Il ciclo sonno-veglia e i ritmi circadiani : ecco come funzionano

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Perché non possiamo stare svegli? Perché ad un certo punto della giornata sentiamo il bisogno di dormire e non possiamo resistere al sonno?
E perché, invece, a volte il sonno non arriva, anche se siamo stanchi e vogliamo dormire? Perché è difficile invertire il ritmo, e dormire di giorno e stare svegli di notte?
Perché quando facciamo un lungo viaggio in aereo, poi soffriamo il jet-lag e ci vuole qualche giorno per abituarci alle nuove condizioni?

A tutte queste domande si può rispondere spiegando come funziona la regolazione del ciclo sonno-veglia all’interno del nostro corpo. Il ciclo sonno-veglia è regolato dai ritmi circadiani, ma la propensione al sonno è più o meno presente anche per via di un meccanismo omeostatico; questi due fattori (omeostasi del sonno + ritmi circadiani) si integrano tra loro.

SOMMARIO:

Cosa sono i ritmi circadiani
Il modello dei due processi
Disturbi del ritmo circadiano
Sonno e temperatura corporea

Cosa sono i ritmi circadiani

I ritmi circadiani sono cicli di circa 24 ore (‘circadiano’ deriva da ‘circa dies’, ovvero ‘circa un giorno’) che servono da orologio biologico interno del corpo e che lavorano in background per svolgere funzioni e processi essenziali.
I ritmi circadiani sono orologi biologici, ma non tutti gli orologi biologici sono circadiani, perché ci sono orologi biologici che non seguono il ciclo di 24 ore, ma hanno altre tempistiche. Un ritmo circadiano è tale quando soddisfa queste condizioni:

È endogeno, cioè funziona in modo autonomo.
Dura circa 24 ore.
Deve essere sincronizzabile da parte di fattori ambientali.

i ritmi circadiani sono legati al ciclo del giorno e della notte e si ritrovano in tutti i tipi di organismi, nelle piante, negli animali, ecc; ad esempio, fanno in modo che un fiore apra e chiuda i suoi petali; facendo degli esperimenti, si è visto che i fiori aprono e chiudono i petali avvicinandosi a quel ritmo anche quando sono tenuti al buio; il loro comportamento non è quindi diretta conseguenza dell’esposizione al sole, ma è come se avessero un ‘orologio interno’ che ha imparato a regolarsi da solo, e ad anticipare i cambiamenti dovuti all’alternanza notte-giorno.

Anche l’essere umano è un po’ come i fiori; anche noi abbiamo ritmi circadiani che influenzano il momento in cui avvertiamo fame, oppure sonno, e hanno un ruolo importante anche nella produzione di ormoni.

Questi orologi interni funzionano da soli, però non sono perfetti e non riuscirebbero a tenere il passo se non ricevessero anche degli input dall’esterno; infatti è grazie a fattori ambientali come la luce e la temperatura che riescono a mantenersi sincronizzati. Luce e temperatura sono i metronomi del ritmo circadiano, sono loro che danno il tempo delle fluttuazioni periodiche nei processi biologici degli esseri viventi.

I ritmi circadiani del nostro organismo sono collegati a un orologio principale, una sorta di pacemaker circadiano, situato nel nucleo soprachiasmatico (SCN), che si trova in una parte del cervello chiamata ipotalamo. L’SCN è altamente sensibile alla luce, il fattore ambientale che ha l’influenza più decisiva sui ritmi circadiani.

Nella retina dei nostri occhi ci sono cellule capaci di reagire alla luce; coni, bastoncelli, e poi le cellule gangliali, particolarmente sensibili alla luce fredda (blu). Quando si attivano, parte una specie di ‘autostrada nervosa’ (tratto retino-ipotalamico) che va a raggiungere il nucleo soprachiasmatico, dove risiede l’orologio dominante. Da qui si sincronizzano tutti gli orologi biologici, che determinano i nostri ritmi circadiani.

la luce che percepiamo con gli occhi influenza il meccanismo che regola la melatonina — Quando gli occhi recepiscono la luce, il nucleo soprachiasmatico (SCN) fa sì che la ghiandola pineale (epifisi) non produca più melatonina, e rimaniamo svegli. Quando gli occhi non percepiscono la luce, l’SCN fa sì che la ghiandola pineale produca melatonina, favorendo il sonno..

Per quanto riguarda gli studi su sonno e ritmi circadiani negli esseri umani, il primo ad occuparsi di questi aspetti fu un ricercatore, Nathaniel Kleitman (lo stesso che nel 1953 scoprì il sonno REM assieme al suo dottorando Eugene Aserinsky). Per farlo si costrinse a vivere per lunghi periodi in condizioni di isolamento all’interno delle grotte della Mammoth Cave, dove la luce del giorno non arriva; lì non poteva sapere quando era giorno o notte. Poté così osservare che in quelle condizioni l’essere umano ha un ciclo di alternanza sonno-veglia di quasi 25 ore.

