Perché la privazione del sonno uccide
All'interno di una serie di tubi in una stanza luminosa e calda della Harvard Medical School, centinaia di moscerini della frutta stanno alzati fino a tardi. Sono passati giorni da quando qualcuno di loro ha dormito: le vibrazioni costanti che scuotono le loro case impediscono il riposo, aggrappandosi come potrebbero ai tappi dei tubi per la tregua. Non troppo lontano nei loro tubi vivono altre mosche insonni, animate dalla calma persistenza di coloro che sono stati consegnati al giorno eterno. Una modifica genetica ad alcuni neuroni nel loro cervello li tiene svegli per tutto il tempo in cui vivono.
Non vivono a lungo. Le mosche scosse e le mosche ingegnerizzate muoiono entrambe rapidamente – in effetti, quelle progettate sopravvivono solo per la metà dei controlli ben riposati. Dopo giorni di insonnia, i numeri delle mosche crollano, quindi si schiantano. I tubi si svuotano. Le luci si accendono.
Sappiamo tutti che abbiamo bisogno di dormire per essere al meglio. Ma la perdita di sonno profonda ha effetti più gravi e immediati: gli animali completamente privati del sonno muoiono. Eppure gli scienziati hanno trovato stranamente difficile dire esattamente perché la perdita di sonno è letale.
Il sonno è visto principalmente come un fenomeno neurologico, eppure quando le creature private muoiono, hanno un insieme sconcertantemente diverso di fallimenti nel corpo al di fuori del sistema nervoso. Il sonno insufficiente nell'uomo e negli animali da laboratorio, se cronico, crea problemi di salute che affiorano nel tempo, come malattie cardiache, ipertensione, obesità e diabete. Ma quelle condizioni non sono ciò che uccide le creature che sono private al 100% del sonno in pochi giorni o settimane.
Che cosa fa il sonno che lo rende mortalmente inutile? Rispondere a questa domanda potrebbe spiegare perché prima di tutto abbiamo bisogno di dormire? Alla luce pallida delle incubatrici nel laboratorio di Dragana Rogulja presso la Harvard Medical School, mosche insonni hanno vissuto e muoiono mentre cerca le risposte.
In una fredda mattina di quest'inverno, Rogulja si è chinata su una tavoletta nel suo ufficio, i suoi capelli scuri corti che incorniciavano una faccia di intensità elfica e sfogliavano figure per spiegare alcune delle sue conclusioni. Rogulja è una neuroscienziata dello sviluppo in allenamento, ma non è convinta che l'effetto fondamentale della privazione del sonno inizi nel cervello. "Potrebbe venire da qualsiasi parte", ha detto, e potrebbe non sembrare quello che la maggior parte della gente si aspetta.
Ha delle scoperte a sostegno di questa intuizione. Pubblicando oggi sulla rivista Cell , lei e i suoi colleghi offrono prove del fatto che quando le mosche muoiono di insonnia, i cambiamenti letali si verificano non nel cervello ma nell'intestino. I labirinti indaco dell'intestino tenue delle mosche si accendono di una fucsia infuocata nelle micrografie, tradendo un inquietante accumulo di molecole che distruggono il DNA e causano danni cellulari. Le molecole compaiono poco dopo l'inizio della privazione del sonno, prima di qualsiasi altro segnale di avvertimento; se le mosche possono dormire di nuovo, la fioritura rosea svanisce. Sorprendentemente, se le mosche sono alimentate con antiossidanti che neutralizzano queste molecole, non importa se non dormono mai più. Vivono finché i loro fratelli riposati.
I risultati suggeriscono che un lavoro fondamentale del sonno – forse alla base di una rete di altri effetti – è quello di regolare l'antico processo biochimico di ossidazione, mediante il quale i singoli elettroni vengono fatti scattare e spegnere le molecole in servizio a tutto, dalla respirazione al metabolismo. Il sonno, suggeriscono i ricercatori, non è solo la provincia della neuroscienza, ma qualcosa di più profondamente intrecciato nella biochimica che unisce il regno animale.
