Un'altra possibilità è che i SO e l'attività vagale facilitino la WM mediante l'eliminazione delle placche tau/beta-amiloide nelle reti delle funzioni esecutive prefrontali-sottocorticali, guidate dall'attività fasica LC-NE (afferenze vagali) e dai SO (35). Anche tra gli individui che si comportano entro il range normale del funzionamento cognitivo, l’accumulo di tau mesio-temporale è associato a prestazioni cognitive peggiori (89). Questo studio ha utilizzato un test standardizzato per misurare le prestazioni cognitive, che non ci consente di dissociare l’impatto della tau sulla WM di per sé. Sono necessarie ulteriori ricerche per capire se la clearance glinfatica sia veramente coinvolta nei miglioramenti quotidiani della WM dipendenti dal sonno nel cervello sano, o se possano essere coinvolti anche altri meccanismi, incluso il ripristino dell’omeostasi sinaptica mediato dalla SO (90) o l’aumento massima efficacia sinaptica (91).

Passiamo ora alla questione della LTM, per la quale ampie prove supportano il ruolo dell'SWS specificamente nel consolidamento delle memorie episodiche dipendenti dall'ippocampo. Tuttavia, le prove di un potenziale ruolo dell’attività del sistema nervoso autonomo durante il sonno in questo processo rimangono scarse, una lacuna che potrebbe avere valore esplicativo.

Contributi del sistema nervoso centrale e nervoso autonomo alla memoria a lungo termine

La memoria episodica dipendente dall'ippocampo si riferisce al ricordo cosciente di informazioni specifiche al momento e al luogo di acquisizione (92). Una crescente letteratura supporta il ruolo del sonno nel consolidamento delle memorie episodiche e ha identificato un ruolo critico per specifici eventi elettrofisiologici durante il sonno NREM (93). Sebbene vi sia un ampio dibattito su come le esperienze recenti siano rappresentate e trasformate nelle riserve corticali e sottocorticali a lungo termine (94-96), vi è consenso sul fatto che l’ippocampo sia un sistema ad apprendimento rapido che lega le esperienze recenti in rappresentazioni attraverso diversi sistemi corticali. strutture durante la codifica (93).

Durante il consolidamento, la riattivazione ripetuta stabilizza e rafforza le tracce di memoria, essendo il sonno un periodo offline ottimale per il consolidamento poiché facilita il dialogo tra l'ippocampo e la neocorteccia (93). Nello specifico, durante il sonno NREM, la traccia della memoria viene riattivata da increspature a onde acute dell'ippocampo annidate all'interno dei fusi talamici, che sono a loro volta annidati nella transizione dal basso verso l'alto del SO, fornendo un percorso per la comunicazione neurale tra le cellule neocorticali e ippocampali. assemblee. Recentemente è stato riconosciuto che i fusi svolgono un ruolo causale nel consolidamento della memoria dipendente dall'ippocampo attraverso la farmacologia (97) e la riattivazione mirata della memoria (98). Mednick et al. (97) hanno confrontato zolpidem, un agonista GABA-A a breve durata d'azione, con un placebo e un ipnotico di controllo positivo (sodio oxibato) durante una notte di sonno. Rispetto ai controlli, zolpidem ha aumentato i fusi del sonno e ha migliorato la memoria verbale episodica dipendente dall’ippocampo, e i fusi stimolano i miglioramenti della memoria mediati. Altri studi farmacologici hanno confermato questi risultati (99), implicando che le modulazioni GABAergiche della rete talamocorticale siano importanti per la formazione della LTM.

