Quasi tutti conoscono questa sensazione. Dopo una notte di sonno insufficiente, è più difficile concentrarsi. I pensieri vagano, i tempi di reazione rallentano e la lucidità mentale diminuisce, soprattutto quando è necessario essere più vigili. Una nuova ricerca del MIT fa luce su ciò che accade nel cervello durante questi brevi vuoti di concentrazione. Lo studio dimostra che durante una temporanea perdita di concentrazione, il liquido cerebrospinale (CSF) drena dal cervello, un processo che normalmente avviene durante il sonno e che aiuta a rimuovere i prodotti di scarto accumulati durante il giorno. Questa attività di pulizia è considerata importante per la salute e il funzionamento del cervello.

Il corpo cerca di compensare il sonno perduto

La privazione del sonno si riferisce a una condizione in cui il corpo e il cervello non dormono a sufficienza per un periodo di tempo più o meno lungo per recuperare completamente e funzionare normalmente. Può verificarsi quando la quantità di sonno è regolarmente inferiore alle esigenze dell’individuo o quando la qualità del sonno è ridotta, ad esempio a causa di frequenti risvegli o di un sonno non ristoratore. Si distingue tra deprivazione acuta di sonno, che si verifica dopo singole notti di sonno insufficiente, e deprivazione cronica di sonno, che si protrae per settimane o mesi.

Quando una persona soffre di deprivazione di sonno, il corpo sembra cercare di compensare il sonno perduto innescando questi movimenti fluidi durante la fase di veglia. Tuttavia, questa compensazione presenta uno svantaggio significativo: una forte riduzione dell’attenzione. “Quando non si dorme, le onde del liquor invadono la fase di veglia, dove normalmente non si vedrebbero. Tuttavia, sono accompagnate da una perdita di attenzione, poiché l’attenzione diminuisce nei momenti in cui si verificano queste onde fluide”, spiega Laura Lewis, Athinoula A. Martinos Associate Professor of Electrical Engineering and Computer Science, membro del MIT Institute for Medical Engineering and Science e del Research Laboratory of Electronics, e membro associato del Picower Institute for Learning and Memory. Lewis è l’autore senior dello studio, pubblicato su Nature Neuroscience. Zinong Yang, borsista del MIT, è l’autore principale.

Come il sonno pulisce il cervello

Il sonno è essenziale per la sopravvivenza, ma gli scienziati non hanno ancora capito bene perché svolge un ruolo così cruciale. Ciò che è chiaro è che il sonno è necessario per rimanere vigili e che è stato dimostrato che la privazione del sonno compromette l’attenzione e altre capacità mentali. A livello fisico, il sonno serve a rigenerarsi: le cellule e i tessuti vengono riparati, gli ormoni della crescita vengono rilasciati e il sistema immunitario si rafforza. Il sonno svolge anche un ruolo centrale nella regolazione degli ormoni e del metabolismo, come il controllo della fame, della glicemia e dell’equilibrio energetico.

Un’importante funzione del sonno riguarda il liquido cerebrospinale che circonda e ammortizza il cervello. Durante il sonno, il liquido cerebrospinale aiuta a eliminare i prodotti di scarto che si accumulano durante le ore di veglia. In uno studio del 2019, Lewis e i suoi colleghi hanno scoperto che durante il sonno questo fluido si muove secondo uno schema ritmico strettamente correlato ai cambiamenti dell’attività delle onde cerebrali.

Questa precedente scoperta ha sollevato una nuova domanda: Cosa succede a questo sistema di fluidi quando il sonno viene interrotto? Per scoprirlo, i ricercatori hanno reclutato 26 volontari che hanno completato i test due volte, una dopo una notte di privazione del sonno in laboratorio e una dopo una notte di riposo adeguato. Il mattino successivo, i partecipanti hanno eseguito un compito standard progettato per valutare gli effetti della privazione del sonno, mentre i ricercatori hanno monitorato una serie di segnali cerebrali e corporei.

