RICERCA ITALIANA     

Relazioni tra sonno e risposte adattative dell'organismo a modificazioni dell'ambiente interno ed esterno

Università degli Studi di Bologna

Abstract

Il progetto prende in considerazione meccanismi che a livello cellulare e sistemico determinano le risposte adattative dell'organismo a modificazioni dell'ambiente interno ed esterno durante il sonno. In particolare, lo studio sarà affrontato dai punti di vista neurochimico, neuroanatomico e neurofisiologico con riferimento a corteccia cerebrale, ipotalamo e tronco dell'encefalo per quanto riguarda le strutture anatomiche coinvolte; dal punto di vista sistemico saranno considerate la regolazione vegetativa della circolazione, della respirazione e dell'equilibrio idrico-salino. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Carlo FRANZINI Università degli Studi di BOLOGNA

Obiettivo del Programma di Ricerca

Il ciclo del sonno nel mammifero (sonno con movimenti oculari rapidi, sonno REM, contraddistinto da presenza di movimenti oculari rapidi, elettroencefalogramma desincronizzato e alterazione dell'efficienza delle regolazioni omeostatiche, e sonno non REM, NREM, caratterizzato da assenza di movimenti oculari, elettroencefalogramma sincronizzato e piena efficienza delle regolazioni omeostatiche) è l'espressione di un comportamento globale che include l'attività sia somatica che vegetativa. Il progetto di ricerca intende studiare la relazione tra sonno e risposte adattative dell'organismo a modificazioni dell'ambiente interno ed esterno; sarà valutato sia l'effetto di stimolazioni di diversa natura sul ciclo di sonno, sia l'impatto che le modificazioni stato-dipendenti delle regolazioni fisologiche esercitano sulle risposte adattative alla stimolazione. A tal fine sono state coordinate le competenze diverse ma complementari di ipnologi delle Università di Bologna e Milano, la cui competenza è nota anche internazionalmente, per elaborare un processo integrato capace di affrontare il problema sia a livello sistemico che a livello cellulare. Su tale fondamento saranno studiati: a) la relazione tra sonno e perturbazioni dell'equilibrio idrico-salino, valutando la regolazione della secrezione di vasopressina in seguito a stimolazione iper-osmolare; b) la relazione tra sonno e perturbazioni della regolazione cardiovascolare ottenute tramite stimolazioni ambientali (acustica, ipossica) in grado di esercitare un effetto sia sul processo ipnico che sul sistema cardiovascolare; c) la relazione tra sonno e sistema immunitario, valutando la risposta alla somministrazione di Interleuchina-1; d) le modificazioni elettroencefalografiche indotte da stimolazione magnetica transcranica durante il sonno. <<<

