RICERCA ITALIANA     

RUOLO DEL SONNO NEI PROCESSI DI APPRENDIMENTO, MEMORIA E PLASTICITA' CEREBRALE

Università degli Studi di Roma "La Sapienza"

Abstract

Già agli inizi del secolo scorso è stato dimostrato che il rafforzamento di una traccia mnestica può essere favorito da periodi di sonno rispetto ad equivalenti periodi di veglia. L'idea che il sonno possa giocare un ruolo fondamentale nei processi di apprendimento e memorizzazione ha ricevuto numerose conferme empiriche da recenti studi comportamentali, neurofisiologici e di genetica molecolare, sia nell'uomo che nell'animale. Evidenze non ancora definitive hanno mostrato un coinvolgimento del sonno ad onde lente (SWS) nel consolidamento della memoria dichiarativa verbale e non verbale. Allo stesso modo, non è del tutto chiaro se i documentati miglioramenti post-sonno nei compiti procedurali siano correlati al sonno REM, al sonno non-REM, o alla successione di entrambi gli stadi. In tale contesto, il Programma si propone di indagare in maniera innovativa, nell'uomo e in un modello animale, il ruolo del sonno in toto e delle sue singole fasi nell'elaborazione mnestica di diversi tipi di compiti somministrati durante la veglia, inserendosi, dunque, in un ambito scientifico attualmente centrale per la ricerca in psicofisiologia del sonno, di notevole valore euristico. Il Programma si avvale dell'integrazione di specifiche tecniche e approcci basati sulla consolidata esperienza, documentata dalle numerose pubblicazioni internazionali, dei partecipanti a ciascuna delle singole Unità.
Uno degli obiettivi specifici del Programma è quello di valutare più direttamente la relazione tra SWS e consolidamento mnestico nell'uomo, attraverso un approccio di deprivazione selettiva di SWS. Pertanto, l'obiettivo principale di questa parte del programma è di sopprimere selettivamente lo SWS, per valutare lo specifico coinvolgimento di tale fase del sonno nel consolidamento di memorie dichiarative e procedurali. Il secondo macro-obiettivo del Programma è di studiare per la prima volta, in campo umano, gli effetti dell'apprendimento di materiali diversi sull'attività elettrica registrata direttamente in strutture neocorticali e ippocampali durante il sonno successivo alle sessioni di apprendimento. In particolare si valuterà, in un gruppo di pazienti epilettici farmaco-resistenti, se un training diurno in compiti che coinvolgono i sistemi di memoria dichiarativa (dipendente dall'ippocampo) e procedurale (indipendente dall'ippocampo) induca modificazioni macro- e micro-strutturali del sonno successivo. Sarà anche verificata la cosiddetta "ipotesi del replay" ippocampo-neocorticale durante il sonno, valutando la presenza di una relazione funzionale tra l'attività EEG delle regioni neocorticali e dell'ippocampo nonché le modificazioni di tale relazione dopo l'apprendimento. Un terzo macro-obiettivo del Programma è quello di valutare le influenze di specifiche caratteristiche del sonno notturno sulle successive prestazioni mnestiche al risveglio. In particolare, si cercherà di chiarire le influenze della fase di sonno in cui si verifica il risveglio e della quantità di SWS nel sonno notturno, su diversi tipi di performance mnestica al risveglio (priming semantico, apprendimento episodico e apprendimento procedurale). Sarà inoltre indagata per la prima volta la dinamica temporale della dissipazione inerziale, con lo scopo di delineare la curva di recupero delle capacità di apprendimento e memoria al risveglio da una normale notte di sonno. Un chiarimento di questi aspetti potrebbe avere importanti risvolti applicativi, ad esempio nella pianificazione di attività nella primissima parte della giornata.
