Il danno alla sostanza bianca cerebrale e la sua associazione con la sincronizzazione neurale durante il sonno

Quando il cervello si allontana dallo stato di veglia per entrare nel sonno profondo, passa da un stato di desicronizzazione dell’attività elettroencefalografica a un tracciato a onde lente spontanee. Questi epifenomeni, riflettono le oscillazioni lente che avvengono a livello cellulare dove l’intensa e sincronizzata scarica neuronale si alterna a periodi di silenzio. In generale, si pensa che le onde lente generate a livello corticale, derivino da una interazione dinamica tra i nuclei talamici e la corteccia cerebrale. Questi giocano un ruolo cruciale nelle proprietà ristorative del sonno, essendo altresì essenziale per la plasticità sinaptica che sottostà al consolidamento della memoria dell’apprendimento. Studi recenti hanno, inoltre, implicato che possa essere necessario per la pulizia di rifiuti neurotossici accumulati durante la veglia, un processo che si pensa compromesso in alcune patologie neurodegenerative.
Le ipotesi attuali suggeriscono che le proprietà strutturali della sostanza bianca influiscano su come i network corticali si sicronizzino per produrre oscillazioni lente durante le fasi non-REM del sonno. E’ stato evidenziato che, le differenze interindividuali del corpo calloso, spiegano il 38% dell’attività a onde lente EEG nelle fasi NREM. Più nello specifico, più grandi volumi sono stati associati a una più alta attività a onde lente, supportando l’ipotesi che una più ampia sostaza bianca interemisferica aumenti la sicroncità all’EEG. In un altro studio, una migliore sincronicità corticale è stata associata a una più alta diffusività assiale nei giri frontali, che gli autori hanno associato a una migliore integrità della sostanza bianca. Presi insieme, questi risultati, supportano l’idea che una più sana integrità della sostanza bianca correli con una più alta sincronicità cerebrale durante il sonno.
Tuttavia, questi lavori sono stati effettuati su soggetti giovani e sani, con probabilmente poca variabilità interindividuale nella loro sostanza bianca. La questione permane di come il cervello possa efficacemente sincronizzare i suoi network per produrre ampie onde lente e un sonno ristoratore quando è sottoposto a grandi danneggiamenti della sostanza bianca, come in alcuni disordini neurologici. Si può trovare una risposta, testando pazienti con ampi danni a questo livello mesi dopo un danno traumatico cerebrale (TBI) da moderato a grave. Infatti, questa popolazione, è particolarmente interessante da studiare, in quanto la maggior parte dei soggetti, presentano danni alla sostanza bianca visibili alla risonanza magnetica e fino al 70% sviluppa fatica severa e disturbi del sonno cronici. L’incapacità dell’encefalo di sincronizzare i suoi network locali durante il sonno potrebbe essere un elemento chiave per spiegare questi disturbi.
In questo lavoro vengono investigate le caratteristiche morfologiche delle onde lente NREM in individui con vari gradi di danni alla sostanza bianca secondari a gravi TBI al confronto con controlli sani. Sono state anche performate, analisi di correlazione tra le proprietà strutturali della sostanza bianca nei soggetti TBI e le caratteristiche delle onde lente. È stata, quindi, testata l’ipotesi che un più severo danno alla sostanza bianca sia associato a una riduzione della sincronicità durante il sonno, che possa impedire la funzione ristorativa del sonno e, facendo questo, generare fatica e disturbi del sonno che si osservnao di frequente.

Sono stati reclutati 23 pazienti TBI cronici e 27 controlli sani. Entrambi i gruppi hanno compilato un diario quotidiano sulla qualità del sonno e hanno indossato un sistema per il monitoraggio del sonno totale la settimana prima di essere sottoposti alla risonanza magnetica e alla polisonnografia. Tutti i partecipanti sono stati sottoposti a una risonanza magnetica 3 T seguita da una polisonnografia ambulatoriale la stessa notte. La mattina seguente, è stata performata una valutaizione neuropsicologica e questionari sull’umore, fatica e sonno. Per caratterizzare la struttura della sostanza bianca, è stata utilizzata la tecnica TDI, che misura la diffusione delle molecole di acqua nell’encefalo. Data la chiara direzionalità dei tratti di sostanza bianca, la diffusione dell’acqua è maggiore lungo l’asse delle fibre e minore perpendicolarmente, è possibile differenziare il danno assonale dal mielinico. Per caratterizzare le onde lente NREM, è stato utilizzato un sistema di detezione automatizzato durante una intera notte di registrazione polisonnografica. Sono state misurate la densità delle onde lente e le caratteristiche morfologiche, incluse ampiezza, frequenza, ripidezza e la durata di fase. E’ stato ipotizzato che il danno esteso alla sostanza bianca (come aumento della diffusività e riduzione dell’anisotropia frazionale), predica una più bassa sincronicità neuronale durante il sonno (come onde di minore ampiezza e ripidità).
Il gruppo TBI ha riportato in modo significativo più stanchezza e peggiore qualità del sonno rispetto ai controlli e deficit in numerosi domini cognitivi. La macroarchitettura del sonno, tuttavia, non è risultata essere differente così come il tempo di sonno totale riportato nei diari. L’analisi delle scansioni DTI ha mostrato estensivo danno alla sostanza bianca nei pazienti. In particolare, il gruppo TBI era eterogenoeo, con alcuni individui che non mostravano differenze rispetto ai controlli e altri che presentavano importanti sequele.
Il risultato più importante emerso è che il danno alla sostanza bianca è fortemente associato a segni di migliore sincronicità neuronale durante il sonno NREM: le onde lente all’EEG erano più ampie e ripide nei partecipanti con più danno cerebrale. Queste evidenze sono in contrasto con l’ipotesi iniziale degli autori che si aspettavano che una perdita di sostanza bianca avrebbe diminuito la sincronicità neuronale e, di conseguenza, diminuito l’apiezza e la ripidezza delle onde lente. È stato anche evidenziato che il danno alla sostanza bianca correla in modo positivo che più lunghe fasi negativi delle onde lente e stanchezza diurna. Questi risultati sfidano la comprensione attuale di cosa rappresenti l’attività a onde lente NREM nei soggetti sani.

