Alcuni animali, come uccelli, delfini, e balene, può impegnarsi in un sonno uniemisferico, in cui un emisfero del cervello dorme mentre l'altro emisfero rimane sveglio. Rimanere mezzo sveglio consente agli animali di "tenere gli occhi aperti" letteralmente per i predatori, e per gli uccelli migratori, consente un volo ininterrotto per giorni o addirittura settimane.

Sebbene non si sappia che il sonno uniemisferico si verifica negli esseri umani, recenti ricerche hanno scoperto che gli esseri umani mostrano uno stile di sonno simile quando sperimentano per la prima volta un sonno disturbato in una nuova posizione, chiamato "effetto prima notte". Questo effetto comporta dinamiche asimmetriche tra i due emisferi:mentre l'emisfero destro si impegna nel normale sonno a onde lente, l'emisfero sinistro sperimenta un sonno meno profondo, suggerendo che potrebbe rimanere parzialmente vigile.

Ora in un nuovo studio, i ricercatori hanno ulteriormente studiato i meccanismi alla base di questa attività del sonno al fine di sviluppare un modello di sonno uniemisferico nel cervello umano. La carta, di Lukas Ramlow et al., è pubblicato in un recente numero di EPL .

"La nostra ricerca ha dimostrato che la rottura spontanea della simmetria dinamica dei due emisferi cerebrali è possibile anche per gli esseri umani, " coautore Eckehard Schöll, professore di fisica teorica alla Technische Universität di Berlino, detto Phys.org . "Poiché le diverse fasi del sonno sono associate a diversi gradi di sincronizzazione, Credo che una debole forma di sonno uniemisferico, cioè., diversa profondità di sonno dei due emisferi, può verificarsi negli esseri umani, non solo nelle balene, delfini, foche, e uccelli migratori."

Nel cervello umano, gli stati di sonno e di veglia possono essere distinti per le loro diverse forme di attività elettrica. Quando sveglio, i neuroni del cervello si attivano in modo asincrono, moda un po' caotica, mentre i neuroni nel cervello addormentato si attivano in modo più sincronizzato.

Ricerche precedenti hanno suggerito che i due emisferi del cervello possono essere visti come due popolazioni accoppiate di oscillatori, poiché entrambi gli emisferi generano segnali elettrici in modo coordinato. Da questa prospettiva, il sonno uniemisferico si verifica quando il cervello occupa uno stato di due domini coesistenti, costituito da un emisfero sincronizzato (dormiente) e un emisfero incoerente (vegliato). In fisica, questo tipo di stato, caratterizzata dalla coesistenza di ordine e disordine, è chiamato "stato chimera".

Utilizzando i dati MRI di 20 persone su 90 diversi siti cerebrali, i ricercatori hanno studiato come il cervello passa dall'incoerenza (sveglio) alla sincronizzazione (addormentato). Come spiegano, l'accoppiamento all'interno di ogni singolo emisfero (accoppiamento intraemisferico) è più forte di quello tra i due emisferi (accoppiamento interemisferico). Diminuendo la forza di accoppiamento interemisferico mantenendo fissa la forza di accoppiamento intraemisferico nel loro modello, i ricercatori hanno osservato che un emisfero mostrava un'attività più sincronizzata rispetto all'altro, simile al sonno uniemisferico e allo stato di chimera.

"In precedenza è stato ipotizzato che gli "stati chimerici" possano verificarsi in natura sotto forma di sonno uniemisferico (che è noto per alcuni animali), ma non è stata fornita alcuna modellazione realistica, Schöll ha detto. "L'importanza del nostro lavoro è che abbiamo dimostrato per la prima volta, modellando la dinamica dei due emisferi cerebrali utilizzando connessioni empiriche del cervello umano, che può effettivamente verificarsi una sincronizzazione parziale simile al sonno uniemisferico. Inoltre, abbiamo identificato il meccanismo di questo basandoci su diversi punti di forza dell'accoppiamento intra-emisferico (forte) e interemisferico (debole)".

I risultati supportano l'idea che il sonno uniemisferico richieda un certo grado di separazione tra i due emisferi. I ricercatori hanno scoperto che questa separazione può verificarsi a causa dell'asimmetria strutturale del cervello. è risaputo, Per esempio, che i due emisferi hanno diverse dimensioni delle corrispondenti regioni del cervello e diverse densità neuronali all'interno di queste regioni.

Sulla base del loro modello, i ricercatori hanno scoperto che anche una leggera asimmetria strutturale risulta in un'asimmetria dinamica, in cui un emisfero mostra schemi di fuoco più sincronizzati rispetto all'altro, come in uno stato di chimera. Quindi nel complesso, l'asimmetria strutturale nel cervello può spiegare i meccanismi alla base del sonno uniemisferico e il relativo effetto della prima notte, ma molte domande rimangono senza risposta.

"Nella ricerca futura abbiamo in programma di indagare più a fondo lo stato del sonno uniemisferico nel nostro modello (che utilizza le dinamiche sulle connettività strutturali empiriche del cervello umano), rispetto alle seguenti domande, " ha detto Schöll. "Quali aree degli emisferi cerebrali sono sincronizzate, quali non lo sono? Possiamo identificare una sorta di relè nel cervello che media la sincronizzazione tra le diverse aree del cervello? In che modo tale sincronizzazione del relè è correlata alla memoria, o all'apprendimento, o alla percezione? Anche, stiamo studiando come le crisi epilettiche, che sono associati a una forte sincronizzazione spontanea del cervello, può essere avviato e terminato".

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