Il quarto obiettivo del Programma è quello di indagare sulla relazione tra il sonno ed il consolidamento della traccia mnestica utilizzando uno specifico modello animale, il pulcino domestico, con un interesse principale per il fenomeno del sonno monoculare, specifico di questa specie. In particolare, verranno studiati gli effetti della deprivazione di sonno sull'apprendimento di due compiti discriminativi lateralizzati (colore e posizione spaziale). <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Mario BERTINI Universita' degli Studi di ROMA

Obiettivo del Programma di Ricerca

Sulla base dei convergenti riscontri che indicano un ruolo specifico delle diverse fasi del sonno nei processi di apprendimento e memoria, il Programma si propone di indagare in maniera innovativa, nell'uomo e in un modello animale, il ruolo del sonno in toto e delle sue singole fasi nell'elaborazione mnestica di diversi tipi compiti somministrati durante la veglia.
Il Programma si avvarrà di specifiche tecniche e approcci basati sulla consolidata esperienza, documentata dalle numerose pubblicazioni internazionali, dei partecipanti a ciascuna delle Unità del Programma.
Con riferimento allo stato attuale della recente letteratura in questo ambito, il Programma prevede di valutare più direttamente la relazione tra slow-wave sleep (SWS) e consolidamento mnestico. Infatti l'approccio attualmente più utilizzato, o paradigma "prima-seconda metà della notte", che prevede la decurtazione della prima o seconda metà della notte di sonno (rispettivamente, con una prevalenza di SWS o di sonno REM), evidenzia un coinvolgimento dello SWS nel consolidamento della memoria dichiarativa verbale e non verbale. Tale evidenza non appare però ancora definitiva, poiché non si può escludere che, in conseguenza della scelta metodologica del suddetto paradigma, la quantità residua di sonno REM o di stadio 2 durante la prima metà della notte possa contribuire agli effetti osservati. Allo stesso modo, non è chiaro se i documentati miglioramenti nei compiti procedurali siano correlati al sonno REM, allo SWS, o se la sequenza di entrambi gli stadi sia necessaria per ottenere i massimi benefici. Lo scopo di questa specifica parte del Programma nazionale (Unità del Prof. Bertini, Roma) è quindi di chiarire lo specifico ruolo dello SWS nel consolidamento di entrambi i tipi di memoria (dichiarativa e procedurale), attraverso un approccio di deprivazione selettiva di SWS. Tale metodologia consente, infatti, con una tecnica di stimolazione acustica, di ottenere una deprivazione di SWS pressoché totale, senza drammatici cambiamenti della continuità del sonno. Pertanto, l'obiettivo principale di questa parte del programma è di sopprimere selettivamente lo SWS, per valutare lo specifico coinvolgimento di tale fase del sonno nel consolidamento di memorie dichiarative e procedurali.
Lo stesso ambito di problemi verrà affrontato dalla parte di Programma svolta dall'Unità del Prof. De Gennaro (Roma) che si pone l'obiettivo di indagare, per la prima volta in maniera diretta, gli effetti dell'apprendimento di materiali diversi sull'attività elettrica neocorticale e ippocampale durante il sonno successivo alle sessioni di apprendimento. In particolare, l'Unità si propone di valutare se un training diurno in compiti che coinvolgono diversi sistemi di memoria (dichiarativa -dipendente dall'ippocampo- vs. procedurale -indipendente dall'ippocampo-) induca modificazioni del sonno successivo. Tali modificazioni saranno valutate sia a livello macrostrutturale (architettura del sonno) che microstrutturale (spettri EEG di differenti bande di frequenza) durante sia il sonno REM che lo SWS, registrati direttamente da strutture ippocampali e neocorticali con elettrodi intracerebrali impiantati stereotassicamente. Infine, sarà verificata anche l'ipotesi del "replay" ippocampo-neocorticale durante il sonno, valutando la presenza di una relazione funzionale tra l'attività EEG delle regioni neocorticali e dell'ippocampo nonché le modificazioni di tale relazione dopo l'apprendimento, mediante tecniche di analisi della coerenza dei segnali EEG.