Le onde lente visibili all’EEG riflettono le oscillazioni lente che avvengono a livello cellulare, dove periodi di stato silente (fase negativa), si alternano a intense scariche neuronali sicronizzate (fase positiva). La ripidità dell’onda al passaggio tra la fase negativa alla positiva, rappresenta il grado di transizione tra le fasi, più si presenta ampia, più è sincronizzata la transizione dalla fase silente alla depolarizzazione. L’apiezza delle onde, invece, rappresenta più probabilmete l’estensione del pool neuronale che sta scaricando simultaneamente.
Le oscillazioni lente avvengono a livello corticale, originando per lo più vicino all’insula e al giro cingolato mediale per le interazioni tra i nuclei talamici e la corteccia cerebrale, si propagano lungo l’asse anteroposteriore attraverso le vie cingolate: la sostanza bianca risulta quindi essere fondamentale per la loro propagazione. Questo lavoro pone in evidenza che la relazione tra le onde lente e la struttura della sostanza bianca non sia nè lineare nè semplice.
Evidenze emerse da studi in modelli animali potrebbero in parte spiegare i risultati di questo lavoro: danno diffuso alla sostanza bianca può attivare acutamente dei meccanismi omeostatici che portano a una up regolazione dell’eccitabilità corticale a lungo termine e causare parte dell’aumento della sincronia neuronale descritto. D’altro canto, potrebbe essere che la disconnessione fisica per il danno diffuso alla sostanza bianca in TBI porti la corteccia più vicina al suo stato di default. Infatti, onde lente spontanee coimpaiono in stati in cui la corteccia è fisicamente o funzionalmente disconnessa dalla stimolazioni esterne come nel sonno profondo e anestesia. Le connessioni talamo-corticali sono specialmene vulnerabili nei soggetti TBI, portando effettivamente la corteccia più vicino a uno stato di isolamento. Questo potrebbe anche giocare un ruolo nelle ampie onde lente che sono state osservate in questi pazienti.
Infine, non è possibile escludere che questa associazione tra il danno alla sostanza bianca e le caratteriste delle onde lente non sia dovuta alla pressione omeostatica del sonno. Un aumento della potenza dell’attività delle onde lente all’inizio del sonno è il marker fisiologico standard della pressione omeostatica del sonno. I soggetti TBI con danno più severo hanno presentato maggiore attività a onde lente per tutti i cicli di sonno.

Questo studio è il primo che abbia esplorato l’associazione tra le onde lente del sonno e la struttura della sostanza bianca in soggetti adulti con danno a questo livello. I risultati mostrano una forte associazione tra la sostanza bianca e le onde lente che si presentano durante la fase NREM del sonno. Cervelli più danneggiati sono associati a markers di più alta sincronicità cerebrale durante il sonno e queste associazioni potrebbero essere causate da disconnessione cerebrale o da una più alta pressione omeostatica del sonno in pazienti TBI. Il danno alla sostanza bianca non sembra impedire la funzione ristorativa del sonno, come inizialmente proposto e le evidenze di questo lavoro sfidano l’ipotesi corrente riguardo il ruolo della sostanza bianca sulla capacità dell’encefalo di sincronizzare le sue regioni corticali durante il sonno.

Brain white matter damage and its association with neuronal synchrony during sleep

Erlan Sanchez, He´jar El-Khatib, Caroline Arbour, Christophe Bedetti, He´ le`ne Blais, Karine Marcotte, Andre´e-Ann Baril, Maxime Descoteaux, Danielle Gilbert, Julie Carrier and Nadia Gosselin

https://academic.oup.com/brain/article-abstract/142/3/674/5303653?redirectedFrom=fulltext