Comprendere i ruoli dell'attività centrale e autonomica durante il sonno nel miglioramento della memoria di lavoro e della memoria episodica - Parte 1

L’ultimo decennio ha visto progressi significativi nell’identificazione dei meccanismi del sonno che supportano la cognizione. La maggior parte di questi studi si concentra sul legame tra eventi elettrofisiologici del sistema nervoso centrale durante il sonno e miglioramenti in diversi domini cognitivi, mentre i cambiamenti dinamici del sistema nervoso autonomo durante il sonno sono stati ampiamente trascurati.

Il sonno e la memoria sono strettamente correlati. Mentre dormiamo, il nostro cervello elabora e consolida le informazioni apprese durante la giornata, aiutandoci a ricordare e ad apprendere. Pertanto, un buon meccanismo del sonno è molto importante per migliorare la nostra memoria.

Esistono due fasi principali del sonno: movimenti oculari rapidi (REM) e movimenti oculari non rapidi (NREM). Queste due fasi del sonno svolgono ruoli diversi in diversi tipi di ricordi. Durante la fase del sonno NREM, il cervello rafforzerà l’elaborazione dei ricordi e inietterà informazioni importanti nella memoria a lungo termine per preservarle meglio. Nella fase del sonno REM, il cervello potenzia la nostra creatività e immaginazione richiamando e riorganizzando le informazioni e potrebbe verificarsi anche uno sbiadimento della memoria.

Per garantire una buona qualità del sonno, dovremmo prestare attenzione allo sviluppo di buone abitudini di sonno. Ciò include orari di sonno regolari, evitando l’uso eccessivo di dispositivi elettronici prima di andare a letto e mantenendo un ambiente di sonno confortevole. Inoltre, anche il mantenimento della salute fisica attraverso l’esercizio fisico e il controllo della dieta è fondamentale per la qualità del sonno.

In breve, il meccanismo del sonno e la memoria sono strettamente correlati. Mantenendo buone abitudini di sonno e stile di vita, possiamo migliorare la qualità del nostro sonno, aiutandoci così a mantenere meglio la nostra memoria e le capacità di apprendimento. Si può vedere che dobbiamo migliorare la nostra memoria. La Cistanche deserticola può migliorare significativamente la memoria, perché la Cistanche deserticola può anche regolare l'equilibrio dei neurotrasmettitori, come aumentare i livelli di acetilcolina e fattori di crescita. Queste sostanze sono molto importanti per la memoria e l'apprendimento. Inoltre, la carne può anche migliorare il flusso sanguigno e promuovere l’apporto di ossigeno, il che può garantire che il cervello riceva nutrienti ed energia sufficienti, migliorando così la vitalità e la resistenza del cervello.

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Studi recenti, tuttavia, hanno identificato contributi significativi degli input autonomici durante il sonno alla cognizione. Tuttavia, permangono notevoli lacune nella comprensione di come i sistemi centrale e autonomo lavorano insieme durante il sonno per facilitare il miglioramento cognitivo. In questo articolo, esaminiamo le prove del ruolo indipendente e interattivo delle attività centrali e autonomiche durante il sonno e la veglia nell'elaborazione cognitiva. Ci concentriamo specificamente sulle strutture prefrontali-sottocorticali che supportano la memoria di lavoro e sui meccanismi alla base della formazione della memoria episodica dipendente dall'ippocampo.

Il nostro modello di commutazione a oscillazione lenta identifica meccanismi sottostanti separati e concorrenti che supportano i due domini di memoria a livello sinaptico, sistemico e comportamentale. Proponiamo che il sonno sia un’arena competitiva in cui entrambi i domini della memoria competono per risorse limitate, come dimostrato sperimentalmente quando il potenziamento di un sistema porta a un compromesso funzionale nei risultati elettrofisiologici e comportamentali.

Poiché questi risultati portano inevitabilmente a ulteriori domande, suggeriamo aree di ricerca futura per comprendere meglio come il cervello e il corpo interagiscono per supportare un’ampia gamma di domini cognitivi durante un singolo episodio di sonno.