Un aspetto diverso della relazione tra processi di memoria e apprendimento e caratteristiche del sonno riguarda la valutazione dell'esistenza anche di un'eventuale influenza inversa. In altri termini, si tratta di valutare non tanto l'effetto di diversi processi di apprendimento diurno con coinvolgimento di specifici sistemi di memoria sulle caratteristiche del sonno seguente, ma piuttosto di valutare le influenze di specifici aspetti del sonno notturno sulle successive prestazioni mnestiche al risveglio. All'interno del Programma nazionale, l'Unità della Prof. Cicogna (Bologna) si propone, infatti, di approfondire l'indagine sul fenomeno dell'inerzia del sonno (il paradossale decremento dei livelli prestazionali al risveglio dal sonno rispetto a quelli pre-sonno) con un specifica attenzione a compiti mnestici tradizionalmente trascurati dalla letteratura scientifica: priming semantico, apprendimento episodico e apprendimento procedurale. In particolare, l'Unità ha il principale obiettivo di chiarire le influenze della fase di sonno in cui si verifica il risveglio e della quantità di SWS nel sonno notturno, valutata secondo indici macro- e micro-strutturali, su diversi tipi di performance mnestica al risveglio. Sarà inoltre indagata per la prima volta la dinamica temporale della dissipazione inerziale, con lo scopo di delineare la curva di recupero delle capacità di apprendimento e memoria al risveglio da una normale notte di sonno. Un chiarimento di questi aspetti potrebbe avere importanti risvolti applicativi nella pianificazione della vita quotidiana, per la programmazione di attività nella primissima parte della giornata, per esempio le attività scolastiche o particolari tipologie di attività lavorative.
La parte del Programma svolta dall'Unità del Prof. Mascetti (Padova) si avvarrà di metodologie simili a quelle della altre Unità e di un background teorico in gran parte comune, ma utilizzerà uno specifico modello animale (il pulcino domestico). In particolare, l'Unità indagherà sulla relazione tra il sonno ed il consolidamento della traccia mnestica nel pulcino domestico in seguito a diversi tipi di apprendimento (riconoscimento cromatico vs. discriminazione spaziale), con un interesse principale per il fenomeno del sonno monoculare, specifico di questa specie. L'innovazione dell'approccio proposto dall'Unità consiste principalmente nell'utilizzo del paradigma della deprivazione di sonno nel pulcino, che permetterà una più chiara definizione dell'influenza delle caratteristiche del sonno sui fenomeni di memoria e apprendimento. La specificità dell'utilizzo della specie pulcino domestico, con il suo peculiare sonno monoculare, permetterà anche di valutare l'eventuale ruolo di processi locali del sonno. Infatti, il sonno monoculare del pulcino domestico fornisce una diretta informazione sull'implicazione dell'emisfero controlaterale all'occhio considerato nei compiti di memoria presentati. Tale particolarità, insieme alle caratteristiche del lavoro svolto dall'Unità del Prof. De Gennaro (Roma), permetterà di caratterizzare in maniera innovativa la relazione tra sonno e processi di memoria anche alla luce degli specifici coinvolgimenti di singole aree corticali (lateralizzazione emisferica valutata grazie al sonno monoculare del pulcino, e attività di singole aree neocorticali con la registrazione intracranica in soggetti umani) e di strutture sottocorticali quali l'ippocampo (con la diretta registrazione da tale struttura in soggetti umani).
Il carattere innovativo del Programma di ricerca consiste, in primo luogo, nella rilevanza generale del tema. Esso si inserisce infatti in un ambito attualmente centrale per la ricerca in psicofisiologia del sonno, di notevole valore euristico. Inoltre, il programma si avvale dell'integrazione di competenze e metodologie diverse e complementari, applicabili sia all'uomo sia all'animale. Tale integrazione dovrebbe permettere lo scambio di conoscenze tra le singole Unità partecipanti con un arricchimento che ricadrà sulle future attività di ricerca. I risultati prodotti, seppur provenienti da ambiti teorici ed empirici in parte diversi, dovrebbero beneficiare della possibilità di eleborare modelli di interpretazione più generali favoriti dalla comune esigenza di porre in rapporto le caratteristiche del sonno con specifici processi di memoria e apprendimento. <<<

Risultati parziali attesi

UNITA' DI RICERCA BERTINI
Nella prima fase si porterà a compimento la raccolta dei dati. Il principale risultato atteso in questa fase del progetto è costituito dalla completa soppressione del sonno a onde lente (SWS) senza significative alterazioni della struttura del sonno notturno.