Risultati parziali attesi

a) Sonno e perturbazioni dell'equilibrio idrico-salino: fase I: studio della liberazione di vasopressina in risposta a stimolazione iper-osmolare.
Se emergesse che la liberazione di VP durante il sonno REM è assente o significativamente inferiore rispetto a quanto osservato in sonno NREM o in veglia ciò implicherebbe che il sonno REM è caratterizzato dalla comparsa di una sorta di non responsività generalizzata delle strutture nervose ipotalamiche.
b) Sonno e perturbazioni della regolazione cardiovascolare: fase I: esperimenti condotti in condizioni di controllo e in presenza di stimolazione acustica ed ipossica in ratti normotesi.
Si prevede che la stimolazione acustica ed ipossica producano nei ratti normotesi un deterioramento della qualità del sonno, che verrà definita sulla base delle alterazioni EEG ed EMG, unitamente a quelle cardiovascolari e respiratorie presenti rispetto alla condizione di controllo. Inoltre sulla base delle risposte cardiovascolari e respiratorie evocate dagli stimoli si valuterà quantitativamente la componente speccifica stato-dipendente delle alterazioni funzionali osservate. Infine sarà possibile caratterizzare gli stati del ciclo veglia-sonno in termini di rischio cardiovascolare e respiratorio stato-dipendente in presenza di condizioni patologiche.
c) Sonno e stimolazione immunitaria: fase I: esperimenti in vivo: determinazione delle coordinate stereotassiche da utilizzare per le microiniezioni; esperimenti in vitro: messa a punto della metodica di patch-clamp e della caratterizzazione istochimica.
Si prevede di potere completare la determinazione delle coordinate stereotassiche necessarie per il posizionamento della cannula di microiniezione in vivo. Si prevede inoltre di dare inizio alla somministrazione diretta di IL-1 ai neuroni colinergici del tegmento pontino in vitro: se l'IL-1 determinerà l'inibizione della loro attività bioelettrica questo sarà un punto a favore dell'ipotesi che l'effetto deprimente dell'IL-1 sul sonno REM sia dovuto all'inibizione dei neuroni colinergici del tegmento pontino.
d)Sonno e perturbazioni dell'eccitabilità della neocorteccia: fase I: effetto della TMS sulla genesi e la propagazione delle onde lente durante il sonno NREM. Si prevede di potere stabilire se la TMS è in grado di interferire significativamente con la genesi e la propagazione delle onde lente in sonno NREM.
Una differenza significativa nel numero delle onde rilevate, nella loro distribuzione topografica, e nelle vie preferenziali di propagazione delle onde lente del sonno NREM in presenza o assenza di TMS indicherebbe che la stimolazione corticale è in grado di altere i ritmi lenti del sonno. In particolare un aumento del numero delle onde rilevate, un variazione della distribuzione dei siti di origine prevalenti, un pattern preferenziale di propagazione divergente dall'area stimolata, confermerebbero chiaramente che la TMS è in grado di generare e potenziare le onde lente del sonno nella specie umana.a) Sonno e perturbazioni dell'equilibrio idrico-salino: fase II: delineazione funzionale dei circuiti nervosi implicati nella liberazione di VP durante la veglia e il sonno.
Poiché la letteratura scientifica è priva di osservazioni concernenti l'osmoregolazione nel sonno, si dovrà inizialmente operare un confronto tra i dati ottenuti in questo lavoro e quelli concernenti la stimolazione osmolare effettuata nella veglia. Si deve notare come anche su questo terreno difettino i dati concernenti la stimolazione acuta; tuttavia, è stato osservato che la somministrazione ICV di soluzioni saline ipertoniche induce un'espressione dose-dipendente di Fos nei nuclei sopraottico e paraventricolare, negli organi circumventricolari cerebrali (organo subfornicale e organo vascoloso della lamina terminale) e nella parte mediana dell'area preottica. Nonostante che la sensibilità della tecniche immunocitochimiche non sia elevata, ci si attende di poter confermare, nel contesto della topografia funzionale, il dato comportamentale-biochimico ottenuto nella prima fase del progetto; in particolare, potrebbe essere molto interessante il correlato immunocitochimico di un'eventuale assenza o riduzione della risposta alla stimolazione osmolare effettuata durante il sonno REM.
b) Sonno e perturbazioni della regolazione cardiovascolare: fase II: esperimenti condotti in condizioni di controllo e in presenza di stimolazione acustica ed ipossica in ratti ipertesi.
Analogamente a quanto supposto per i soggetti normotesi si prevede che la stimolazione acustica ed ipossica producano nei ratti ipertesi un deterioramento della qualità del sonno, che verrà definita sulla base delle alterazioni EEG ed EMG, unitamente a quelle cardiovascolari e respiratorie presenti rispetto alla condizione di controllo. Inoltre gli studi condotti su soggetti ipertesi consentiranno di valutare da un lato come la condizione ipertensiva modifica i diversi indici della regolazione cardiovascolare e respiratoria durante il sonno, dall'altro come la condizione ipertensiva modifica gli effetti cardiovascolari e respiratori degli stimoli ambientali durante il sonno.
c) Sonno e stimolazione immunitaria: fase II: espermenti in vivo: modificazioni del sonno indotte dalla microiniezione di IL-1 nei nuclei colinergici del tegmento pontino; esperimenti in vitro: effetto della somministrazione di IL-1 sull'attività dei neuroni colinergici del tegmento pontino.
Ci si attende che nel loro insieme i risultati ottenuti dagli esperimenti in vivo e dagli esperimenti in vitro permettano di verificare, o falsificare, l'ipotesi che gli effetti inibitori esercitati dall'IL-1 a carico del sonno REM sono dovuti alla inibizione, esercitata dalla IL-1 stessa, dei neuroni colinergici del tegmento mesopontino. In particolare per quanto riguarda gli esperimenti in vivo, condotti prevalentemente durante la seconda fase, se l'ipotesi è vera, l'IL-1, microiniettata nei nuclei del tegmento pontino del ratto, indurrà una inibizione del sonno REM. Nel caso non si osservassero invece questi effetti inibitori, si dovrà concludere che i meccanismi che mediano gli effetti dell'IL-1 sul sonno REM sono differenti da quelli ipotizzati.
d)Sonno e perturbazioni dell'eccitabilità della neocorteccia: fase II: studio dei risvolti funzionali degli effetti della TMS sulla genesi e la propagazione delle onde lente durante sonno NREM.
Si prevede di potere arrivare a stabilire se una modificazione locale delle onde lente prodotta dalla TMS possa determinare nel periodo successivo al risveglio alterazioni del comportamento e delle prestazioni cognitive, anche se la stimolazione medesima no ha prodotto il risveglio del soggetto. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

