Spindles

Generazione degli spindles

Quando si parla di spindles ci si riferisce alla regolare attività oscillatoria del tracciato nella banda frequenziale 10-15 Hz e negli umani si verifica durante lo stadio 2 del sonno non-REM con strutture di tipo “waxing-and-waning” che durano da 0.5 a 3 secondi. Gli spindles possono essere localizzati al vertice di un’onda acuta o di un complesso K.

Gli spindles sono presenti non solo durante lo stadio 2 ma anche durante il sonno SWS e sovraimposti all’attività delta. Hanno ampiezza molto variabile ma sempre generalmente inferiore ai 50 μV picco-picco.

Figura 4-2: Andamento temporale dell' EEG in corrispondenza di uno spindle

La densità di spindle per notte è una caratteristica molto soggettiva, dato che la registrazione di un’intera notte può contenere indifferentemente dai 200 ai 1000 spindles. (Eero Huupponen, 2007)

L’attività spindle origina nel talamo dalle interazioni mutue tra neuroni GABAergici del nucleo reticolare (RE). I neuroni reticolari innescano uno spike che sollecita un IPSP nei

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neuroni talamocorticali (TC); al termine dell’IPSP, i neuroni TC generano uno spike che eccita i neuroni del nucleo RE, che generano ancora un altro spike e così via, iniziando un altro ciclo di oscillazione spindle. Perciò uno spindle è il risultato dell’interazione tra i neuroni TC e quelli del nucleo RE.

All’interno delle reti neocorticali, l’attività spindle è probabilmente associata ad un influsso massivo di calcio nelle cellule piramidali.

Due tipi di spindle

Gli studi sugli umani hanno rivelato in modo consistente la presenza di due tipi di spindle: spindles veloci (13-15 Hz) che mostrano una distribuzione più diffusa che si concentra sulla corteccia centrale e parietale, e spindles lenti (10-12 Hz), che mostrano una topografia più focalizzata sulla corteccia centrale e più pronunciata durante il sonno a onde lente piuttosto che quello di fase 2. (Bjorn Rasch, 2013)

I due tipi di spindle differiscono per molti aspetti, tra cui la loro regolazione circadiana ed omeostatica, la reattività farmacologica e per le modificazioni legate all’età.

Con l’utilizzo di EEG e MEG le sorgenti neocorticali dei classici spindles veloci sono state localizzate nel precuneo, e di quelli lenti nella corteccia prefrontale. E’ stato inoltre rivelato che entrambi i tipi di spindle sono associati con un’aumentata attività nel talamo; tuttavia, quelli lenti mostrano un’aumentata attivazione nel giro frontale superiore mentre quelli veloci nelle aree corticali motorie e soprattutto nell’ippocampo, il che suggerisce una particolare relazione tra gli spindles veloci e i processi di memoria che dipendono dall’ippocampo.

Nonostante una tale evidenza comunque, rimane oggetto di dibattito se l’origine delle due diverse tipologie sia da attribuire a due diversi processi neurali oppure se siano semplicemente due modulazioni diverse dello stesso sistema di generazione. Tra le due

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ipotesi, è più credibile che la natura dello spindle sia da attribuire alla durata delle sequenze di iperpolarizzazione dei neuroni talamocorticali: le iperpolarizzazioni più durevoli danno luogo a spindles lenti, mentre iperpolarizzazioni più corte a spindles più rapidi (Luigi De Gennaro, 2003).

Spindles e memoria

Molti studi negli umani e negli animali hanno indicato una robusta associazione tra l’attività spindle e il processing della memoria. L’apprendimento intenso di informazioni dichiarative, come quello legato all’esercizio dell’accoppiamento di parole o altri esercizi concettualmente simili, provoca l’aumento del numero di spindle durante il sonno successivo all’apprendimento; in altri studi si è evidenziato come anche la codifica di una lista di parole astratte e difficili produca un aumento della potenza e della densità di spindle, rispetto al sonno che segue la codifica di parole più semplici e concrete; (Christina Schmidt, 2006) inoltre, l’attività spindle correla anche con l’integrazione lessicale delle informazioni appena acquisite, il che suggerisce che gli spindles contribuiscano all’integrazione delle nuova informazioni in reti di conoscenza neocorticale pre-esistenti.

Da altri studi, (Bergmann TO, 2012) si evidenzia come si possano osservare riattivazioni congiunte nelle regioni ippocampali e neocorticali che avvengono in sincronia temporale con gli eventi spindle durante il sonno non-REM dopo un esercizio di apprendimento; la forza delle riattivazioni covariava infatti in questo studio con l’ampiezza spindle. Tutte queste osservazioni messe insieme forniscono un primo indizio circa il coinvolgimento degli spindles nello scambio ippocampo-neocorticale di informazioni durante il sonno. (Bjorn Rasch, 2013)

Gli spindles sembrano anche essere coinvolti nel consolidamento delle capacità, specialmente quelle motorie e visuomotorie.

In generale, possiamo dire che sicuramente il sonno costituisce una condizione in cui i contenuti di memoria nuovi, che durante la veglia vengono localizzati temporaneamente

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nell’ippocampo, possono essere trasferiti con un flusso inverso verso la neocorteccia in memorie di più lungo termine.

Il meccanismo con cui intervengono gli spindles in questo processo ancora non è ben noto; infatti la generazione degli spindles ha luogo in un sistema cerebrale distinto, ovvero nei circuiti corticotalamici e originano dal nucleo reticolare del talamo. Gli spindles sembrano essere coinvolti nell’aumento di plasticità neocorticale . (Mircea Steriade, 2003)

L’aumento di attività spindle potrebbe riflettere un’attività corticale auto-sostenuta dopo l’apprendimento, oppure secondo un’interpretazione alternativa è possibile che l’attività dell’ippocampo prepari selettivamente alcuni circuiti corticali, che poi partecipano all’attività spindle. (Steffen Gais M. M., 2002)

E’ importante sottolineare che nonostante tutte queste evidenze, non si può ancora parlare di una vera e propria relazione di causa-effetto tra gli spindles e il consolidamento della memoria, ma soltanto di una forte correlazione osservata; per dimostrare una simile relazione sarebbe necessario poter manipolare selettivamente l’attività spindle, per esempio mediante somministrazione di farmaci particolari. (Bjorn Rasch, 2013).

Tipo di memoria Soggetti coinvolti Task eseguito Studio Risultato

osservato

Memoria

dichiarativa Soggetti sani

Word pairs association (Manuel Schabus K. H., 2008) Aumento numero di spindles negli elettrodi frontopolari e centrali

52 (Manuel Schabus G. G., 2004) Aumento attività spindle in stadio 2 del sonno (Steffen Gais M. M., 2002) Aumento del numero di spindles nella prima parte della

notte Codifica di parole difficili vs codifica di parole più semplici (Christina Schmidt, 2006) Aumento della potenza e della densità degli spindle Codifica di parole nuove simili e parzialmente sovrapponibili a parole familiari (Jakke Tamminen, 2010) Aumento dell’attività spindle nel gruppo che effettua l’esercizio

appena prima del sonno

Memoria

dichiarativa Soggetti sani

Test di memoria di oggetti

(Els van der Helm, 2011) Aumento dello stadio 2 e del numero di spindles frontali Memoria procedurale (capacità motorie e visuomotorie)

Soggetti sani Pursuit rotor task, finger tapping (Carlyle T. Amith, 2004), (Masaki Nishida, 2007), (Zsofia Clemens, 2006) Aumento del numero di spindles nella corteccia motoria e parietale

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4.3 Bibliografia

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Capitolo 5 - STATO DELL’ ARTE SULLA