Durante il sonno REM, il cervello presenta una combinazione insolita di fenomeni: il flusso sanguigno aumenta e crescono anche i livelli di un importante componente metabolico, mentre, allo stesso tempo, i livelli di ATP — la principale fonte di energia del cervello — diminuiscono nelle cellule nervose. I ricercatori dell’Università di Tohoku hanno studiato questa relazione in tempo reale su topi addormentati. I risultati mostrano che il cervello inizia a prepararsi a questa fase unica ancora prima che abbia inizio il sonno REM.

Il cervello deve operare con un budget energetico limitato

Il sonno non significa affatto che il cervello smetta di funzionare. Al contrario: durante determinate fasi del sonno, l’attività del sistema nervoso subisce cambiamenti fondamentali. Il sonno REM è particolarmente sorprendente; è caratterizzato da rapidi movimenti oculari ed è spesso associato a sogni particolarmente vividi.

Questa fase del sonno viene quindi definita anche «sonno paradossale». Il corpo si trova in gran parte in uno stato di rigidità muscolare, mentre l’attività cerebrale, sotto molti aspetti, ricorda maggiormente lo stato di veglia. Ciò solleva una domanda interessante per i ricercatori: in che modo il cervello fornisce energia ai propri neuroni quando l’attività cambia in modo così drastico nel giro di pochi minuti? Un nuovo studio pubblicato su *Communications Biology* fornisce alcune sorprendenti intuizioni al riguardo. I ricercatori hanno osservato nei topi che l’apporto energetico al cervello cambia già prima della transizione verso il sonno REM. Allo stesso tempo, il consumo effettivo di energia da parte dei neuroni sembra seguire uno schema diverso.

Sia il cervello umano che quello animale sono tra gli organi del corpo che consumano più energia. Miliardi di neuroni devono generare costantemente segnali elettrici, trasmettere informazioni e mantenere le loro connessioni reciproche. Questi processi richiedono energia. Un importante vettore energetico è l’ATP, abbreviazione di adenosina trifosfato. I neuroni hanno bisogno dell’ATP, tra le altre cose, per ripristinare il loro equilibrio ionico dopo i segnali elettrici e per mantenere la comunicazione tra le cellule.

Allo stesso tempo, il cervello ha a disposizione solo una quantità limitata di energia. Pertanto, l’apporto energetico deve essere strettamente adattato all’attività in corso. È proprio questo adattamento a interessare particolarmente i ricercatori: il cervello regola il proprio apporto energetico a seconda del suo stato attuale? Il passaggio tra le diverse fasi del sonno offre un modello particolarmente adatto per studiare questo fenomeno. Durante il sonno, l’attività, il flusso sanguigno e il metabolismo subiscono cambiamenti caratteristici.

Uno sguardo all’interno del cervello addormentato

Per monitorare direttamente questi cambiamenti, i ricercatori hanno sviluppato un metodo che ha permesso loro di osservare il cervello di topi addormentati. A tal fine, hanno rivestito i crani degli animali con un materiale trasparente induribile ai raggi UV. Ciò ha consentito agli scienziati di utilizzare tecniche di imaging per monitorare l’attività e il flusso sanguigno nel cervello durante il sonno naturale.

Utilizzando la imaging a fluorescenza a campo largo, hanno esaminato, tra le altre cose, le variazioni del volume ematico nel cervello. Ciò fornisce informazioni su come cambia l’apporto al tessuto nervoso durante i diversi stati di attività. Inoltre, i ricercatori hanno esaminato due marcatori metabolici. Uno di questi era l’ATP nelle cellule nervose. Il secondo era il piruvato negli astrociti.

Gli astrociti sono cellule non neuronali del sistema nervoso che sono coinvolte, tra l’altro, nell’apporto e nel sostegno delle cellule nervose. Il piruvato, a sua volta, è fondamentale per importanti vie metaboliche e viene prodotto, tra l’altro, durante la scomposizione del glucosio. Pertanto, la sua concentrazione può fornire informazioni su come cambia il metabolismo energetico nel cervello. La combinazione di queste misurazioni ha permesso ai ricercatori non solo di osservare l’attività cerebrale, ma anche di monitorare contemporaneamente vari aspetti del suo metabolismo energetico.