UNITA' DI RICERCA DE GENNARO
Si porteranno a compimento la selezione dei pazienti, l'impianto stereotassico degli elettrodi di profondità e la raccolta completa dei dati.

UNITA' DI RICERCA CICOGNA
Si porterà a compimento la raccolta dei dati.

UNITA' DI RICERCA MASCETTI
Il primo risultato previsto è il perfezionamento della procedura sperimentale che sarà quindi definitivamente implementata nei successivi 3 esperimenti (parte del secondo esperimento e il terzo saranno eseguiti in Fase 2). Per quanto riguarda l'esperimento 1, ci si attende che il quadro di sonno Mo-Un e binoculare nei pulcini sperimentali sia diverso da quello degli animali di controllo in base all'importanza che i due tipi di sonno avrebbero nel processo di recupero. Riguardo all'esperimento 2, ci si attende di avviare la fase di acquisizione dei dati (si veda Fase 2).UNITA' DI RICERCA BERTINI
Riguardo al primo obiettivo di questo studio (valutare, per la prima volta, gli effetti di differenti tipi di apprendimento -dichiarativo vs. procedurale- sui parametri quantitativi dell'EEG di una notte di sonno indisturbato), ci si attende che il coinvolgimento di specifiche fasi del sonno nel consolidamento delle suddette memorie possa causare effetti significativi sulle bande di frequenza EEG analizzate.
Per quanto riguarda lo specifico coinvolgimento del sonno ad onde lente (SWS) nel consolidamento di memorie dichiarative e procedurali, se lo SWS è necessario al processo di consolidamento di un certo tipo di memoria, ci si attende che la prestazione al relativo compito risulterà peggiorata in seguito ad una notte di deprivazione selettiva di SWS.

UNITA' DI RICERCA DE GENNARO
L'ipotesi di una relazione tra sonno e processi di memorizzazione prevede che diversi tipi di apprendimento possano influire sui parametri di sonno (sia REM che non-REM) valutati sia a livello qualitativo (architettura del sonno) che quantitativo (spettri EEG di differenti bande di frequenza). Se lo SWS e il sonno REM agiscono su diversi sistemi di memoria, ci si attende che dopo l'apprendimento di un compito dichiarativo (ippocampo-dipendente) si riscontrino effetti significativi sulle misure dello SWS ippocampale, mentre in seguito all'apprendimento di un compito procedurale dovrebbero risultare modificati i parametri del sonno REM. Infine, in base all'ipotesi del "replay" ippocampo-neocorticale, è possibile attendersi un aumento della correlazione tra l'attività delle regioni neocorticali e ippocampali conseguente all'apprendimento.

UNITA' DI RICERCA CICOGNA
Ci si attende un rapido dissiparsi dell'inerzia del sonno nei compiti di priming semantico che, essendo un compito di recupero automatico, non dovrebbe troppo risentire della fluttuazione del livello di arousal. Ci si attende per contro un'iniziale compromissione nelle performance di apprendimento episodico e procedurale, con un trend di miglioramento i cui tempi, allo stato attuale delle conoscenze, non sono prevedibili. Si può anche ipotizzare che stadi del sonno diversi al momento del risveglio influiscano differenzialmente sulle prestazioni, a seconda del sistema mnestico interessato. La paralisi motoria della REM potrebbe ad esempio esercitare un effetto di carry-over e influenzare maggiormente l'apprendimento procedurale rispetto all'apprendimento dichiarativo.