Il sistema nervoso autonomo (ANS) è diviso in due rami, con il ramo simpatico associato alla mobilitazione energetica durante le cosiddette risposte lotta-fuga-congelamento (1, 2) e il ramo parasimpatico associato alle funzioni vegetative e riparatrici durante le cosiddette risposte. risposte riposo-digestione (3). Questi rami "lavorano in modo antagonistico, sinergico e indipendente per raccogliere informazioni dagli organi sensoriali e coordinare le risposte alle richieste interne ed esterne" (4).

Sia il sistema nervoso simpatico che quello parasimpatico comunicano con il sistema nervoso centrale (SNC), formando un sistema chiamato rete autonoma centrale. La rete autonoma centrale è un insieme di strutture del sistema nervoso centrale, tra cui il locus coeruleus (LC), l’ipotalamo, l’amigdala, la corteccia prefrontale ventromediale, l’ippocampo e il talamo, che, direttamente o indirettamente, ricevono input e modulano l’output verso il SNA.

Il nervo vago (il 10° nervo cranico) è composto da circa l’80% di connessioni afferenti (5) che comunicano informazioni parasimpatiche/vagali dalla periferia al nucleo del tratto solitario nel tronco encefalico e alle aree di ordine superiore nella rete autonomica centrale ( 6, 7). Inoltre, le proiezioni discendenti della rete autonomica centrale consentono comunicazioni bidirezionali tra il cervello e le regioni periferiche (8, 9).

Negli esseri umani, un metodo non invasivo per rilevare l'attività del sistema nervoso autonomo è la variabilità della frequenza cardiaca (HRV), che esamina la variabilità tra i singoli battiti cardiaci (intervalli R–R, che riflettono la depolarizzazione ventricolare) nel complesso QRS dell'elettrocardiogramma (ECG) (10–12).

L'HRV può essere calcolato nel dominio del tempo e nel dominio della frequenza. Le misure nel dominio del tempo dell'HRV includono 1) la SD di tutti gli intervalli R–R (SDNN), una misura generale della variabilità della frequenza cardiaca, e 2) la radice quadrata media delle differenze successive (RMSSD), una misura delle fluttuazioni della frequenza cardiaca mediato principalmente dal nervo vago.

Le misure nel dominio della frequenza dell'HRV includono 1) la potenza dell'HRV ad alta frequenza (HF-HRV: da 0,15 a 0,40 Hz), un indicatore di aritmia sinusale respiratoria e l'attività vagale parasimpatica e 2) la potenza dell'HRV a bassa frequenza (LF-HRV: da 0, da 0,04 a 0,15 Hz), un segnale misto proveniente da fonti sia simpatiche che parasimpatiche. Data l'incertezza nel contributo dei segnali che compongono LF-HRV, rispetto alle note origini vagali del segnale HF-HRV, la ricerca sull'attività autonomica tende a concentrarsi su HF-HRV.

Per una recente revisione delle aree cerebrali e dei sistemi neuromodulatori comprendenti i rami parasimpatico e simpatico, nonché i loro input alle aree cerebrali dedicate all'elaborazione cognitiva, vedere Whitehurst et al. (4).

La nostra revisione si concentra specificamente sulle prove a sostegno del ruolo del sistema nervoso autonomo nei processi cognitivi durante la veglia e il sonno. Riportiamo una solida serie di risultati che collegano l'attività parasimpatica/vagale durante la veglia e il sonno con la rete prefrontale-sottocorticale che regola il controllo cognitivo, la funzione esecutiva e la memoria di lavoro (WM). Identifichiamo anche una significativa carenza di prove che l’attività autonomica faciliti il ​​consolidamento della memoria dipendente dal sonno, una lacuna notevole dato l’ampio corpus di ricerche che collegano il sonno con la formazione di ricordi a lungo termine. Successivamente, riassumiamo le conoscenze attuali sui meccanismi che supportano la formazione di ricordi a lungo termine durante il sonno.

Su questo sfondo, sviluppiamo l’ipotesi che le reti cerebrali e i sistemi neuromodulatori durante il sonno che supportano l’aumento dell’efficienza nella WM e il consolidamento delle memorie episodiche ippocampali siano meccanismi separati e concorrenti. Introduciamo il modello dell'interruttore a oscillazione lenta, che fornisce uno schema di come questi meccanismi interagiscono durante il sonno, insieme a ipotesi verificabili emergenti e nuove linee di indagine per ulteriori ricerche in quest'area.