Variazioni del flusso sanguigno già prima della fase REM

Di particolare interesse è stata la transizione dal sonno non REM al sonno REM. Durante il sonno non REM si verifica una caratteristica attività cerebrale lenta. Tra le altre cose, i ricercatori si sono concentrati sulle fluttuazioni nella banda di frequenza theta. Questi cambiamenti erano associati a successive variazioni del volume ematico nel cervello. Ancora più sorprendente, tuttavia, è stato ciò che è accaduto immediatamente prima del sonno REM.

Circa 50 secondi prima dell’inizio della fase REM, secondo la definizione classica, il volume ematico nel cervello ha iniziato ad aumentare. Il cambiamento è iniziato inizialmente nella regione posteriore della corteccia per poi diffondersi più in avanti. Ciò suggerisce che la transizione verso il sonno REM non inizi semplicemente con un improvviso cambiamento. Piuttosto, il cervello sembra prepararsi in anticipo a questo stato. L’aumento del flusso sanguigno potrebbe aiutare ad adattare l’apporto al tessuto neurale attivo alle esigenze imminenti.

Più piruvato, ma meno ATP

Con l’inizio del sonno REM è emerso poi un andamento particolarmente insolito. La concentrazione di piruvato è aumentata negli astrociti. Ciò potrebbe indicare che durante questa fase sia disponibile una maggiore quantità di substrato metabolico oppure che l’attività glicolitica di queste cellule aumenti. Allo stesso tempo, tuttavia, i ricercatori hanno osservato una diminuzione dei livelli di ATP nelle cellule nervose.

A prima vista, ciò sembra contraddittorio. Se una maggiore quantità di sangue scorre attraverso il cervello e, allo stesso tempo, aumenta un importante elemento metabolico, ci si potrebbe aspettare che sia presente anche una maggiore quantità di energia immediatamente disponibile. Eppure, nei topi studiati, non è stato proprio così.

I risultati suggeriscono piuttosto che l’apporto energetico e il consumo energetico non procedono semplicemente in parallelo durante il sonno REM. Il cervello può aumentare il proprio apporto energetico pur presentando contemporaneamente livelli di ATP più bassi nei neuroni.

Le cellule nervose consumano quantità particolarmente elevate di energia durante il sogno?

Una possibile spiegazione è che le cellule nervose consumino una quantità particolarmente elevata di ATP durante il sonno REM. Il sonno REM è associato a complessi cambiamenti nell’attività neuronale. Allo stesso tempo, si ritiene che svolga un ruolo importante nella memoria e nell’elaborazione delle informazioni. Durante questa fase, quindi, nelle reti neurali potrebbero verificarsi processi particolarmente dispendiosi in termini energetici.

Ad esempio, è ipotizzabile un maggiore fabbisogno energetico per i cambiamenti a livello delle sinapsi. Le sinapsi sono i punti di contatto tra i neuroni e svolgono un ruolo centrale nell’apprendimento e nella memorizzazione delle informazioni. Anche la comunicazione tra diverse regioni cerebrali potrebbe avere un ruolo durante il sonno REM. In particolare, l’interazione tra l’ippocampo e la corteccia cerebrale è oggetto di studio in relazione all’elaborazione e al consolidamento dei ricordi.

Tuttavia, le nuove scoperte non dimostrano che questi specifici processi siano responsabili del calo osservato di ATP. I ricercatori citano diversi possibili meccanismi che dovranno essere esaminati più da vicino in studi futuri. Oltre all’aumento del consumo, è possibile anche un cambiamento nel trasporto di sostanze all’interno del cervello. Gli astrociti e le cellule nervose collaborano strettamente nel metabolismo energetico. Gli astrociti possono fornire sottoprodotti metabolici che vengono riutilizzati dai neuroni. Se questa collaborazione dovesse cambiare durante il sonno REM, ciò potrebbe spiegare perché l’aumento del piruvato negli astrociti non porti immediatamente a livelli più elevati di ATP nei neuroni.

