La scienza del sonno: che cosa fa il cervello per tutta la notte

La maggior parte delle persone trascorre circa un terzo della propria vita dormendo. A lungo questo è stato considerato tempo sprecato, una specie di spegnimento. Oggi gli scienziati sanno che il sonno è una delle attività più intense e meglio organizzate del corpo. È uno stato di ridotta attività mentale e fisica in cui la coscienza è alterata e alcuni sensi sono in parte disattivati. I muscoli si rilassano, smettiamo di interagire con l'ambiente che ci circonda, eppure il cervello continua a lavorare secondo schemi complessi e ritmici.

Che cos'è esattamente il sonno?

Dormire non equivale a essere privi di coscienza. Una persona addormentata può ancora essere svegliata da un rumore forte, da una luce intensa o da qualcuno che la chiama per nome, e il cervello controlla in silenzio i suoni in arrivo per cogliere qualcosa di importante. Una madre può dormire nonostante il rumore del traffico e svegliarsi subito quando il suo bambino piange. Questa capacità di tornare rapidamente alla piena coscienza è ciò che distingue il sonno dal coma o dall'anestesia generale, in cui il cervello non risponde normalmente al mondo esterno.

Gli scienziati descrivono di solito il sonno attraverso alcune caratteristiche fondamentali:

• Movimenti ridotti: il corpo diventa immobile e i muscoli si rilassano.
• Una postura e un luogo tipici: gli esseri umani si sdraiano, gli uccelli possono appollaiarsi, i pipistrelli si appendono a testa in giù.
• Risposta più debole agli stimoli: serve un segnale più forte per attirare la nostra attenzione.
• Facile reversibilità: a differenza del coma, il sonno finisce in fretta quando qualcuno ci sveglia.
• Regolazione: se perdiamo ore di sonno, il corpo cerca di recuperarle in seguito.

Come sono state scoperte le fasi del sonno

Per gran parte della storia il sonno è rimasto un mistero, perché nessuno poteva vedere che cosa accadesse dentro una testa addormentata. Le cose cambiarono con l'elettroencefalogramma, o EEG, uno strumento che registra l'attività elettrica del cervello tramite piccoli sensori applicati sul cuoio capelluto. Lo psichiatra tedesco Hans Berger registrò il primo EEG umano negli anni Venti del Novecento, e i ricercatori notarono presto che le onde cerebrali durante il sonno sono molto diverse da quelle della veglia.

La svolta più importante arrivò nel 1953 all'Università di Chicago. Eugene Aserinsky, uno studente di dottorato, e il suo supervisore Nathaniel Kleitman notarono che, in certi momenti della notte, gli occhi di chi dormiva si muovevano rapidamente avanti e indietro sotto le palpebre chiuse. Quando le persone venivano svegliate in questi periodi, di solito riferivano sogni molto vividi. Questa fase fu chiamata sonno REM, dall'inglese rapid eye movement, cioè movimenti oculari rapidi. Tutto il resto prese il nome di sonno non REM.

Oggi il sonno si studia in laboratorio con un esame chiamato polisonnografia. Registra contemporaneamente onde cerebrali, movimenti degli occhi, attività muscolare, frequenza cardiaca e respirazione, offrendo una mappa dettagliata di un'intera notte.

Il ciclo del sonno: una notte per fasi

Il sonno non è uno stato uniforme. Durante la notte il cervello attraversa un ciclo di fasi che dura circa 90 minuti e si ripete da quattro a sei volte.

Fase 1 non REM (N1)

È la fase leggera e sonnolenta, alla soglia del sonno, e dura solo pochi minuti. Il respiro rallenta, i muscoli iniziano a rilassarsi ed è facile svegliarsi. Molte persone avvertono in questo momento uno scatto improvviso, chiamato mioclono ipnico, talvolta insieme alla sensazione di cadere.