Nonostante l’elenco crescente di studi che dimostrano un ruolo dell’attività del sistema nervoso autonomo nelle funzioni esecutive e nella WM, i collegamenti con la LTM sono scarsamente riportati e nessuno studio ha approvato specificamente un ruolo del sistema nervoso autonomo durante il sonno nella LTM episodica dipendente dall’ippocampo. Uno studio ha dimostrato che il miglioramento notturno della memoria procedurale non dipendente dall'ippocampo era correlato con LF-HRV e SDNN durante il sonno (100). Inoltre, l'attività parasimpatica (HF-HRV) durante il sonno REM ha fortemente predetto il miglioramento del priming implicito in un compito di creatività (101). Anche gli studi che esaminano l’impatto dell’HRV durante la veglia sulla LTM episodica mostrano risultati contrastanti. Uno studio ha dimostrato che le persone con scarso funzionamento autonomo vagale (bassa HRV a riposo) mostrano maggiori errori di falsa memoria (102). Inoltre, è stato dimostrato che il tono vagale cardiaco è correlato positivamente con una migliore memoria per stimoli emotivamente carichi (103, 104), sebbene senza alcuna relazione con la memoria per stimoli neutri. Al contrario, diversi studi hanno dimostrato che l’HRV durante la veglia non predice le prestazioni della memoria episodica (105-107). Nel loro insieme, il quadro emergente del ruolo degli input del SNC e del SNA per il potenziamento cognitivo è che il SWS è uno stato cerebrale ottimale per la stabilizzazione di ricordi episodici, a lungo termine e non emotivi, nonché per il miglioramento della funzione esecutiva, ma non necessariamente attraverso gli stessi meccanismi.

Come interagiscono la memoria di lavoro e quella a lungo termine durante il sonno?
Sebbene gli studi abbiano dimostrato che sia l’SWS (inclusi SWA e SO) che l’attività vagale durante l’SWS contribuiscono alla WM e che i complessi SO-fusibile-ondulazione contribuiscono alla LTM episodica, la relazione tra WM e LTM episodica rimane poco chiara. Da un lato, gli studi hanno mostrato associazioni positive tra WM e LTM, in modo tale che la WM aumenta il riconoscimento della LTM e la capacità della WM limita la codifica della LTM (108). D'altra parte, Hoskin et al. hanno dimostrato che la riattivazione della memoria episodica durante la veglia interferisce con il mantenimento della WM (109). Nello specifico, i partecipanti hanno imparato elenchi di parole e sono stati testati immediatamente dopo la codifica (WM a breve termine) o hanno eseguito un compito di distrazione durante il quale la memoria episodica è stata ripristinata (riattivazione LTM). Hanno dimostrato che il periodo di ritardo introduceva informazioni aggiuntive che influenzavano negativamente il mantenimento della WM. Ciò suggerisce che modelli di attività coordinati attraverso un’ampia fascia di regioni corticali, inclusa la corteccia prefrontale, attivati ​​dalla riattivazione della memoria, potrebbero sottrarre risorse al mantenimento della WM. Pertanto, la WM e la memoria episodica possono essere supportate da meccanismi neurali separati e potenzialmente competitivi, vale a dire rispettivamente la rete prefrontale-sottocorticale LC-NE e la rete ippocampale talamocorticale GABAergica.

A livello neuromodulatore, insieme al potenziamento LC-NE della WM (studi VNS), studi sugli animali hanno implicato questo sistema durante e immediatamente dopo la codifica di nuove esperienze (110, 111) e nell’espressione genica dipendente dalla veglia che regola il potenziamento sinaptico che supporta l’apprendimento ( 112). Tuttavia, mentre l'inattivazione reversibile della LC durante il compito del labirinto acquatico di Morris ha dimostrato significativi deficit nella codifica della memoria spaziale e nella WM, il consolidamento e la conservazione della memoria spaziale non sono stati influenzati (113). Insieme, questi risultati suggeriscono che il sistema LC-NE può svolgere un ruolo importante nell’acquisizione precoce di nuove esperienze e nell’efficienza del controllo cognitivo, ma non nel consolidamento e nel recupero della LTM.