UNITA' DI RICERCA MASCETTI
Riguardo all'esperimento 2, ci si attende che negli animali sperimentali, la deprivazione di sonno intacchi in maniera diversa l'acquisizione dei due compiti e quindi, la prestazione dei due emisferi. Il quadro di sonno Mo-Un e binoculare durante il recupero dovrebbe essere in relazione all'effetto differenziale della deprivazione sui due tipi di apprendimento. Per quanto concerne l'esperimento 3, il livello di ritenzione dell'apprendimento (memoria) post-deprivazione dovrebbe essere differente nei due compiti e quindi riguardo la prestazione dei due emisferi. Il quadro di sonno Mo-Un e binoculare durante il recupero dovrebbe essere in relazione al livello di ritenzione dell'apprendimento. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Sebbene generalmente si pensi che la funzione del sonno sia di tipo ristorativo, esso gioca un ruolo importante anche nei processi di apprendimento e memoria. Già agli inizi del secolo scorso è stato dimostrato che il rafforzamento di una traccia mnestica può essere favorito da periodi di sonno rispetto a equivalenti periodi di veglia (24). I benefici indotti dal sonno furono messi in relazione alla riduzione degli input sensoriali, che influenzerebbe positivamente la ritenzione di materiale già appreso. Tale ipotesi "passiva" è stata poi sostituita dall'idea che il sonno è attivamente coinvolto nel consolidamento mnestico. Tale concetto era già presente nell'ipotesi di Moruzzi (34) secondo cui il sonno non riguarderebbe i processi di recupero veloce delle sinapsi dedicate ad attività stereotipate, ma il recupero lento delle "sinapsi apprese" (cioè i nuovi contatti tra neuroni). Di recente, questa idea ha ricevuto conferme empiriche da studi comportamentali, neurofisiologici e di genetica molecolare, sia nell'uomo che nell'animale (31).
Gli studi su modelli animali possono essere suddivisi in quattro categorie: valutazione degli effetti della deprivazione di sonno post-apprendimento (soprattutto deprivazione REM); valutazione dei cambiamenti della struttura del sonno post-apprendimento; relazioni tra sonno, sviluppo e plasticità cerebrale; studi di riattivazione. In generale, gli studi riferibili alle prime due aree hanno evidenziato il ruolo del sonno soprattutto nei compiti ippocampo-dipendenti. L'ippocampo ha un ruolo centrale nel processo di consolidamento mnestico: le informazioni codificate prima nell'ippocampo sono gradualmente incorporate in siti extraippocampali (63). Nei ratti è stato particolarmente studiato il ruolo dell'ippocampo negli aspetti spaziali e contestuali della memoria episodica, i quali risultano spesso danneggiati da lesioni ippocampali, inattivazione o blocco recettoriale (39). La deprivazione del sonno REM (DREM) post-apprendimento ha solitamente effetti negativi sulla memoria (37) e comunque è efficace solo se applicata durante le cosiddette "finestre di sonno paradosso", in cui il REM aumenta oltre la baseline in seguito all'addestramento (49). Inoltre, coerentemente con l'idea di Moruzzi (34), in genere la DREM non influenza l'apprendimento di compiti semplici che non coinvolgono modificazioni sostanziali del repertorio comportamentale, ma influisce negativamente solo sull'acquisizione di compiti complessi che implicano nuove strategie comportamentali (apprendimento discriminativo e probabilistico, labirinti complessi, evitamento) (18,22). Studi recenti con il labirinto ad acqua di Morris o con quello radiale hanno chiarito che la DREM intacca specificamente la componente spaziale della memoria a lungo termine (52,54). Purtroppo il paradigma della deprivazione di sonno (DS) animale è contaminato da effetti non-specifici (risposta da stress, aumento dell'eccitabilità corticale) che possono essi stessi peggiorare la performance mnemonica (47). Va anche ricordato che tali studi non hanno ancora chiarito il ruolo del sonno NREM nel consolidamento mnestico. D'altra parte, l'apprendimento di compiti spaziali e i paradigmi di evitamento causano dei cambiamenti nel sonno post-apprendimento (2,20,29). Nello specifico, è stato osservato un aumento del REM dopo addestramento a compiti complessi in animali con un sufficiente livello di apprendimento, e in ceppi di topi che apprendono rispetto a ceppi che non apprendono (21,49).
