Differenze comportamentali e tracciati EEG tra gli stati di sonno e la veglia

Lo stato di sonno e lo stato di veglia mostrano sostanziali differenze sul versante comportamentale e fisiologico. La veglia è uno stato di coscienza in cui il soggetto è vigile e consapevole del mondo che lo circonda. Essa è caratterizzata dalla presenza del tono muscolare e da movimenti oculari, i quali consentono all’individuo di potersi muovere nell’ambiente, di focalizzare l’attenzione su aspetti salienti e di poter agire o meno in modo intenzionale. Di contro, lo stato di sonno è determinato dalla non responsività all’ambiente circostante. In particolare, esso può essere suddiviso in due stati differenti, il sonno non-REM (abbreviato NREM) e il sonno REM. Durante il sonno NREM si osserva il mantenimento del tono muscolare e l’assenza di movimenti oculati. Mentre nel sonno REM vi è una perdita totale del tono muscolare, presenza di movimenti oculari rapidi e generalmente è lo stato di coscienza in cui si concentra la maggior parte della nostra attività onirica.

Oltre allo studio delle aree neurali e dei meccanismi biochimici sottostanti il sonno NREM, il sonno REM e la veglia, alcuni lavori hanno osservato come questi tre stati siano caratterizzati da pattern EEG differenti tra di loro (Šušmáková, 2004). L’EEG, tramite elettrodi posizionati sullo scalpo, consente di misurare le variazioni di potenziale elettrico provenienti da ampie popolazioni neuronali poste in strati superficiali della corteccia. Tuttavia, è importante sottolineare che i segnali EEG non rispecchiano l’attività dei potenziali d’assone neuronali, bensì originano dal flusso extracellulare generato dalla sommatoria spazio-temporale di potenziali post-sinaptici eccitatori e potenziali post-sinaptici inibitori. Questo flusso nasce principalmente grazie a cellule piramidali posizionate nel terzo e quinto strato della corteccia cerebrale, poste in posizione perpendicolare allo scalpo.

Per convenzione, sono stati individuati range di frequenza entro i quali è possibile inserire i ritmi cerebrali. I principali ritmi individuati nel tracciato EEG sono (Birbaumer, 1996; Kandel et al., 2003):

• ritmo delta (frequenza tra 0.5 e 4 Hz): questo ritmo presenta onde lente di grande ampiezza, definite Slow wave activity (SWA), tipiche del sonno profondo. Le SWA sono caratterizzate da un’oscillazione del potenziale di membrana neuronale tra due stati: uno “stato up” (noto nella letteratura scientifica come up-state) nel quale i neuroni sono depolarizzati, ed uno “stato off” (noto nella letteratura scientifica come down-state) in cui si osserva una iperpolarizzazione (–80 mV) (Siclari & Tononi, 2017; Steriade et al., 1993);
• ritmo theta (frequenza tra 4 e 7 Hz): questo ritmo è presente nelle prime fasi dell’addormentamento, quindi in un sonno leggero;
• ritmo alfa (frequenza 8-13 Hz): questo ritmo è tipico della veglia rilassata ad occhi chiusi e sparisce all’apertura degli occhi. È localizzabile in regioni occipito-parietali;
• ritmo beta (frequenza 14-30 Hz): questo ritmo si osserva nella veglia ad occhi aperti in cui il soggetto è impegnato in attività cerebrali. È presente infatti in stati di allerta, ma anche nel sonno REM durante la fase onirica;
• ritmo gamma (frequenza 30-100 Hz): questo ritmo è caratterizzato da onde estremamente veloci di bassa ampiezza ed è presente nel corso dello svolgimento di compiti ad alta elaborazione cognitiva e di apprendimento.

Onde cerebrali

In conclusione, durante la veglia ed il sonno REM si osservano principalmente onde di bassa ampiezza ed alta frequenza (ritmo alfa, beta e gamma), mentre il sonno n-REM è caratterizzato da onde di grande ampiezza e bassa frequenza. Più precisamente, il sonno n-REM può essere suddiviso in 3 stati (N1, N2, N3). N1 ed N2 sono determinati dalla presenza di ritmo theta, mentre N3 da ritmo delta.