Negli esseri umani, recenti scoperte nella letteratura tVNS hanno confermato un ruolo funzionale selettivo del sistema LC-NE nel controllo cognitivo, ma non nella LTM. Una meta-analisi di 19 studi tVNS (114) ha mostrato effetti significativi del tVNS acuto sul controllo inibitorio cognitivo, in particolare all’aumentare della difficoltà del compito, ma nessuna prova a sostegno dell’efficacia del tVNS sulle prestazioni LTM, sull’attenzione o su altri domini cognitivi. Nello specifico, Mertens et al. (115) hanno scoperto che la tVNS non ha influenzato la memoria di riconoscimento delle parole né immediata né ritardata negli adulti giovani e di mezza età. Inoltre, utilizzando la farmacologia, Lozano-Soldevilla et al. (116) hanno somministrato una benzodiazepina GABAergica (lorazepam) ad adulti sani e hanno riportato diminuzioni dose-dipendenti della WM, guidate dalla diminuzione della potenza gamma e alfa, suggerendo una relazione antagonista tra GABA e le reti prefrontali-sottocorticali LC-NE.

La competizione tra queste reti può essere particolarmente diffusa durante il sonno offline (117, 118). Durante le increspature dell'ippocampo, le firme della riproduzione LTM e il consolidamento, Logothetis et al. (117) hanno dimostrato disattivazioni nelle regioni del tronco cerebrale che regolano il sistema nervoso autonomo. Questi affascinanti risultati possono significare che durante il consolidamento della memoria dipendente dal sonno, i complessi ondulazione/fuso possono orchestrare uno stato di interazione privilegiato tra ippocampo e corteccia silenziando l'output dalle regioni diencefalica, mesencefalica e del tronco encefalico (Appendice SI, Fig. S3). È interessante notare che la disattivazione dei gangli della base, della regione pontina e della corteccia cerebellare è coerente con precedenti prove di competizione tra i sistemi di memoria episodica e procedurale (119). Nella direzione opposta, Novitskaya et al. (118) hanno aumentato sperimentalmente la NE mediante stimolazione fasica-LC e hanno bloccato la generazione di fusi corticali associati all'ondulazione, interferendo così con il consolidamento spaziale della LTM. Inoltre, Marzo et al. (120) hanno dimostrato che la stimolazione fasica del LC in ratti anestetizzati sopprimeva temporaneamente i fusi evocando picchi sostenuti nella corteccia prefrontale mediale che somigliavano all'attività prefrontale NE-dipendente durante il periodo di ritardo dei compiti WM. È anche ben documentato che l'input NE sposta la rete talamocorticale da uno stato sincronizzato associato a SO e fusi a uno stato desincronizzato caratterizzato da una maggiore reattività neuronale agli input sinaptici, che è più ottimale per la codifica e l'elaborazione sensoriale (121).

Pertanto, un antagonismo bidirezionale e reciproco tra i sistemi talamico-ippocampo-corticale e prefrontale-sottocorticale-autonomo durante la NREM potrebbe essere alla base del compromesso comportamentale riportato tra LTM episodica e WM. Per testare questa possibilità, Chen et al. hanno utilizzato un agonista GABA-A, lo zolpidem, per studiare la direzionalità dell'interazione tra il sistema vagale e quello del fuso durante il sonno notturno e il loro effetto sul miglioramento della WM e sul consolidamento della memoria episodica (122). Oltre a migliorare l’attività del fuso e il consolidamento episodico della LTM, zolpidem ha mostrato anche una soppressione vagale e un minore miglioramento della WM rispetto al placebo (Appendice SI, Fig. S4A). L'attività vagale durante SWS era correlata positivamente con il miglioramento della WM (Appendice SI, Fig. S4B) ma correlata negativamente con la ritenzione LTM (Appendice SI, Fig. S4C). La stima della connettività efficace (123, 124) ha dimostrato che le oscillazioni corticali nell'intervallo del fuso mostravano una soppressione causale dell'attività autonomica vagale sia nelle condizioni con zolpidem che in quelle placebo, la cui entità era associata a un compromesso tra LTM episodica potenziata a scapito di ridotto miglioramento della WM. Inoltre, l’accoppiamento fuso-SO era associato a un compromesso comportamentale simile, con un maggiore accoppiamento fuso-SO associato a un minore miglioramento della WM. Questi risultati sono coerenti con l’idea che la comunicazione GABAergica ippocampo-talamocorticale e la comunicazione frontale-sottocorticale-autonomica LC-NE competono per le risorse durante il sonno SWS e che questa interazione può essere influenzata dal consolidamento LTM aumentando i fusi/sigma, in questo caso farmacologicamente, e presumibilmente altri metodi avrebbero effetti prevedibili. Ad esempio, ipotizziamo che VNS influenzerebbe l'interazione nella direzione opposta migliorando l'attività vagale e il miglioramento della WM a scapito dei fusi accoppiati con le prestazioni di SO e LTM.