L'organismo pone in atto risposte fisiologiche al fine di preservare la costanza dell'ambiente interno (omeostasi) sia in presenza di perturbazioni di origine esterna, ambientale, sia nei confronti di alterazioni endogene. Negli organismi superiori l'efficacia dei meccanismi regolatori varia ampiamente con gli stati del ciclo veglia-sonno (Parmeggiani 1980): non solo durante il sonno si ha una perdita completa delle risposte comportamentali, ma durante il sonno REM si ha anche una riduzione significativa dell'efficienza delle regolazioni autonomiche. Questa situazione comporta due conseguenze: la prima è che modificazioni delle regolazioni autonomiche indotte dai cambiamenti sia dell'ambiente sia interno sia esterno possano influenzare l'organizzazione del ciclo veglia-sonno; la seconda è che le risposte adattative, suscitate dalle modificazioni ambientali, possano essere influenzate dall'organizzazione stessa che il ciclo veglia-sonno assume. Dunque, il livello di interazione descritto delinea un terreno di studio del ciclo veglia-sonno che consente di affrontare contemporaneamente sia i meccanismi specifici della sua regolazione, sia le conseguenze che può subire l'organismo, sul piano fisiopatologico, quando vengono a ridursi le possibilità di compenso dei meccanismi omeostatici generali. Questo progetto intende affrontare lo studio dell'interazione tra i meccanismi della regolazione ipnica e dell'omeostasi in quattro ambiti fondamentali della preservazione della costanza dell'ambiente interno, ovvero della regolazione: a) dell'equilibrio idrico-salino; b) cardiovascolare; c) della risposta immunitaria; d) dell'eccitabilità della corteccia cerebrale.
La prima Unità di Ricerca studierà la regolazione dell'equilibrio idrico-salino in seguito a stimolazione iperosmolare. Verrà in questo modo approfondito il problema della sospensione dell'attività integratrice dell'ipotalamo durante il sonno REM (ipotizzata sulla base dei risultati concernenti la termoregolazione): la regolazione osmolare si fonda sulla liberazione riflessa di ormone antidiuretico (vasopressina, VP), sintetizzato dai neuroni magnocellulari dei nuclei sopraottico e paraventricolare, a sua volta suscitata dalle modificazioni della osmolalità del liquido extracellulare. Pertanto, la regolazione osmolare rappresenta una funzione omeostatica chiaramente controllata a livello ipotalamico, ma filogeneticamente più antica della termoregolazione. In particolare, verranno studiate le modificazioni della concentrazione plasmatica di VP, indotte dalla somministrazione intracerebroventricolare di differenti soluzioni ipertoniche durante i diversi stadi del ciclo veglia-sonno, vale a dire misurando le risposte riflesse suscitate da stimolazioni specifiche di intensità diversa (Summy-Long et al., 1981). Le modificazioni della concentrazione plasmatica di VP, durante il ciclo veglia-sonno, sono state studiate soltanto nella specie umana ed è stata valutata solo la secrezione spontanea dell'ormone, che non appare specificatamente correlabile agli stati comportamentali (Rubin et al., 1978; Branderberger et al., 1998).
La seconda Unità di Ricerca si occuperà della regolazione cardiovascolare in seguito a stimolazione acustica o ipossica. Tali stimoli ambientali sono stati scelti in quanto esercitano effetti sia sulle regolazioni vegetative che sul ciclo veglia sonno. Ciò vale per gli stimoli acustici, capaci, pur senza indurre risveglio, di alterare da un lato la qualità del sonno (Nakagawa 1987), dall'altro la regolazione cardiovascolare (Di Nisi 1990), e per le condizioni di ipossia moderata, che hanno effetti sul ciclo di sonno (Ryan and Megirian 1982) e sul sistema cardiovascolare (Kara et al. 2003).
La regolazione cardiovascolare cambia profondamente durante il ciclo veglia sonno (Franzini 2000). Il sistema circolatorio è dotato di meccanismi di controllo organizzati gerarchicamente in livelli di complessità crescente; in accordo con i risultati ottenuti dagli studi condotti sulla funzione termoregolatoria, che hanno evidenziato una sospensione dell'attività integrativa ipotalamica in sonno REM, è stato dimostrato che i livelli integrativi superiori sono quelli che più risentono del processo ipnico (e in particolare risultano alterati in sonno REM). Infatti l'efficacia del riflesso barocettivo durante i diversi stati del ciclo veglia-sonno, studiata in passato con tecniche diverse e con risultati contrastanti, si è rivelata non significativamente diversa nelle diverse fasi del ciclo veglia-sonno (cf Zoccoli et al. 2001). Al contrario gli schemi vasomotori integrati imposti da stimoli termici o emorragici risultano compromessi