Fase 2 non REM (N2)

La frequenza cardiaca rallenta e la temperatura corporea scende un po'. L'EEG mostra brevi raffiche di attività rapida chiamate fusi del sonno e grandi onde isolate chiamate complessi K. Gli scienziati ritengono che i fusi aiutino a proteggere il sonno dai rumori e abbiano un ruolo nell'apprendimento. Gli adulti trascorrono in questa fase circa metà della notte.

Fase 3 non REM (N3)

Chiamata anche sonno profondo o sonno a onde lente, questa fase è dominata da onde cerebrali ampie e lente. È la fase da cui è più difficile svegliarsi, e chi viene svegliato in questo momento si sente spesso intontito e confuso per un po'. La maggior parte del sonno profondo avviene nella prima metà della notte. Il sonnambulismo e il pavor nocturnus, più frequenti nei bambini, iniziano di solito in questa fase.

Sonno REM

Nel sonno REM il cervello diventa attivo quasi quanto durante la veglia. Gli occhi si muovono velocemente, respiro e battito cardiaco diventano irregolari e si presentano la maggior parte dei sogni vividi, simili a racconti. Allo stesso tempo, quasi tutti i muscoli del corpo sono temporaneamente paralizzati, tranne quelli che controllano gli occhi e la respirazione. Si pensa che questa paralisi ci impedisca di mettere in atto i nostri sogni. I periodi REM si allungano con il procedere della notte, ed è per questo che al primo mattino ci si sveglia spesso nel mezzo di un sogno.

Le due forze che controllano il sonno

Perché la sera ci viene sonno e al mattino ci svegliamo? I ricercatori del sonno lo spiegano spesso con il modello a due processi, proposto dallo scienziato svizzero Alexander Borbély all'inizio degli anni Ottanta. Descrive due sistemi che lavorano insieme.

La pressione del sonno

Più a lungo restiamo svegli, più forte diventa il bisogno di dormire. Una delle sostanze legate a questa pressione è l'adenosina, che si accumula nel cervello durante la veglia e viene smaltita durante il sonno. La caffeina, presente nel caffè, nel tè e in molte bibite, ci fa sentire più vigili soprattutto perché blocca i recettori dell'adenosina nel cervello. Nasconde la stanchezza per un po', ma non elimina il bisogno di dormire.

L'orologio biologico

Il secondo sistema è il ritmo circadiano, un orologio interno che segue un ciclo di circa 24 ore. La parola deriva dal latino circa diem, che significa «circa un giorno». L'orologio principale è un minuscolo gruppo di neuroni dell'ipotalamo chiamato nucleo soprachiasmatico, che riceve segnali luminosi direttamente dagli occhi. Quando fa buio, la ghiandola pineale rilascia l'ormone melatonina, che comunica al corpo che è arrivata la notte. La luce del mattino frena la melatonina e aiuta a rimettere l'orologio all'ora giusta ogni giorno.

L'importanza di questo orologio è stata riconosciuta con il premio Nobel per la medicina o la fisiologia del 2017, assegnato a Jeffrey Hall, Michael Rosbash e Michael Young. Lavorando sui moscerini della frutta, scoprirono i geni e le proteine che permettono alle cellule di misurare il tempo. Quasi ogni cellula del corpo umano ha un proprio piccolo orologio, e tutti sono coordinati dall'orologio principale del cervello.

Il jet lag mostra che cosa succede quando i due sistemi vanno fuori sincronia. Dopo un lungo volo attraverso più fusi orari, l'orologio biologico segue ancora il vecchio orario: i viaggiatori hanno sonno a mezzogiorno e sono completamente svegli di notte, finché l'orologio non si adatta gradualmente alla luce del giorno locale.

Perché abbiamo bisogno di dormire

Gli scienziati stanno ancora studiando tutte le funzioni del sonno, ma diverse sono ben sostenute dalla ricerca.

