Quantificare la dinamica infrarosso del potere spettrale e della frequenza cardiaca nei topi addormentati

Il sonno dei mammiferi è uno stato comportamentale di riposo e di resistenza agli stimoli ambientali. Nonostante questa apparente uniformità, i parametri polisomnografici e autonomi indicano che il sonno si muove tra stati nervosi e somatici qualitativamente e quantitativamente diversi su varie scale temporali e spaziali ¹ . Durante i minuti a decine di minuti, si verifica il passaggio tra il sonno non REM e REM. Il sonno non REM è accompagnato da un'ampia ampiezza e bassa frequenza nell'EEG, con un picco spettrale intorno a ~ 0,5-4 Hz, mentre il sonno REM mostra un'attività regolare di EEG nella banda theta (6-10 Hz), insieme a Muscolo atonia ² . All'interno del sonno non REM, gli esseri umani attraversano la luce (S2) e il sonno profondo dell'onda lenta (SWS). Come indica la loro denominazione, queste due fasi mostrano rispettivamente soglie di aroazione inferiori e superiori ^{3 , 4} e differiscono in primo luogo dalla densità di bassa frequenzaEnte corticale EEG, indicata come attività a onde lente (SWA, 0,75-4 Hz). La non uniformità persiste durante i singoli attacchi di S2 e SWS dal minuto al sotto secondario, come documentato ampiamente dalla presenza variabile di SWA nel corso di un incontro ^{5 , 6} , ma anche da EEG e dai ritmi potenziali in campo Frequenze superiori, comprese le onde del mandrino nella banda sigma (10-15 Hz) e ritmi gamma (80-120 Hz) (per una recensione, vedi ^{7 , 8 , 9 , 10} ).

Piuttosto che essere sottili, queste variazioni spostano lo stato corticale del sonno negli esseri umani agli estremi dello spettro. Per il sonno non REM, questi variano da una predominanza di SWA a stati che approssimano l'attività sveglia perché contengono una parte sostanziale di componenti ad alta frequenza ¹¹ <suP>, ¹² . Nei roditori e nei gatti, anche se il sonno non-REM non è suddiviso in fasi, emerge un breve periodo chiamato sonno intermedio (IS) prima dell'insorgenza del sonno REM ¹³ . Durante IS, le funzioni di sonno REM, come l'attività ippocampale theta e le onde ponto-geniculo-occipitali, iniziano, mentre le firme del sonno non-REM, come le onde mandrino e SWA, sono ancora presenti, indicando un mix tra i due stati di sonno ^{14 , 15} . Tuttavia, l'IS potrebbe essere funzionalmente distinto poiché è modulata dagli antidepressivi ¹⁶ e attraverso una nuova presentazione di oggetti durante la veglia precedente ¹⁷ e contribuisce a impostare la soglia di eccitazione ¹⁸ . Inoltre, i diagrammi dello spazio statale dei parametri EEG e EMG di ratti liberamente in movimento mostrano un gruppo di punti ¹⁴ che è continuo tra il sonno non REM, il sonno REM e la veglia. Ci sono anche discontinuità sporadiche in SWA, senza entrare nella sveglia o nel sonno REM, che porta a notevoli fluttuazioni nella presenza relativa dei componenti a bassa e alta frequenza durante un incontro non letto REM non consolidato ^{14 , 19 e 20} . Infine, i rapporti variabili di SWA e ritmi di frequenza più alti durante il sonno non REM si verificano non solo nel tempo, ma mostrano anche differenze regionali in ampiezza e sincronizzazione tra aree corticali ¹⁹ .

Il sonno non-REM del mammifero è ben lungi dall'essere uniforme. Tuttavia, se tale non uniformità porta a stati che differiscono per funzioni e attributi comportamentali, non è chiaro. In diversi tipi di disturbi del sonno, il sonno continuo viene interrotto da risvegli spontanei e comportamenti motori inappropriati. Inoltre, le analisi spettrali mostrano alterazioni nella presenza relativa di frequenze più alte nell'EEG ²¹E in parametri autonomi, come i tassi di respirazione e battito cardiaco ²² . La sequenza ordinata di stati di sonno stabili è perciò turbata e gli elementi di eccitazione corticale e / o autonomica intrudono in maniera incontrollata. Pertanto, la comprensione del continuum degli stati di sonno è di una possibile rilevanza per la malattia. Inoltre, la perturbazione del sonno da rumore ambientale negli ambienti urbani è associata a rischi sanitari generali, rendendo cruciale identificare momenti di maggiore vulnerabilità durante il sonno ²³ .

Gli esperimenti di arousal comportamentali nel sonno degli esseri umani indicano che è più difficile svegliarsi dal sonno non-REM dominato da SWA (fase S3), mentre il sonno non-REM leggero (fase S2) e il sonno REM mostrano soglie comparabili e inferiori di stimolazione ⁴ . L'elaborazione corticale di stimoli sonori corti varia sensibilmente tra il sonno REM, S2 e S3 ^{24 ,25} , indicando che i modelli di attività corticali specifici dello stato modulano le prime fasi dell'elaborazione sensoriale. Per il sonno non REM nell'uomo, la propensione a svegliarsi in risposta al rumore varia con la presenza di onde mandrino e ritmi alfa nell'EEG ^{26 , 27 , 28} . La ritmicità talamocorticale durante i mandrini è accompagnata da una maggiore inibizione sinaptica sia ai livelli talamici che a quelli corticali, che si suppone contribuiscano all'attenuazione dell'elaborazione sensoriale ⁷ .

Come sono i periodi di sonno resistenti ai rumori e vulnerabili organizzati nel tempo e quali sono i loro determinanti? In entrambi i topi e umani, abbiamo recentemente individuato una oscillazione infrarossa, 0,02-Hz nei ritmi neurali. A seconda della fase di questa oscillazione di 0,02-Hz, i topi hanno mostrato una reattività variabile agli stimoli esterni, sia svegliarsi o dormireIl rumore. È interessante notare, questa oscillazione è stata correlata con il tasso del battito cardiaco, indicando che il sistema nervoso autonomo partecipa nella modulazione della vulnerabilità del sonno agli stimoli esterni ^1. Durante questo ritmo sono stati organizzati anche ritmi ippocampali correlati alla memoria e, in modo più sorprendente, la sua forza è correlata alla qualità del consolidamento della memoria negli esseri umani. L'oscillazione di 0,02 Hz sembra quindi essere un principio organizzativo di sonno non umano REM e rodente che modula sia la sensibilità all'ambiente che l'elaborazione della memoria interna. Ciò sottolinea nuovamente la necessità di valutazioni multiparametriche e continue di stati di sonno per riconoscere la loro funzionalità e per individuare siti di potenziale vulnerabilità.

Ecco una procedura per estrarre la forma d'onda di queste dinamiche, incluso l'impianto chirurgico dei topi per le misure combinate EEG / ECoG e EMG-ECG, l'esposizione a stimoli sensoriali,Rutine di analisi. Questa procedura fornisce una base per la visualizzazione del sonno come uno stato di vigilanza continuamente variabile ma altamente organizzato durante il quale vengono eseguite diverse funzioni fondamentali del sonno in sequenza. Più in generale, la procedura è applicabile agli approcci che mirano ad estrarre le caratteristiche spettrali e autonome che precedono un esito comportamentale durante il sonno sia negli stati di salute che nelle malattie.