in sonno REM. D'altra parte anche il bilancio tra influenze di origine centrale e periferica (barocettive) sul controllo cardiaco varia tra i diversi stati del ciclo veglia-sonno, presentando una dominanza dei fattori centrali in sonno REM e dei fattori periferici in sonno NREM; la veglia presenta una situazione intermedia (Zoccoli et al. 2001). Gli effetti sull'apparato cardiovascolare di stimoli ambientali possono rappresentare un fattore di rischio in presenza di patologie a carico di tale apparato. Infatti le risposte del sistema dipendono ampiamente dallo stato comportamentale e ad esempio in sonno REM, in cui le regolazioni autonome sono profondamente alterate (Parmeggiani 2000) il rischio di incidenti cardiovascolari risulta aumentato in presenza di una riduzione patologica delle riserve regolatorie. Il progetto condotto dall'Unità di Ricerca si propone da un lato di valutare l'effetto degli stimoli ambientali sul ciclo veglia sonno, dall'altro sugli indici del controllo cardiovascolare mediante un'analisi delle fluttuazioni spontanee della pressione arteriosa (PA) e del periodo cardiaco (PC, intervallo R-R) intorno al rispettivo valore medio.
Una terza Unità di Ricerca studierà il rapporto tra sonno e stimolazione immunitaria. E' stata dimostrata in anni recenti l'esistenza di una connessione reciproca e di rilevante importanza funzionale tra sonno e sistema immunitario, che si influenzano a vicenda (Krueger and Fang 2000). In risposta alla stimolazione immunitaria si verificano importanti modificazioni del ciclo veglia-sonno, caratterizzate da un aumento del sonno NREM ed una riduzione del sonno REM. La stimolazione immunitaria appare quindi essere una condizione che ostacola l'espressione del sonno REM, analogamente a quanto accade per altre stimolazioni: è possibile supporre che la riduzione dell'efficienza di diverse regolazioni fisiologiche durante il sonno REM renda tali condizioni incompatibili con questa fase del sonno. Dall'altro lato, modificazioni del sonno inducono alterazioni nella maggior parte dei parametri della risposta immunitaria. E' stato ad esempio recentemente dimostrato che la deprivazione di sonno riduce la risposta immunitaria alla somministrazione di vaccino anti-influenzale e di vaccino anti-epatite A (Lange et al. 2003; Spiegel et al. 2002) e che una deprivazione di sonno prolungata induce una condizione di immunodepressione (Everson 1993).
L'Interleuchina-1 (IL-1) è una citochina che risulta implicata nel mediare le alterazioni del sonno che compaiono in corso di risposta immunitaria. I livelli plasmatici di IL-1 presentano nella specie umana un picco all'inizio del sonno (Moldofsky et al. 1986), mentre nel gatto i livelli liquorali di IL-1 variano in fase con il ciclo veglia-sonno (Lue et al. 1988). Mentre diversi studi hanno investigato i meccanismi tramite cui l'IL-1 stimola il sonno NREM, non è a tutt'oggi noto attraverso quali circuiti e meccanismi l'IL-1 inibisce il sonno REM. Un insieme di dati dimostra che i neuroni colinergici del tegmento pontino svolgono un ruolo chiave nel determinare l'insorgenza ed il mantenimento delle manifestazioni toniche e fasiche che caratterizzano il sonno REM. E' stato dimostrato che l'IL-1 diminuisce il rilascio di acetilcolina. Il progetto si pone l'obiettivo di indagare il meccanismo attraverso il quale l'IL-1 esercita un'azione inibitoria a carico delle manifestazioni toniche e fasiche del sonno REM, verificando l'ipotesi che l'effetto sia legato ad una sua azione a livello dei neuroni colinergici del tegmento pontino.
La quarta Unità di Ricerca studierà la regolazione dell'eccitabilità della neocorteccia in seguito a stimolazione magnetica transcorticale (TMS). Mediante registrazione elettroencefalografica ad alta densità è possibile studiare direttamente nella corteccia umana comparsa, origine e propagazione delle oscillazioni lente spontanee durante il sonno (Massimini et al, 2003). Per poter studiare la regolazione e le funzioni delle onde lente durante il sonno é necessario interferire con la loro dinamica spazio-temporale (frequenza, origine, vie di propagazione) perturbando direttamente l'eccitabilità della corteccia cerebrale. Questo approccio è diventato possibile solo recentemente, attraverso lo sviluppo di apparecchiature che permettono di combinare la TMS con l'elettroencefalogramma (EEG) ad alta densità.
La possibilità di manipolare la comparsa, l'origine e le vie di propagazione delle onde lente durante sonno NREM, determinandone quindi l'aumento o la soppressione, può aprire la strada alla comprensione delle loro funzioni fisiologiche e può avere importanti implicazioni cliniche. <<<