Gli input autonomi modulano la cognizione

I processi cognitivi che si basano sul controllo inibitorio dall’alto verso il basso nelle reti prefrontali-sottocorticali, come la regolazione emotiva, il controllo cognitivo o la funzione esecutiva, sono stati associati all’attività parasimpatica/vagale. Il controllo cognitivo o funzione esecutiva, il coordinamento dei processi mentali e delle azioni secondo obiettivi e piani attuali è una funzione primaria della corteccia prefrontale.

Il coordinamento del controllo cognitivo è implementato da molteplici circuiti funzionali ancorati nella corteccia prefrontale, tra cui la corteccia prefrontale ventromediale, la corteccia cingolata anteriore e un'ampia gamma di regioni sottocorticali (13). La WM è un aspetto della funzione esecutiva che supporta il mantenimento e la manipolazione di una piccola quantità di informazioni, di solito dura da secondi a minuti (14) e condivide meccanismi neurali simili con il controllo cognitivo (15). Lo scopo di questo documento si concentrerà su un aspetto della funzione esecutiva, vale a dire la WM (per maggiori informazioni sulla regolazione emotiva, vedere rif. 16-19).

La WM, a differenza della memoria a lungo termine (LTM), comporta la trasformazione di rappresentazioni o tracce della memoria ed è un processo cognitivo online basato su informazioni generali, tradizionalmente considerato un tratto immodificabile. Tuttavia, gli studi sulla formazione della WM hanno dimostrato che la funzione esecutiva in generale e la WM in particolare possono essere migliorate (20) e che questi miglioramenti sono supportati da una maggiore efficienza prefrontale e dall’automaticità delle reti prefrontali-sottocorticali (21, 22).

La ricerca sul ruolo del SNA nella cognizione ha dimostrato che l’attività parasimpatica/vagale può essere un indicatore del grado in cui il circuito prefrontale-sottocorticale regola i suoi sistemi componenti in risposta alle richieste interne ed esterne. Nello specifico, l'attività in questi circuiti inibitori è stata positivamente associata all'HF-HRV a riposo (9, 23) e si ipotizza che il funzionamento ottimale di questi circuiti preveda risposte flessibili e adattive ai cambiamenti ambientali (24). Un modello importante volto a spiegare come la comunicazione bidirezionale tra SNC e SNA sia un predittore critico del successo cognitivo adattivo è il modello di integrazione neuroviscerale, sviluppato da Thayer e colleghi (9, 23) (Appendice SI, Fig. S1).

Questo modello propone che l’HRV sia un indice dell’influenza inibitoria prefrontale-sottocorticale su un’ampia gamma di aree cerebrali che supportano la cognizione, le emozioni e la reattività fisiologica, comprese la funzione esecutiva, la WM, l’aspettativa di risultati futuri, la regolazione emotiva, la risposta emotiva allo stress e funzionamento periferico (24).

Il modello di integrazione neuroviscerale ha ottenuto supporto empirico da studi che mostrano la relazione tra HRV durante la veglia e funzione esecutiva. Rispetto agli individui con HF-HRV basso a riposo (che riflette uno scarso tono vagale parasimpatico durante il riposo sveglio), gli individui con HF-HRV alto mostrano prestazioni WM migliori [compito nback (25); compito di intervallo operativo (26)] e controllo inibitorio [cioè compito Stroop (27)].

Inoltre, i cambiamenti nel controllo cognitivo indotti dall’allenamento sono associati a miglioramenti nell’attività parasimpatica, ed è vero anche il contrario: gli aumenti dell’attività parasimpatica indotti dall’allenamento promuovono anche il miglioramento cognitivo. Ad esempio, è stato dimostrato che l'allenamento cognitivo (velocità di elaborazione basata sulla visione) aumenta l'HF-HRV e migliora l'attivazione nella rete prefrontale-sottocorticale (22). In questo studio, gli anziani con deficit cognitivo lieve amnestico sono stati sottoposti a 6 settimane di training cognitivo.

