Competizione interemisferica durante il sonno

Natura volume 616, pagine 312–318 (2023) Citare questo articolo

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La nostra comprensione delle funzioni e dei meccanismi del sonno rimane incompleta, riflettendo la loro complessità sempre più evidente1,2,3. Allo stesso modo, gli studi sulla coordinazione interemisferica durante il sonno4,5,6 sono spesso difficili da collegare con precisione ai circuiti e ai meccanismi del sonno conosciuti. Qui, registrando i claustra dei draghi barbuti addormentati (Pogona vitticeps), mostriamo che, sebbene gli inizi e gli offset del movimento rapido degli occhi di Pogona (REMP) e del sonno a onde lente siano coordinati bilateralmente, questi due stati di sonno differiscono notevolmente nel loro coordinamento interclaustrale. Durante il sonno a onde lente, i claustra producono increspature a onde acute indipendentemente l'una dall'altra, senza mostrare alcuna coordinazione. Al contrario, durante il sonno REMP, i potenziali prodotti dai due claustra sono precisamente coordinati in ampiezza e tempo. Questi segnali, tuttavia, non sono sincroni: un lato guida l'altro per circa 20 ms, con il lato principale che cambia tipicamente una volta per episodio REMP o tra episodi successivi. Il claustrum principale esprime l'attività più forte, suggerendo la competizione bilaterale. Questa competizione non avviene direttamente tra i due claustra o emisferi telencefalici. Piuttosto, si verifica nel mesencefalo e dipende dall’integrità di un nucleo GABAergico (che produce acido γ-aminobutirrico) del complesso istmico, che esiste in tutti i vertebrati ed è noto negli uccelli per essere alla base dell’attenzione dal basso verso l’alto e del controllo dello sguardo. Questi risultati rivelano che tra i due emisferi del cervello di Pogona esiste una competizione del tipo “il vincitore prende tutto”, che ha origine nel mesencefalo e ha conseguenze precise sull’attività del claustro e sulla coordinazione durante il sonno REMP.

Nei mammiferi, gli elettroencefalogrammi corticali durante il sonno possono essere scomposti in sonno con movimenti oculari rapidi (REM), caratterizzato da segnali elettroencefalografici desincronizzati accompagnati da movimenti oculari rapidi7,8,9, e sonno non REM (NREM), caratterizzato da dall'attività a onde lente (e quindi è anche chiamato sonno a onde lente (SW)). Nei roditori e negli esseri umani, il sonno NREM è stato implicato nella riattivazione e nel consolidamento di alcune forme di memoria10,11,12,13. Le possibili funzioni del REM, tuttavia, rimangono in gran parte speculative (ad esempio, disimparare14), sebbene alcune prove15,16,17 suggeriscano un possibile collegamento con la memoria emotiva. Il sonno bifasico esiste anche negli uccelli18, nei rettili19,20,21 e nei pesci22, suggerendo la possibilità di radici comuni (almeno antiche quanto la linea dei vertebrati (500 milioni di anni)). (In alcuni invertebrati sono stati osservati anche modelli di sonno bifasici23). Se è così, approcci comparativi in ​​sistemi che rappresentano diversi lignaggi animali potrebbero aiutarci a comprendere meglio non solo l’evoluzione del sonno, ma anche le sue funzioni e le sue basi meccanicistiche.

In Pogona vitticeps, una lucertola agamidica diurna, le due fasi di un ritmo elettrofisiologico regolare del sonno (come registrato nella cresta dorso-ventricolare o DVR) consistono in potenziali di campo locali dominati da increspature di onde acute che si verificano irregolarmente ogni 0,5-2 s per circa un minuto, seguita da un'attività più rapida simile a quella di veglia che si verifica in concomitanza con rapidi movimenti oculari19, anch'essa per circa un minuto. Queste due modalità di attività si alternano regolarmente durante la notte19. A causa delle somiglianze tra queste due fasi elettrofisiologiche del sonno e il sonno SW e REM dei mammiferi, le identifichiamo come simili a SW e simili a REM (da qui in poi rispettivamente denominate SW e REMP). (Si noti che la nostra nomenclatura è descrittiva e non implica necessariamente, per mancanza di conoscenza a questo punto, un'identità funzionale o meccanicistica con gli stati di sonno dei mammiferi). Le caratteristiche dominanti dell'attività SW nel DVR – le increspature delle onde acute – sono prodotte nel claustrum e sono rilevabili nel DVR adiacente come un'onda che si propaga21. Qui abbiamo deciso di esaminare la natura dei segnali REMP a Pogona, utilizzando registrazioni elettrofisiologiche in vivo. Registrando simultaneamente dai claustra sinistro e destro, abbiamo osservato differenze nella natura della coordinazione interemisferica tra il sonno SW e REMP. Queste differenze, a loro volta, hanno rivelato una competizione in corso tra i due emisferi durante il sonno REMP – ma non durante il sonno SW – e hanno identificato un ruolo per una coppia di nuclei preistmici del mesencefalo, che fino ad ora non si sapeva fossero coinvolti nel sonno.