Anche i mitocondri potrebbero essere coinvolti. Questi organelli cellulari producono gran parte dell’ATP nelle cellule. Anche le variazioni nella loro attività potrebbero influenzare la quantità di ATP effettivamente disponibile per i neuroni. Sulla base dei risultati attuali, non è ancora possibile stabilire quale di queste spiegazioni sia corretta.

Il cervello sembra iniziare a prepararsi già prima della fase REM

La tempistica delle osservazioni è particolarmente interessante dal punto di vista cronobiologico. L’aumento del volume ematico è iniziato circa 50 secondi prima del passaggio alla fase REM. Ciò suggerisce che i cambiamenti non derivino esclusivamente da una reazione allo stato REM già in atto.

Al contrario, il cervello potrebbe prepararsi attivamente a un imminente cambiamento di stato. La transizione tra le fasi del sonno non sarebbe quindi solo una conseguenza dell’alterata attività neurale, ma forse un processo coordinato in cui anche l’apporto energetico del cervello cambia in modo proattivo.

Ciò è coerente con un principio fondamentale della temporizzazione biologica: gli organismi non reagiscono esclusivamente ai cambiamenti già avvenuti. Molti processi fisiologici sono coordinati nel tempo e possono prepararsi a uno stato imminente.

Perché questi risultati sono interessanti per la ricerca sul sonno

Il sonno è molto più di un periodo di riposo. Durante la notte si alternano diversi stati, ciascuno con modelli caratteristici di attività neurale, metabolismo e flusso sanguigno. Il sonno REM occupa una posizione speciale tra questi. Sebbene i muscoli siano in gran parte a riposo, il cervello mostra modelli complessi di attività. Le nuove osservazioni aggiungono un ulteriore livello a questo quadro: anche il metabolismo energetico del cervello cambia durante la transizione verso questa fase del sonno. Diventa chiaro che un «aumento dell’apporto energetico» non significa automaticamente che i singoli neuroni abbiano a disposizione più ATP. L’apporto, il metabolismo e il consumo effettivo di energia possono non essere sincronizzati. Sono proprio queste differenze che potrebbero aiutarci a comprendere meglio come il cervello mantenga le proprie funzioni in condizioni mutevoli.

I risultati provengono da esperimenti sui topi. Mostrano quindi inizialmente come i processi metabolici e circolatori esaminati nel cervello dei topi cambino durante i diversi stati del sonno. Resta da verificare se i processi osservati si verifichino allo stesso modo negli esseri umani. Inoltre, dalle misurazioni non risulta immediatamente chiaro quale ruolo specifico svolga la riduzione osservata dell’ATP nei sogni o nell’elaborazione della memoria. Rimane inoltre da chiarire se i cambiamenti siano gli stessi in diverse condizioni di sonno, a diverse età o in altri stati fisiologici.

Ulteriori studi potrebbero quindi chiarire in che modo i vari tipi di cellule interagiscono tra loro durante il sonno REM e come funziona il coordinamento temporale tra attività neuronale, flusso sanguigno e metabolismo. Lo studio fornisce quindi un’ulteriore prova del fatto che il cervello regoli il proprio bilancio energetico in modo estremamente dinamico durante il sonno. In particolare, il passaggio al sonno REM sembra essere associato a un cambiamento preparatorio nel flusso sanguigno e a una successiva riorganizzazione del metabolismo.

L’apparente paradosso — maggiori segni di apporto energetico e, al contempo, una minore quantità di ATP nelle cellule nervose — potrebbe indicare che il cervello, durante il sonno REM, fa affidamento in misura particolarmente elevata su un’allocazione flessibile delle proprie risorse. Ciò chiarisce anche perché il sonno non sia affatto una pausa passiva per la funzione cerebrale. Mentre dormiamo, il cervello modifica il proprio stato operativo, riorganizza la propria attività e regola il proprio apporto energetico. Il sonno REM dimostra in modo particolarmente impressionante quanto sia effettivamente complessa questa regolazione notturna.