Misurare l’attenzione e il flusso di fluidi nel cervello

Durante l’esperimento, ogni partecipante ha indossato una cuffia per elettroencefalogramma (EEG) per monitorare l’attività cerebrale mentre era sdraiato in uno scanner di risonanza magnetica funzionale (fMRI). Il team ha utilizzato una versione speciale della fMRI in grado di monitorare sia i livelli di ossigeno nel sangue sia il movimento del liquido cerebrospinale (CSF) dentro e fuori dal cervello. Sono state registrate anche la frequenza cardiaca, la frequenza respiratoria e le dimensioni delle pupille.

I partecipanti hanno completato due test di attenzione nello scanner, uno visivo e uno uditivo. Nel compito visivo, hanno osservato una croce fissa su uno schermo che occasionalmente si trasformava in un quadrato. Sono stati istruiti a premere un pulsante ogni volta che si verificava un cambiamento. Nel compito uditivo, il segnale visivo era sostituito da un suono. Come previsto, i partecipanti privati del sonno hanno ottenuto risultati significativamente peggiori rispetto a quelli ben riposati. Le loro risposte erano più lente e, in alcuni casi, non percepivano affatto il segnale.

Quando si verificavano questi brevi vuoti di attenzione, i ricercatori hanno osservato diversi cambiamenti fisiologici che si verificavano contemporaneamente. In particolare, il liquido cerebrospinale usciva dal cervello durante la pausa, per poi rientrare non appena l ‘attenzione ritornava. “I risultati suggeriscono che nel momento in cui l’attenzione viene meno, questo fluido viene effettivamente espulso dal cervello. E quando l’attenzione ritorna, viene richiamato”, afferma Lewis.

L’équipe ritiene che questo schema rifletta il tentativo del cervello di compensare la privazione del sonno attivando un processo di pulizia che normalmente avviene di notte, anche se questo interrompe temporaneamente l’attenzione. “Un modo per spiegare questi eventi è che il cervello ha così tanto bisogno di dormire che fa del suo meglio per entrare in uno stato simile al sonno per ripristinare alcune funzioni cognitive“, dice Yang. “Il sistema di fluidi cerebrali cerca di ripristinare le funzioni facendo passare il cervello da uno stato di elevata vigilanza a uno di elevato flusso”.

Un sistema di collaborazione tra cervello e corpo

Lo studio ha anche scoperto che i cali di attenzione sono legati a cambiamenti esterni al cervello stesso. Durante questi momenti, la respirazione e la frequenza cardiaca rallentano e le pupille si restringono. La costrizione delle pupille è iniziata circa 12 secondi prima che il liquido cerebrospinale defluisse dal cervello e si è invertita dopo il ritorno dell’attenzione. “È interessante notare che non si tratta di un fenomeno che riguarda solo il cervello, ma di un processo che interessa l’intero organismo. Ciò suggerisce che questi sistemi sono strettamente coordinati. Quando l’attenzione cala, lo si avverte a livello percettivo e psicologico, ma riflette anche un processo che ha luogo in tutto il cervello e nel corpo”, afferma Lewis.

Questi risultati suggeriscono che un unico sistema di controllo può coordinare sia l’attenzione che le funzioni corporee di base, come il flusso di liquidi, la frequenza cardiaca e la vigilanza. “Questi risultati suggeriscono che esiste un circuito unificato che controlla sia le funzioni cerebrali che consideriamo altamente sofisticate – la nostra attenzione, la nostra capacità di percepire e rispondere al mondo – sia processi fisiologici di base come la dinamica dei fluidi cerebrali, il flusso sanguigno in tutto il cervello e la costrizione dei vasi sanguigni”, afferma Lewis. Sebbene i ricercatori non siano riusciti a identificare il circuito specifico coinvolto, indicano il sistema noradrenergico come un forte candidato. Questo sistema, che utilizza il neurotrasmettitore noradrenalina per regolare la cognizione e le funzioni corporee, è noto per fluttuare durante il sonno normale.