Se l’isolamento continua per più di un mese, il ritmo sonno-veglia può diventare anche più lungo (anche fino a 36 ore).

Quando l’essere umano viene posto in condizioni di isolamento, viene a mancare il ‘direttore d’orchestra’ che è l’ambiente, e ogni ‘orologio endogeno’ inizia ad andare per conto suo, senza nessuno che li coordini. Perciò è molto importante ricevere stimoli dall’ambiente esterno, sia naturale, sia sociale.

Gli esperimenti di Nathaniel Kleitman sono stati molto importanti per la CRONOBIOLOGIA, che studia l’alternanza dei ritmi biologici.

Da allora in poi gli scienziati hanno cercato di mettere a punto dei modelli che spieghino la regolazione del ciclo sonno-veglia, ma non è stato semplice capire quanti ‘orologi endogeni’ siano coinvolti nella regolazione di questa alternanza.

Il modello più recente che i cronobiologi hanno messo a punto per spiegare la regolazione del ciclo sonno-veglia è il cosiddetto ‘modello dei due processi’.

Il modello dei due processi

Questo modello si chiama così perché ritiene che il sonno sia regolato da due meccanismi, il meccanismo di controllo circadiano del sonno (processo C) e il meccanismo di controllo omeostatico del sonno (processo S).

Questi due meccanismi C+S interagiscono tra loro e lavorano in modo sinergico per consentirci un funzionamento ottimale. Aumentano la propensione alla veglia, o la propensione al sonno, in modo alternato.

Meccanismo di controllo circadiano del sonno (processo C) :

Il sonno oscilla nelle 24 ore, seguendo un ritmo circadiano; la massima propensione alla veglia avviene nel tardo pomeriggio; la massima propensione al sonno avviene verso la fine della notte.

Durante il giorno, l’esposizione alla luce fa sì che l’orologio principale invii segnali che generano allerta e ci aiutano a rimanere svegli e attivi. Quando cala la notte, l’orologio principale avvia la produzione di melatonina , un ormone che favorisce il sonno, e quindi continua a trasmettere segnali che ci aiutano a dormire tutta la notte. Di notte cervello e cuore rallentano il passo, la pressione arteriosa cala, viene inibita la produzione di ormoni come la peptina, che innesca la fame.

In questo modo, il nostro ritmo circadiano allinea il sonno e la veglia con il giorno e la notte per creare un ciclo stabile di riposo ristoratore che consenta una maggiore attività diurna.

Studiosi che hanno studiato per tutta la loro vita i ritmi circadiani dimostrano che il ritmo veglia sonno coinvolge tutti gli esseri viventi dalla cellula in su.

Meccanismo di controllo omeostatico del sonno (processo S):

Questo meccanismo aumenta la propensione al sonno nel momento in cui stiamo svegli a lungo. La propensione al sonno cresce per tutto il tempo che stiamo svegli e cala dal momento in cui ci addormentiamo.

Omeostasi: capacità degli organismi viventi di mantenere i parametri del proprio ambiente interno entro un certo range di valori. Ci sono meccanismi di controllo che compensano valori troppo bassi, o frenano valori troppo alti.
Funziona un po’ come il termostato delle caldaie: quando la temperatura ambientale ha raggiunto un certo valore, fa sì che la caldaia si fermi; quando la temperatura cala al di sotto di quel valore, la fa riattivare.

Se io sto molto sveglio e mi privo di sonno, la mia propensione al sonno cresce molto; non appena ne avrò possibilità, dormirò subito e molto a lungo.
Viceversa, dopo un lungo sonno ristoratore, non avrò voglia di riaddormentarmi tanto in fretta.

C+S = massima propensione al sonno

Questi due meccanismi C+S si integrano e compensano in questo modo:

Il controllo omeostatico (S) ci dà la propensione alla veglia nel tardo pomeriggio, compensando l’aumentata propensione al sonno dovuta al controllo omeostatico, permettendoci di stare svegli.
Il controllo circadiano (C) ci dà invece la propensione al sonno verso la fine della notte, quando il controllo omeostatico fa cessare la propensione al sonno, perché veniamo da una notte di sonno.

Praticamente il controllo circadiano ci dà la propensione alle veglia nel momento giusto, nel tardo pomeriggio, in un momento in cui, se dipendissimo solo dal controllo omeostatico del sonno, avremmo la tendenza ad addormentarci; invece così possiamo rimanere svegli e attivi fino alla mezzanotte.
Viceversa, il controllo circadiano ci dà la propensione al sonno alla fine della notte, quando se dipendissimo solo dal controllo omeostatico del sonno, avremmo meno propensione a dormire perché veniamo da una notte di sonno.