Il modello di interruttore a oscillazione lenta

Il modello di commutazione dell'oscillazione lenta (Fig. 2) propone che il cervello passi da separato a non sovrapposto. Durante lo stato LTM, il consolidamento avviene tramite SO accoppiati al fuso, che porta ad un aumento della comunicazione ippocampo-talamocorticale, ad un aumento dei complessi ondulazione-fusibile, riducendo al contempo il reti inibitorie prefrontali-autonome. Durante lo stato WM, gli SO senza fusi promuovono una maggiore efficienza neurale all’interno della rete prefrontale-sottocorticale-autonoma. Le dinamiche competitive tra queste reti sono teoricamente guidate da studi sugli animali che mostrano relazioni antagoniste tra le regioni cerebrali che regolano l'attività autonomica rispetto alla riproduzione della memoria (117, 118) e prove di un passaggio periodico tra i fusi e l'attività autonomica (126).

Ipotizziamo inoltre che i mandrini possano agire come un meccanismo di controllo che regola le risorse SO per altri processi. Dato che circa il 20% dei SO durante NREM sono accoppiati a mandrino (127), ciò lascia molte risorse da dividere tra altri processi. Un recente lavoro che analizza le caratteristiche spaziotemporali degli SO ha stabilito che possono essere classificati in tre tipi, SO globali, frontali e locali, con SO globali che più spesso co-ricorrono con i fusi (127). È stato dimostrato che i SO globali supportano la comunicazione a lungo raggio, aumentano l'accoppiamento del fuso e predicono il consolidamento della LTM (128), mentre i SO frontali hanno un'ampiezza inferiore rispetto ai SO globali, si diffondono solo all'interno della corteccia frontale e possono essere candidati promettenti per modificare la corteccia prefrontale. reti subcorticali-autonome che supportano la WM. Ipotizziamo che i SO frontali possano anche essere un'onda portante per i processi riparativi che facilitano la clearance glinfatica prefrontale, poiché gli studi hanno riportato che i SO sono temporalmente accoppiati e precedono la clearance glinfatica cerebrospinale (129, 130), ma questi studi non hanno distinto tra le categorie SO . I SO frontali possono regolare l'attività vagale, promuovendo così l'attivazione fasica dei neuroni LC e la clearance tau (35). Uno studio recente ha dimostrato che la stimolazione uditiva non solo aumenta i SO frontali ma aumenta anche l'HRV vagale (131). Insieme, l’attività vagale potrebbe aumentare l’efficienza prefrontale e l’automaticità delle reti funzionali della WM attraverso la clearance glinfatica che avviene preferibilmente durante gli SO frontali. Queste speculazioni sono verificabili sperimentalmente e sono necessarie ulteriori ricerche per chiarire ulteriormente le dinamiche complesse e potenzialmente competitive del sonno che supportano un’ampia gamma di domini cognitivi.

Considerazioni conclusive e direzioni future

La WM è la capacità di mantenere una piccola quantità di informazioni attive e rilevanti per un breve periodo di tempo, mentre la memoria episodica è una banca apparentemente illimitata di esperienze autobiografiche, ciascuna delle quali può essere esplicitamente evocata. È stato dimostrato che il sonno, in particolare l’attività cerebrale durante il SWS, influenza entrambi i tipi di processi di memoria. Inoltre, l’attività vagale misurata mediante HF-HRV è associata alla WM, mentre gli studi che studiano l’effetto dell’ANS sulla memoria episodica forniscono risultati incoerenti. Il meccanismo alla base del modo in cui l’attività del sistema nervoso centrale e del sistema nervoso autonomo durante il sonno si coordina per facilitare entrambi i tipi di processi cognitivi è sconosciuto. Per colmare questa lacuna, presentiamo il modello di commutazione a oscillazione lenta, in cui si afferma che il sonno è un’arena competitiva in cui LTM e WM episodici competono per risorse limitate. Sebbene si pensi che questo modello si verifichi in modo naturale, il funzionamento interno del sistema viene rivelato sperimentalmente in studi che amplificano un lato del compromesso (ad esempio, aumento farmacologico dei fusi o stimolazioni innescate da ondulazioni del LC) con riduzioni prevedibili dell'attività vagale e prestazioni WM post-sonno o accoppiamento ondulazione/mandrino e LTM.