Nei ratti i movimenti oculari registrati in REM sono scanditi dalle onde ponto-genicolo-occipitali (PGO), ritenute coinvolte nella plasticità cerebrale (7,10). Se registrate dal ponte, le onde PGO sono dette onde pontine (onde P). Studi comportamentali hanno mostrato che la densità delle onde P aumenta dopo l'addestramento ad un compito di evitamento e che il miglioramento post-sonno è positivamente correlato con l'attività delle onde P durante il REM (8,32). Inoltre, l'attivazione dei generatori delle onde P mediante carbacolo previene gli effetti nocivi sulla memoria indotti dalla DREM (9). Questi studi indicano che l'attivazione dei generatori delle onde P possano essere coinvolti nell'elaborazione mnestica legata al REM.
Per ciò che concerne il sonno NREM, esso aumenta, così come il REM, dopo un condizionamento con rinforzo positivo (23,53). E' interessante notare come, nei ratti che non riescono ad apprendere un compito di evitamento nel primo giorno di pratica, il miglioramento nel giorno seguente sia accompagnato da un aumento dello SWS, e delle sequenze SWS-veglia e SWS-REM (1). Questi risultati sono stati integrati nell'ipotesi sequenziale, secondo la quale l'elaborazione nel sonno di nuove memorie consiste di due fasi, che richiedono prima lo SWS e poi il REM (1,17).
L'osservazione che in diverse specie di mammiferi le quantità di sonno sono maggiori nei periodi di rapido sviluppo cerebrale e di aumentata sinapsogenesi che non in altri momenti della vita, ha suggerito un ruolo del sonno anche nella maturazione cerebrale (13,45). Inoltre, il sonno sembra critico per la plasticità neurale, un meccanismo importante per l'elaborazione mnestica (4,5,14,19,46). Ad esempio, nei ratti la DS riduce la proliferazione di cellule nel giro dentato dell'ippocampo (19) e indebolisce la plasticità riducendo il potenziamento a lungo termine (PLT). Il sonno potrebbe dunque offrire un periodo di recupero per i processi cellulari sottostanti alla plasticità neuronale (5). Il ruolo del sonno nella plasticità corticale è stato ulteriormente dimostrato in vivo, combinando nel gatto una deprivazione monoculare con periodi di sonno o di veglia (14): il sonno amplifica gli effetti di un periodo precedente di deprivazione monoculare sulle risposte corticali visive, mentre la veglia al buio non presenta tale effetto. L'aumento della plasticità corticale era correlato con durata e intensità del NREM, suggerendo un ruolo importante per il sonno NREM nel rimodellamento delle sinapsi corticali indotto dalla deprivazione monoculare (14). Infine, il sonno e la sua privazione modificano l'espressione di diversi geni e dei loro prodotti, rilevanti per la plasticità sinaptica (6).
Uno dei contributi più interessanti per la comprensione dei meccanismi del consolidamento mnestico durante il sonno viene da un numero crescente di studi che hanno mostrato la riattivazione durante il sonno delle strutture neurali corticali e sotto-corticali coinvolte nel processo di apprendimento in veglia (39). La maggior parte di questi studi ha indagato nel ratto le riattivazioni spontanee post-addestramento delle cosiddette "place cells", cellule che scaricano selettivamente quando l'animale occupa una specifica posizione spaziale. Le place cells attivate durante l'addestramento aumentano la loro scarica durante il sonno successivo (36), e quelle che scaricano insieme quando il ratto sveglio si trova in una particolare posizione spaziale, tendono ad aumentare la frequenza di scarica comune anche durante il sonno (65). Le sequenze di scarica registrate durante l'esplorazione spaziale sono riespresse durante lo SWS (35,48), sia nell'ippocampo sia nella neocorteccia (44). Una forma simile di "replay" nel sonno è stata riportata anche per la durata e la struttura dell'attività neuronale legata al cinguettio diurno nel fringuello (11), suggerendo che le corrispondenze sensomotorie sono immagazzinate durante il canto ma non modificano il comportamento se non dopo un confronto off-line (durante il sonno) tra l'output delle prove motorie ed il feedback sensoriale previsto. Tali riattivazioni neuronali sono state ritrovate sia nello SWS post-apprendimento (48) sia nel sonno REM (28), presumibilmente come riflesso di processi complementari durante questi stadi (37). In ogni caso, questi risultati suggeriscono chiaramente che l'attività neuronale iniziata in veglia può essere riattivata/consolidata nel sonno successivo.