Questi 2 sistemi si integrano e compensano, permettendoci di restare svegli di giorno e dormire di notte.

Quando S asseconda C, allora si dorme.

In questa parte del video puoi vedere un grafico che mostra come si integrano i due meccamismi C+S.

Questo modello spiega, tra l’altro come mai:

L’intensità del sonno diminuisce progressivamente durante la notte; infatti durante la notte prevale il sonno non REM, invece alla fine della notte prevale il sonno REM, più leggero. Il diminuire del sonno non REM è spiegato dal controllo omeostatico: estinguamo il nostro bisogno di sonno dormendo nella prima parte della notte.
Il REM è sincronizzato con il fatto che la temperatura corporea è minima.
Un ritmo sonno-veglia disturbato o disallineato può causare tutta una serie di disturbi: difficoltà ad addormentarsi, risvegli precoci, sonno frammentato, sonnolenza diurna. Può comportare anche un aumento del rischio cardiovascolare, perché cuore, vasi sanguigni e altri orologi biologici (metabolismo energetico, ecc) vengono a ricevere informazioni contrastanti.
In genere andare a dormire presto fa sì che si abbia bisogno di meno ore di sonno; le prime ore della notte (prima di mezzanotte) sono molto rigeneranti per l’organismo. Dopo le 3 di notte il corpo comincia già, lentamente, a predisporsi alla veglia; viene infatti secreto il coritisolo, un ormone dello stress.

Disturbi del ritmo circadiano:

Ci sono 6 disturbi del ritmo circadiano, puoi vederli qui in dettaglio:

Disturbi del ritmo circadiano e alterazioni del ciclo sonno-veglia

Per mantenere in salute il ritmo circadiano sonno-veglia è utile seguire le norme della corretta igiene del sonno; in particolare è essenziale:

Andare a dormire ad orari regolari; ciò aiuta il tuo corpo a seguire un certo ritmo e ad adattarsi ad esso, mantenendolo stabile.
Mantenersi attivi di giorno: l’attività fisica aiuta a stare svegli di giorno e addormentarsi più facilmente la notte.
Evitare caffeina e sostanze stimolanti, che alterano il naturale equilibrio sonno-veglia. Per favorire il riposo notturno, evita di assumerle dopo mezzogiorno.
Non esporsi a luci artificiali prima di andare a letto, come quelle di TV, lampade, telefonini, schermi, ecc, perché ostacolano il sonno.
Sì al sonnellino, purché sia breve (max mezz’ora) e nel primo pomeriggio, in modo da non interferire con il sonno notturno.

Sonno e temperatura corporea

Anche la temperatura è un fattore importante per il sonno. La temperatura corporea è regolata dall’ipotalamo, in particolare da una zone dell’ipotalamo che si chiama area preottica: quando fa freddo, l’area preottica innesca meccanismi di innalzamento della temperatura corporea (brividi, riduzione del flusso ematico alle estremità degli arti); quando fa caldo, al contrario, fa abbassare la temperatura corporea (sudorazione, riduzione del metabolismo, aumento del flusso ematico alle estremità degli arti).

Di norma abbiamo una temperatura corporea di 37 gradi nella parte centrale del corpo, e alle estremità si riduce di qualche grado; quando fa freddo, ciò si estremizza; quando fa caldo, la temperatura è più omogenea in tutto il corpo.

Il nucleo soprachiasmatico, il nostro orologio biologico principale, dialoga con il termostato dell’area preottica: fa sì che la temperatura corporea sia massima nelle ore diurne e minima nelle ore notturne (in cui ci si riposa, non si ha relazione con l’esterno).

La temperatura corporea inizia a scendere prima che dormiamo e si alza prima del risveglio (l’orologio biologico cerca di anticipare le variazioni ambientali per favorire le condizioni di sonno).

Quando si avvina il momento del sonno, l’area preottica ordina un aumento di flusso sanguigno alle estremità, una dilatazione vascolare che aumenta la dispersione del calore e diminuisce la temperatura corporea.
Per dormire bene, la temperatura ambientale deve essere adeguata: se fa troppo freddo, si riduce il flusso ematico all’estremità degli arti; le estremità restano fredde, e viene così a mancare un segnale importante che normalmente dà il via libera all’addormentamento.

Durante il sonno non Rem, se fa freddo si hanno brividi; durante il sonno REM, no; in non REM se fa caldo si suda, ma in REM no.
In REM il termostato non funziona, non riusciamo a regolare la nostra temperatura corporea.

Se la temperatura è troppo alta o troppo bassa, non si ha il sonno REM. Temperature ambientali troppo alte o troppo basse costringono l’ipotalamo a ridurre la durata del sonno REM (fino a sopprimerlo) perché l’organismo altrimenti rischierebbe di raffreddarsi o surriscaldarsi troppo mentre dorme.