Se il sonno agisce come un interruttore che alterna tra i processi autonomici prefrontali-sottocorticali LC-NE e la riproduzione talamocorticale-ippocampale GABAergica, una domanda è cosa determina la priorità del meccanismo di interruttore. Consideriamo due possibilità: un cambiamento periodico naturale rispetto a un pregiudizio dipendente dall'esperienza. Lecci et al. (126) hanno dimostrato uno schema di alternanza periodica tra burst del fuso e accelerazioni della frequenza cardiaca, che si verifica ogni 50 s, supportando la possibilità che i meccanismi di commutazione dell'oscillazione lenta si alternino periodicamente in condizioni toniche. In alternativa, l’apprendimento, le esperienze emotive, la novità o il carico cognitivo potrebbero determinare la definizione delle priorità. Coerentemente con questa idea, i compiti di memoria più impegnativi mostrano un numero maggiore di fusi durante il sonno successivo (132). Allo stesso modo, l’allenamento intensivo sulla WM può aumentare i SO frontali e l’attività vagale in misura maggiore, rispetto all’allenamento meno intenso sulla WM (22, 84). Studi futuri che indagano su come il nostro cervello e il nostro corpo si coordinano per controllare questo passaggio consentirebbero un’ulteriore comprensione delle dinamiche competitive tra i diversi domini della memoria.

La WM è stata tradizionalmente considerata una caratteristica immodificabile, tuttavia gli studi sull'allenamento della WM hanno dimostrato che la funzione esecutiva in generale e la WM nello specifico migliorano (20), e studi recenti mostrano che il sonno supporta questo miglioramento (78, 82). I meccanismi alla base di questo beneficio, tuttavia, non sono chiari. Inoltre, sappiamo poco su come le reti autonomiche prefrontali e subcorticali possano coordinare gli SO e l’attività vagale per facilitare la WM. Uno studio ha suggerito un'associazione tra controllo cognitivo, attività vagale e automatismo nelle reti autonome prefrontali-sottocorticali. Lin et al. hanno dimostrato che l'allenamento cognitivo diminuisce la connettività funzionale nelle reti bilaterali striato-prefrontale mentre aumenta l'attività vagale, facilitando così le prestazioni in compiti addestrati e non addestrati, con meno risorse necessarie per un controllo inibitorio cognitivo efficace (22). Tuttavia, il modo in cui tali dinamiche vengono modulate durante il sonno o gli SO rimane inesplorato. I futuri studi di imaging neurale con EEG-fMRI simultanei sono cruciali per consentire la comprensione dei meccanismi neurali alla base della plasticità della WM durante specifici eventi del sonno.

Anche se negli ultimi dieci anni sono stati compiuti progressi significativi, c’è ancora molto da capire sul ruolo del sonno nei diversi domini cognitivi. Qui presentiamo uno scenario in cui LTM e WM episodici sono supportati da circuiti separati che competono per risorse limitate durante il sonno. È importante sottolineare il potenziale che gli SO potrebbero essere ulteriormente suddivisi in sottocategorie implicate in diverse funzioni, poiché eventi elettrofisiologici che condividono la stessa frequenza possono avere funzioni separate, una possibilità recentemente esplorata da Ngo e colleghi, mostrando una dissociazione funzionale tra delta e SO, con le onde delta che facilitano l'oblio mentre gli SO hanno maggiori probabilità di accoppiarsi con i fusi e facilitano il consolidamento episodico del LTM (133, 134). Proponiamo che l’identificazione di biomarcatori autonomici centrali durante il sonno per diversi processi cognitivi e la comprensione delle loro dinamiche competitive possano facilitare nuove intuizioni sui modelli di memoria e fornire nuovi bersagli per combattere le malattie neurodegenerative.