L'idea che anche nell'uomo il sonno sia necessario per il consolidamento di certi tipi di memorie è stato rafforzato da recenti studi sulla memoria procedurale (3,57). La conoscenza procedurale comprende memorie sul come si esegue un compito o come si risolve un problema ("knowing how"). Tali memorie, che possono riguardare il dominio motorio, visivo o verbale (3), sono di solito implicitamente (inconsciamente) apprese (55), e dette "non-dichiarative". Il materiale dichiarativo si riferisce invece a memorie accessibili al ricordo conscio ("knowing that"). Nell'uomo, la memoria dichiarativa può essere ulteriormente suddivisa in una componente semantica e una episodica. I sistemi di memoria dichiarativa e procedurale sono supportati da distinte strutture neuroanatomiche (56). La formazione ippocampale (compresa la corteccia entorinale e paraippocampale) gioca un ruolo fondamentale solo nella memoria dichiarativa (60). D'altra parte striato, cervelletto, amigdala e diverse regioni neocorticali modalità-specifiche possono sottendere a distinte abilità mnestiche comprese sotto l'etichetta non-dichiarativa/procedurale (15).
Molti dei primi esperimenti sui rapporti tra sonno e memoria nell'uomo hanno utilizzato test classici di memoria dichiarativa (p.e., apprendimento verbale) focalizzandosi sui cambiamenti del REM dopo l'addestramento (51). I risultati sono eterogenei e piuttosto contraddittori, ma di fatto nessuno di questi studi ha osservato cambiamenti del REM dopo l'addestramento. Più di recente, è stato usato un disegno "prima/seconda parte della notte" per valutare la memoria sia procedurale sia dichiarativa (40,41). Le percentuali di ricordo venivano confrontate in seguito a periodi di 4 ore di sonno indisturbato della prima (ricca di SWS) e della seconda (ricca di REM) parte della notte. La memoria dichiarativa otteneva i maggiori benefici dal sonno della prima parte della notte rispetto a quello della seconda parte o ad un corrispondente periodo di veglia (40,41). Tali risultati indicano che, più che il REM, lo SWS esercita una facilitazione selettiva sul consolidamento della memoria dichiarativa nell'uomo. Ma il diretto responsabile del consolidamento della memoria dichiarativa potrebbe non essere lo SWS per se, quanto l'inibizione del rilascio dei glucocorticoidi dalla surrenale durante la prima parte del sonno. Infatti, elevando la concentrazione plasmatica di glucocorticoidi durante la prima parte del sonno mediante iniezione di cortisolo (42) o dexametasone (43), si inibisce l'effetto benefico del sonno della prima parte della notte sul ricordo di parole.
La relazione tra memoria procedurale e sonno sembra invece più robusta, offrendo il modello più promettente di consolidamento mnestico indotto dal sonno. Nell'ultimo decennio, il miglioramento della memoria procedurale indotto dal sonno è stato indagato nell'ambito percettivo, utilizzando principalmente un compito di discriminazione visiva, il texture discrimination task -TDT- (26). Il miglioramento della prestazione al TDT si sviluppa lentamente dopo l'addestramento, senza alcun beneficio se il retest avviene nello stesso giorno dell'addestramento (58); un miglioramento si osserva invece dopo appena una notte di sonno. Inoltre, notti di sonno addizionale producono ulteriori miglioramenti nella prestazione, anche in assenza di ulteriore pratica (59). Tale miglioramento lento dipende chiaramente dal sonno, tanto che i soggetti deprivati di sonno la notte dopo l'addestramento e ritestati 3 giorni dopo in seguito a 2 notti di recupero, non mostrano alcun apprendimento residuo (58). E' interessante notare che un breve sonnellino pomeridiano è in grado di annullare il deficit prestazionale dovuto al testing ripetuto nel corso dello stesso giorno (33).