• Memoria e apprendimento: durante il sonno il cervello ripercorre e rafforza ciò che ha imparato durante il giorno. L'ippocampo, una regione importante per formare nuovi ricordi, sembra trasferire le informazioni alla corteccia per la conservazione a lungo termine. Gli studenti che dormono dopo aver studiato in genere ricordano di più di quelli che restano svegli.
• Pulizia del cervello: uno studio del 2013 sui topi ha scoperto che durante il sonno gli spazi tra le cellule cerebrali si allargano, permettendo al liquido di portare via le sostanze di scarto in modo più efficiente. Questa rete di pulizia si chiama sistema glinfatico.
• Crescita e riparazione: gran parte dell'ormone della crescita viene rilasciata durante il sonno profondo, cosa particolarmente importante per bambini e adolescenti. Anche i tessuti e i muscoli si riparano.
• Difese immunitarie: chi dorme troppo poco tende a prendere infezioni più facilmente, e i vaccini possono funzionare meno bene nelle persone che non dormono abbastanza.
• Equilibrio emotivo: il sonno REM sembra aiutare il cervello a elaborare le esperienze emotive. Dopo una brutta notte, le persone sono di solito più irritabili e meno capaci di gestire lo stress.

Quanto dobbiamo dormire?

La quantità di sonno di cui una persona ha bisogno cambia molto con l'età. Le organizzazioni di medicina del sonno forniscono indicazioni generali come queste:

• I neonati dormono per la maggior parte della giornata, circa 14-17 ore, in molti brevi periodi.
• I bambini dai 6 ai 12 anni hanno bisogno di circa 9-12 ore per notte.
• Gli adolescenti dai 13 ai 18 anni hanno bisogno di circa 8-10 ore.
• Gli adulti hanno bisogno di almeno 7 ore per notte.

Gli adolescenti affrontano una sfida particolare. Durante la pubertà l'orologio biologico si sposta verso orari più tardi, per cui la melatonina viene rilasciata più tardi la sera. Molti adolescenti non riescono davvero ad addormentarsi presto, eppure la scuola spesso comincia di prima mattina. Per questo molti studiosi del sonno sostengono un inizio delle lezioni più tardivo per gli studenti più grandi.

I neonati, inoltre, trascorrono in sonno REM una parte del loro sonno molto maggiore rispetto agli adulti: circa la metà del sonno di un neonato è REM, contro all'incirca un quinto o un quarto negli adulti. I ricercatori pensano che ciò possa favorire il rapido sviluppo del cervello in crescita.

Che cosa succede quando non si dorme abbastanza

Anche una sola notte breve ha effetti. Attenzione, tempi di reazione e capacità di giudizio peggiorano, e possono comparire i microsonni, brevi cedimenti di pochi secondi in cui il cervello si addormenta senza che la persona se ne accorga. I microsonni sono particolarmente pericolosi per chi guida. Alcune ricerche hanno rilevato che guidare dopo un lungo periodo senza dormire può compromettere le prestazioni più o meno quanto guidare dopo aver bevuto alcol.

A lungo termine, dormire regolarmente troppo poco è associato a un rischio maggiore di obesità, diabete di tipo 2, malattie cardiache e depressione. La mancanza di sonno influisce anche sugli ormoni dell'appetito, ed è uno dei motivi per cui le persone stanche desiderano spesso cibi dolci o grassi.

Un caso famoso è quello di Randy Gardner, uno studente di liceo di 17 anni di San Diego che tra la fine del 1963 e l'inizio del 1964 rimase sveglio per circa 11 giorni per un progetto di una fiera della scienza. Con il passare dei giorni faceva sempre più fatica a concentrarsi, a ricordare e a parlare in modo chiaro. Dopo il suo record dormì circa 14 ore e si riprese. In seguito il Guinness dei primati smise di accettare tentativi di restare svegli a causa dei rischi per la salute.

I disturbi del sonno più comuni

La medicina del sonno riconosce decine di disturbi del sonno. Tra i più noti ci sono:

• Insonnia: difficoltà ad addormentarsi o a restare addormentati, spesso legata a stress, preoccupazioni o abitudini irregolari.
• Apnea ostruttiva del sonno: durante il sonno le vie aeree si restringono o si chiudono ripetutamente, interrompendo la respirazione. Un russare rumoroso e la stanchezza durante il giorno sono segnali tipici.
• Narcolessia: una condizione in cui le persone si addormentano all'improvviso durante il giorno. Di solito è causata dalla perdita di cellule cerebrali che producono una sostanza chiamata orexina, nota anche come ipocretina, che aiuta a tenerci svegli.
• Sindrome delle gambe senza riposo: un fastidioso bisogno di muovere le gambe, di solito più intenso la sera.
• Sonnambulismo e pavor nocturnus: episodi che nascono dal sonno non REM profondo. Sono comuni nell'infanzia e di solito scompaiono con l'età.