Rispetto ai controlli, gli anziani nel gruppo di allenamento attivo hanno dimostrato un aumento dell’HF-HRV e una diminuzione della connettività prefrontale-striatale durante l’attività, suggerendo un’efficiente regolazione autonomica prefrontale-sottocorticale. Risultati simili sono stati riportati in partecipanti sani (28). Inoltre, è stato riportato che l’aumento dell’HF-HRV a riposo tramite allenamento aerobico porta a miglioramenti paralleli nelle prestazioni della WM (27).

In questo studio, i partecipanti sono stati assegnati in modo casuale a un gruppo di allenamento aerobico e a un gruppo di deallenamento (condizione di esercizio ridotto), con HF-HRV e WM a riposo misurati prima e dopo l’intervento di esercizio. Dopo l’intervento, il gruppo con allenamento aerobico ha mostrato prestazioni HF-HRV e WM maggiori rispetto al gruppo di controllo senza allenamento, suggerendo un collegamento tra il rafforzamento del funzionamento parasimpatico/vagale e delle reti WM attraverso l’esercizio cardiaco.

Un potenziale meccanismo per spiegare come l’attività vagale/parasimpatica possa apportare benefici alla funzione prefrontale e alla WM avviene attraverso la modulazione della norepinefrina (NE). Gli ultimi 20 anni di ricerca hanno dimostrato che, insieme alla storia tradizionale secondo cui il neuromodulatore primario dell’attività vagale è l’acetilcolina (ACh), le afferenze vagali modulano anche i livelli di NE nel cervello. Il nervo vago rappresenta la componente principale del sistema nervoso parasimpatico e l'attivazione delle fibre ascendenti del nervo vago media le azioni della NE sul cervello (29, 30).

I terminali delle trasmissioni vagali afferenti sono direttamente all'interno del nucleo del tratto solitario, che trasmette informazioni a strutture che regolano la cognizione di ordine superiore come l'amigdala, l'ippocampo e la corteccia frontale attraverso una via polisinaptica dal LC. Sebbene ACh sia il neurotrasmettitore primario nelle sinapsi periferiche del nervo vago, una volta che l'informazione si propaga al LC, NE diventa il neuromodulatore primario che media la comunicazione sinaptica nel sistema nervoso centrale.

La LC ha due modalità di attivazione, fasica e tonica, che influenzano la funzione prefrontale. L'attivazione tonica è stata collegata allo stress o all'eccitazione, mentre l'attivazione fasica è stata collegata alle risposte alla novità e alla cognizione di ordine superiore (31). Le attivazioni fasiche e toniche sono indipendenti, con l'attività fasica ottimizzata a un livello moderato di attività tonica (32), mentre un'elevata scarica tonica può compromettere la scarica fasica (33). Nei primati, l'attivazione fasica dei neuroni NE del LC in tempo con i cambiamenti cognitivi potrebbe provocare o facilitare la riorganizzazione dinamica delle reti neurali bersaglio, consentendo un rapido adattamento comportamentale ai mutevoli imperativi ambientali (34).

Inoltre, è stato recentemente dimostrato che l'attivazione optogenetica fasica della LC protegge dagli effetti deleteri del rettangolo umano tau e dal declino cognitivo, mentre l'attivazione tonica-LC che induce stress ne peggiora gli effetti (35, 36). Nello specifico, nello studio condotto da Omoluabi et al. (36), ai topi è stata iniettata la tau aggrovigliata e i loro neuroni LC sono stati attivati ​​secondo schemi fasici o tonici. Hanno scoperto che la stimolazione fasica salvava i topi da deficit comportamentali e di LC, mentre la stimolazione tonica portava a un peggioramento dei sintomi.

Inoltre, studi su roditori e scimmie hanno dimostrato che l'equilibrio ottimale eccitatorio-inibitorio della NE prefrontale, mantenuto da diversi recettori adrenergici (ad esempio, 1 e pre- e postsinaptico 2), ha un'importante influenza benefica sulle prestazioni della WM (37, 38). . L’aumento sperimentale delle concentrazioni di NE nella corteccia prefrontale migliora le prestazioni di inibizione della risposta nei roditori e negli esseri umani (39, 40).

