Come il cervello “suggerisce” la fatica: dinamiche della risonanza magnetica funzionale durante l’addormentamento

Uno studio condotto dal team del professor II Gaez presso l'Università della California del Sud (USC), pubblicato su iScience, dimostra l'esistenza di nuovi marcatori oggettivi di neuroimaging in grado di rilevare l'insorgenza della sonnolenza in una fase precoce, prima che una persona si addormenti completamente.

Compito e rilevanza

Microsonni e momentanee perdite di attenzione causano centinaia di incidenti stradali e infortuni sul lavoro. Finora, è stato difficile prevedere l'esatto momento dell'addormentamento utilizzando questionari soggettivi o un elettroencefalogramma. In questo studio, i ricercatori hanno esaminato la possibilità di rilevare l'inizio del periodo di insorgenza del sonno (SOP) attraverso le variazioni del segnale BOLD nella risonanza magnetica funzionale.

Perché è importante?

• Diagnosi precoce dell'affaticamento. L'identificazione di precise neuromappe aiuta a sviluppare metodi per monitorare conducenti e operatori, prevenendo incidenti dovuti ai micro-sonni.
• Ricerca sul sonno. La dinamica delle oscillazioni lente del BOLD potrebbe diventare un biomarcatore oggettivo dell'insorgenza della SOP, integrando i test psicologici ed elettrofisiologici.
• Neuromodulazione: agire sul talamo o sulle reti dell'attenzione tramite neurostimolazione potrebbe prolungare la veglia in situazioni critiche senza ricorrere alla farmacologia.

"Abbiamo dimostrato per la prima volta che la transizione alla sonnolenza è accompagnata da cambiamenti chiari e riproducibili nelle lente fluttuazioni del segnale BOLD", commenta II Gaez. "Questo apre la strada al monitoraggio oggettivo della fatica basato sulla neuroimmagine".

Progettazione sperimentale

1. Quorum di volontari: 20 partecipanti sani (10 m/10 f, di età compresa tra 22 e 35 anni) senza disturbi del sonno.
2. Dormire nello scanner MRI: i soggetti erano sdraiati con gli occhi chiusi e potevano addormentarsi liberamente mentre lo scanner riproduceva un rumore di sottofondo (80 dB).
   • EEG (elettrodi propri nello scanner),
   • EOM (ampiezza del movimento oculare),
   • Telecamera di sorveglianza per palpebre.
3. Definizione di SOP: dalla combinazione di palpebre semichiuse, rallentamento dei ritmi EEG e, per la prima volta, da cambiamenti nei parametri BOLD.

Analisi dettagliata del segnale BOLD

• Fluttuazioni a bassa frequenza (0,03–0,07 Hz): nelle fasi iniziali della SOP, l'ampiezza di queste oscillazioni aumentava del 30–50% in
  • talamo (coordinazione della veglia),
  • corteccia occipitale (elaborazione visiva),
  • nodi della rete in modalità predefinita (DMN): corteccia prefrontale mediale e PCC.
• Connettività funzionale:
  • Talamo ↔ corteccia prefrontale: aumento del 20%, indicando una maggiore “traduzione” dei segnali del sonno alla corteccia.
  • Rete dell'attenzione (DAN): le connessioni tra i lobi parietali e frontali si sono ridotte del 15%, riflettendo un indebolimento dell'orientamento esterno.

Correlazione con la fatica

• Differenze individuali: i partecipanti con meno ore di sonno (<6 ore) hanno mostrato un aumento più precoce e pronunciato delle oscillazioni a bassa frequenza.
• Dati comportamentali: i primi segni di micro-sonno (risposta ritardata a un semplice compito visivo nella risonanza magnetica) coincidevano con l'ampiezza di picco dell'asse talamo-DMN BOLD.

Possibili applicazioni

1. Monitoraggio del conducente e dell'operatore: trasferimento dei risultati fMRI su dispositivi fMRI o EEG portatili per un allarme precoce dell'affaticamento.
2. Orari di lavoro personalizzati: tenendo conto della “soglia” SOP individuale nella pianificazione dei turni e del riposo, si riducono gli incidenti.
3. Terapia del sonno: test degli effetti della caffeina, dei brevi riposini e della neuromodulazione (stimolazione magnetica transcranica) sul rallentamento dei cambiamenti BOLD.

Citazioni degli autori

"Abbiamo dimostrato per la prima volta come le lente oscillazioni BOLD nel talamo e nella corteccia prevedano l'inizio del sonno", commenta il Prof. Gaez. "Questo apre la strada allo sviluppo di 'occhi fisiologici' oggettivi per monitorare lo stato di allerta".

"Le nostre scoperte ci permettono di ripensare la gestione della stanchezza: non basta più chiedere 'Come hai dormito?', dobbiamo essere in grado di 'vedere' il cervello", aggiunge il coautore Dr. Li Jing.

Gli autori evidenziano i seguenti punti chiave:

• Affidabilità neurobiologica dei marcatori
  “L’aumento delle fluttuazioni a bassa frequenza del segnale BOLD nel talamo e nella rete della modalità passiva è chiaramente correlato ai segni oggettivi di sonnolenza (chiusura delle palpebre, rallentamento dell’EEG), - osserva II Gaez. - Ciò dimostra che la SOP può essere “vista” non solo dal comportamento, ma anche direttamente dall’attività cerebrale.”

• Differenze individuali
  "Abbiamo scoperto che le persone con privazione cronica del sonno mostravano cambiamenti BOLD più precoci e pronunciati", afferma il Dott. Lee. "Questo apre la possibilità di personalizzare le strategie di lotta alla stanchezza: alcuni potrebbero aver bisogno di 'microsonni' più frequenti, mentre altri potrebbero aver bisogno di fototerapia o neurostimolazione".

• Traduzione in pratica
  “Il passo successivo è adattare questi marcatori alle tecnologie portatili (fNCD, cuffie EEG a secco) per monitorare in tempo reale la vigilanza di conducenti e operatori”, aggiunge il Prof. Martinez.

• Prospettive cliniche
  “I cambiamenti riscontrati possono anche aiutare nella diagnosi dei disturbi del sonno: insonnia, apnea e narcolessia hanno effetti diversi sulla fase iniziale della SOP e il marcatore BOLD aiuterà a differenziare queste condizioni”, conclude il dott. Singh.

Questa ricerca apre la strada alle neurotecnologie per la prevenzione di incidenti e infortuni basate su marcatori individuali e in tempo reale dell'insorgenza della sonnolenza e promette di rendere più sicure le strade e i siti industriali.