Il sonno nel regno animale

Il sonno, o qualcosa di molto simile, è stato osservato in mammiferi, uccelli, rettili, pesci e persino in insetti come il moscerino della frutta. Nel 2017 alcuni ricercatori hanno descritto uno stato simile al sonno nella medusa capovolta Cassiopea, un animale del tutto privo di cervello. Ciò fa pensare che il sonno sia estremamente antico dal punto di vista evolutivo.

Gli animali hanno trovato modi sorprendenti di dormire:

• I delfini e gli altri cetacei fanno riposare una metà del cervello alla volta. Si chiama sonno uniemisferico e permette loro di continuare a nuotare e di risalire in superficie per respirare.
• Alcuni uccelli, come le anatre, possono anch'essi dormire con una metà del cervello, tenendo un occhio aperto per sorvegliare i predatori. Le fregate sono state registrate mentre dormivano brevemente in volo.
• Le giraffe e gli elefanti in natura dormono solo poche ore al giorno.
• I pipistrelli e i koala sono tra i mammiferi più dormiglioni e trascorrono gran parte della giornata dormendo o riposando.

Il sonno nella storia e nella cultura

Gli esseri umani si sono sempre interrogati sul sonno. Nella mitologia greca Ipno era il dio del sonno e il fratello gemello di Thanatos, il dio della morte. Spesso si diceva che uno dei figli di Ipno fosse Morfeo, che dava forma ai sogni, e l'analgesico morfina prese il nome da lui per il suo effetto soporifero. I Romani chiamavano il dio del sonno Somnus, da cui derivano parole come insonnia.

Anche le abitudini di sonno sono cambiate nel tempo. Lo storico Roger Ekirch ha trovato in antichi scritti europei molti riferimenti a un primo sonno e a un secondo sonno, separati da un periodo di veglia nel cuore della notte. Prima che l'illuminazione artificiale si diffondesse, la gente andava spesso a letto poco dopo il tramonto e poteva alzarsi per un'ora circa per pregare, leggere, badare al fuoco o chiacchierare prima di riaddormentarsi. La luce elettrica, e più tardi gli schermi, hanno spostato in avanti l'ora di andare a letto e hanno trasformato il sonno in un unico blocco per la maggior parte delle persone.

Semplici abitudini per dormire meglio

Gli studiosi del sonno concordano su diverse abitudini pratiche che aiutano la maggior parte delle persone a dormire meglio:

1. Mantenere orari regolari: andare a letto e alzarsi a orari simili ogni giorno, fine settimana compresi, mantiene stabile l'orologio biologico.
2. Prendere luce naturale al mattino: una luce intensa nelle prime ore del giorno aiuta a regolare il ritmo circadiano.
3. Limitare gli schermi prima di dormire: gli schermi luminosi possono ritardare il rilascio di melatonina, e i contenuti eccitanti tengono la mente all'erta.
4. Fare attenzione alla caffeina: i suoi effetti possono durare diverse ore, quindi una bevanda al pomeriggio può ancora disturbare il sonno notturno.
5. Tenere la camera buia, silenziosa e fresca: una stanza un po' più fresca aiuta, perché la temperatura corporea scende naturalmente mentre ci addormentiamo.
6. Essere attivi durante il giorno: l'esercizio fisico regolare aiuta ad addormentarsi più in fretta e a dormire più profondamente.

Il sonno non è una pausa dalla vita, ma una sua parte vitale. Ogni notte, mentre restiamo immobili, il cervello riordina i ricordi, il corpo si ripara e l'orologio interno ci prepara a un nuovo giorno.