Questo corpus di ricerche enfatizza il ruolo di una maggiore funzione inibitoria durante condizioni di distrazione che servono a favorire specificamente la WM (41) senza apportare alcun beneficio alla memoria dell'ippocampo (42). È interessante notare che 2 recettori adrenergici aumentano preferenzialmente la NE prefrontale e mantengono il suo equilibrio eccitatorio-inibitorio ottimale, che a sua volta migliora la funzione prefrontale (43-45), mentre 1 recettore sovrascrive l'attività del 2 recettore e compromette la funzione WM (38).

Il quadro emergente è che diversi tipi di recettori adrenergici possono svolgere un ruolo nell’ottimizzazione dell’equilibrio generale eccitatorio-inibitorio nella corteccia prefrontale. Nello specifico, la NE orchestra funzioni fisiologiche che commutano il cervello e il corpo da uno stato non stressato, in cui l'attività fasica della LC impegna 2 recettori e aumenta la funzione WM prefrontale, a uno stato di stress che stimola l'attivazione tonica e l'attività di 1 recettore, compromettendo la WM mantenendo altre funzioni , come la vigilanza e l'attenzione (46).

Negli esseri umani, un legame causale tra gli input vagali che modulano l'attività LC-NE e i domini cognitivi supportati dalla corteccia prefrontale è stato stabilito da studi che manipolano attivamente il tono vagale utilizzando la stimolazione del nervo vago (VNS) o la stimolazione del nervo vago transcutaneo non invasivo (tVNS). Il VNS attiva scariche neuronali fasiche nel LC e aumenta i livelli di NE nelle reti prefrontali-sottocorticali, tra cui la neocorteccia, l'ippocampo, l'amigdala e altre parti del cervello con proiezioni afferenti dal LC (33, 47–49).

In uno studio, i pazienti trattati con VNS invasiva hanno eseguito compiti cognitivi con stimolazione attivata o disattivata. I pazienti hanno dimostrato un miglioramento delle prestazioni della WM durante i periodi di stimolazione attiva rispetto ai periodi di stimolazione disattivata (50). Più recentemente, la tVNS ha mostrato effetti simili al controllo cognitivo (51). In questo studio, i partecipanti sani hanno eseguito un compito di controllo inibitorio (Go/NoGo) con tVNS attiva o stimolazione fittizia.

Nella condizione NoGo che richiedeva l'inibizione cognitiva, tVNS ha prodotto un'ampiezza significativamente ridotta dei potenziali correlati agli eventi N2 frontali, un biomarker per un controllo cognitivo esigente, suggerendo che tVNS può portare a un'elaborazione neurale più efficiente con meno risorse necessarie con un controllo inibitorio frontale efficace. Effetti simili della tVNS sono stati dimostrati in un altro studio (52) in cui la tVNS ha aumentato l’attività theta della linea mediana frontale, che si ritiene rifletta l’attivazione transitoria della corteccia prefrontale in situazioni che richiedono un maggiore controllo esecutivo delle azioni.

Dato che la stimolazione vagale migliora la fase LC-NE e che l'attività parasimpatica è naturalmente aumentata durante il sonno non rapido del movimento oculare (NREM), si è tentati di ipotizzare che l'aumento dell'attività fasica LC-NE con l'aumento naturale dell'attività parasimpatica vagale durante il sonno possa essere un meccanismo attraverso il quale la funzione prefrontale viene regolata e la capacità della WM migliorata.

Nel loro insieme, la LC-NE fasica durante il sonno potrebbe contribuire ad aumentare la capacità della WM attraverso diversi possibili meccanismi, tra cui la riorganizzazione delle rappresentazioni neurali, l’eliminazione della tau e/o l’aumento dell’attività fasica dei recettori LC-NE 2 insieme alla funzione prefrontale. Allo stesso tempo, il tonico LC-NE indotto dallo stress disturba il sonno e la funzione prefrontale. La sezione successiva esaminerà i risultati sulla relazione tra sonno e attività del sistema nervoso autonomo.

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