Disponibilità di dati, materiali e software.

Non ci sono dati alla base di questo lavoro.

RICONOSCIMENTI.

Questo lavoro è stato supportato dal NIH Grant R01-AG062288 a SCM

Riferimento

1. MA Hagenaars, M. Oitzl, K. Roelofs, Updating freeze: Allineamento della ricerca sugli animali e sull'uomo. Neurosci. Comportamento biologico. Rev. 47, 165–176 (2014).

2. K. Miki, M. Yoshimoto, Ruolo dei cambiamenti differenziali nell'attività del nervo simpatico negli aggiustamenti preparatori delle funzioni cardiovascolari durante il comportamento di congelamento nei ratti. Esp. Fisiolo. 95, 56–60 (2010).

3. SE Taylor et al., Risposte biocomportamentali allo stress nelle donne: prenditi cura di te e fai amicizia, non combatti o fuggi. Psicologo. Rev. 107, 411–429 (2000).

4. LN Whitehurst, A. Subramoniam, A. Krystal, AA Prather, Collegamenti tra cervello e corpo durante il sonno: implicazioni per l'elaborazione della memoria. Tendenze Neurosci. 45, 212–223 (2022).

5. S. Breit, A. Kupferberg, G. Rogler, G. Hasler, Il nervo vago come modulatore dell'asse cervello-intestino nei disturbi psichiatrici e infiammatori. Davanti. Psichiatria 9, 44 (2018).

6. M. Kalia, JM Sullivan, Proiezioni del tronco encefalico dei componenti sensoriali e motori del nervo vago nel ratto. J.Comp. Neurolo. 211, 248–265 (1982).

7. KK Sumal, WW Blessing, TH Joh, DJ Reis, VM Pickel, Interazione sinaptica di afferenti vagali e neuroni catecolaminergici nel nucleo del ratto tractus solitarius. Ricerca sul cervello 277, 31–40 (1983).

8. F. Shaffer, R. McCraty, CL Zerr, Un cuore sano non è un metronomo: una revisione integrativa dell'anatomia del cuore e della variabilità della frequenza cardiaca. Davanti. Psicologo. 5, 1040 (2014).

9. JF Thayer, RD Lane, Claude Bernard e la connessione cuore-cervello: ulteriore elaborazione di un modello di integrazione neuroviscerale. Neurosci. Comportamento biologico. Rev. 33, 81–88 (2009).

10. RE Kleiger, PK Stein, JT Bigger, Jr, Variabilità della frequenza cardiaca: misurazione e utilità clinica. Anna. Elettrocardiolo non invasivo. 10, 88–101 (2005).

11. S. Laborde, E. Mosley, JF Thayer, Variabilità della frequenza cardiaca e tono vagale cardiaco nella ricerca psicofisiologica: raccomandazioni per la pianificazione degli esperimenti, l'analisi dei dati e la segnalazione dei dati. Davanti. Psicologo. 8, 213 (2017).

12. M. Malik, Variabilità della frequenza cardiaca. Anna. Elettrocardiolo non invasivo. 1, 151–181 (1996).

13. V. Menon, M. D'Esposito, Il ruolo delle reti PFC nel controllo cognitivo e nelle funzioni esecutive. Neuropsicofarmacologia 47, 90–103 (2021).

14. A. Baddeley, Memoria di lavoro. Scienza 255, 556–559 (1992).

15. TS Braver, JR Gray, GC Burgess, "Spiegare le molte varietà di variazione della memoria di lavoro: doppi meccanismi di controllo cognitivo" in Variation in Working Memory, A. Conway, C. Jarrold, M. Kane, A. Miyake, J Towse, Eds. (Oxford University Press, 2007), pagine 76–106.

For more information:1950477648nn@gmail.com