Il miglioramento al TDT è proporzionale alla quantità di SWS durante il primo quarto della notte, così come alla quantità del REM nell'ultimo quarto (59). Se la prima parte del sonno facilita la memoria di discriminazione visiva, la seconda parte del sonno triplica questo effetto (16). D'altra parte, Karni e coll. (27) avevano evidenziato che la deprivazione selettiva di REM preveniva il miglioramento allo stesso tipo di compito, mentre la deprivazione selettiva di SWS non induceva questo effetto. Nel complesso, questi risultati supportano l'idea che sia lo SWS sia il REM siano rilevanti nel consolidamento dell'apprendimento del TDT (57). Gli effetti della prima (SWS) e della seconda parte del sonno (REM) sembrano essere indipendenti, in accordo con il modello a due stadi (o sequenziale) di consolidamento della memoria nel sonno (17,59).
Gli effetti sull'apprendimento percettivo sono stati replicati nell'apprendimento di compiti motori, utilizzando un compito di finger-tapping (62) ed uno di opposizione tra il pollice e le altre dita (entrambi abbreviati in FTT) (12). Karni e coll. (25) hanno mostrato un miglioramento della prestazione al FTT 24 ore dopo l'addestramento senza ulteriore pratica. Recentemente è stato osservato che questo miglioramento è sonno-dipendente, dato che la prestazione migliora solo dopo il sonno notturno e non dopo la veglia notturna (12). Infine, è stato riportato che il miglioramento prestazionale al FTT è correlato alla quantità di stadio 2 durante l'intera notte, e specialmente durante l'ultimo quarto della notte (62).
Usando il disegno prima/seconda parte della notte, è stato anche riportato che la memoria procedurale (verbale e non verbale) migliorava maggiormente dopo periodi di sonno a predominanza di REM rispetto a periodi ricchi di SWS o di veglia (40, 41). Infine, recenti dati dimostrano che il sonno può anche facilitare l'insight (61): soggetti addestrati ad un compito cognitivo di apprendimento di sequenze stimolo-risposta possono migliorare improvvisamente le loro prestazioni dopo il sonno, intuendo la regola astratta nascosta che sottende tutte le sequenze. Pertanto il sonno faciliterebbe l'estrazione di conoscenze esplicite e di comportamenti intuitivi mediante la ristrutturazione di nuove rappresentazioni mnestiche.
I metodi di brain imaging hanno mostrato negli ultimi anni che anche nell'uomo diverse aree cerebrali attivate durante l'apprendimento vengono riattivate durante il successivo sonno REM (30). La riattivazione nel REM post-addestramento non è semplicemente correlata all'acquisizione delle abilità visuomotorie di base, ma piuttosto all'acquisizione implicita delle regole probabilistiche che definiscono le sequenze-stimolo (38). Inoltre, il livello di acquisizione delle regole raggiunto prima del sonno è correlato all'aumento metabolico durante il REM successivo, suggerendo che la riattivazione cerebrale post-addestramento è modulata dalla forza delle tracce sviluppate in apprendimento. Questi dati supportano l'ipotesi che nell'uomo il REM sia fortemente coinvolto nella rielaborazione e ottimizzazione delle tracce recenti della memoria procedurale.
In conclusione, una notevole quantità di studi (perlopiù recenti) indica in maniera difficilmente controvertibile che il sonno gioca diversi ruoli nell'elaborazione dell'apprendimento e nel consolidamento delle memorie. Studi sia nell'uomo che nell'animale suggeriscono ruoli distinti per i diversi stadi del sonno. In uno sforzo di semplificazione, si potrebbe ascrivere ai periodi di sonno caratterizzati da prevalenza di SWS una selettiva facilitazione del consolidamento della memoria dichiarativa e, al contrario, ai periodi di sonno con prevalenza di REM e di stadio 2 una facilitazione selettiva del consolidamento delle memorie procedurali. Ad ogni modo, rimane ancora da chiarire il preciso ruolo di ciascun stadio del sonno (o della loro sequenza) per le varie forme di apprendimento e di memoria. <<<