Più fatale della fame
I primi studi per studiare la privazione totale del sonno avevano una qualità maniacale per loro. A Roma nel 1894, Maria Mikhailovna Manaseina, una biochimica russa, fece una presentazione al Congresso Internazionale di Medicina sui suoi esperimenti su 10 cuccioli. Lei e i suoi assistenti di laboratorio avevano tenuto i cani svegli e in costante movimento 24 ore al giorno; in circa cinque giorni, tutti i cuccioli erano morti. La privazione del sonno sembrava uccidere i cuccioli molto più rapidamente della fame, ha riferito: "La totale assenza di sonno è più fatale per gli animali rispetto alla totale assenza di cibo".
Le autopsie hanno rivelato che i tessuti dei cuccioli erano in cattivo stato, in particolare nel cervello, che era pieno di emorragie, danni ai vasi sanguigni e altre caratteristiche raccapriccianti. Il sonno, concluse Manaseina, non è un'abitudine inutile. Fa qualcosa di profondo per la salute del cervello.
Seguirono altre passeggiate a piedi per tutto il giorno e per tutta la notte. Nel 1898 Lamberto Daddi, un ricercatore italiano, pubblicò disegni dettagliati del cervello dei cani che erano stati privati del sonno; ha riportato un apparente danno degenerativo nel cervello, simile a quello visto nei cani che avevano affrontato altri fattori di stress. Più o meno nello stesso periodo, lo psichiatra Cesar Agostini teneva i cani in gabbie armate di campane che suonavano orribilmente ogni volta che cercavano di sdraiarsi e dormire, e negli anni 1920 i ricercatori in Giappone fecero qualcosa di simile con le gabbie tempestate di chiodi.
Gli studi, a parte la loro coerente crudeltà, avevano una debolezza simile: non avevano controlli validi. I cani erano morti e i loro tessuti sembravano anormali – ma era davvero perché non avevano dormito? O perché le passeggiate e la stimolazione senza sosta sono intrinsecamente stressanti? Separare gli effetti dell'insonnia dall'essere tenuti in piedi fino a quando non ti ha ucciso ti è sembrato impossibile.
La gabbia del giradischi
Ci sono voluti decenni perché gli scienziati tornassero alla questione in modo serio. Negli anni '80, Allan Rechtschaffen , un ricercatore del sonno dell'Università di Chicago celebrato per il suo lavoro pionieristico sulla narcolessia, iniziò a progettare esperimenti che potessero separare gli effetti della sovrastimolazione da quelli dell'insonnia. Ha ideato una gabbia per topi a forma di giradischi sospeso sull'acqua. Un divisorio correva nel mezzo, in modo che gli animali potessero vivere su entrambi i lati mentre il pavimento del giradischi sotto di loro ruotava liberamente. Nel dispositivo gli sperimentatori hanno messo coppie di topi, uno dei quali era destinato a non dormire. Ogni volta che quel topo cercava di riposare, gli scienziati giravano il tavolo, facendo cadere entrambi i topi in acqua.
Questa configurazione ha assicurato che sebbene entrambi i ratti cadessero nell'acqua allo stesso modo spesso, il ratto di controllo poteva ancora catturare qualche strizzatina d'occhio ogni volta che il ratto negava il sonno era attivo. In effetti, i ratti di controllo sono riusciti a dormire circa il 70% rispetto al normale, subendo solo una lieve privazione del sonno. I ratti sperimentali più sfortunati hanno ottenuto meno del 9%, quasi totale perdita di sonno.
Entrambi i gruppi di ratti sono stati disturbati lo stesso numero di volte. Entrambi hanno sofferto lo stress di cadere in acqua e di dover arrampicarsi indietro, gocciolando. Ma solo i ratti gravemente privati del sonno hanno iniziato a declinare. La loro pelliccia divenne ruvida e spettinata, e passò dal bianco al giallo rognoso. Hanno sviluppato lesioni sulla loro pelle. Hanno perso peso. Dopo circa 15 giorni in media, sono morti. Rechtschaffen aveva scoperto un modo per dimostrare che la perdita di sonno stessa ha davvero ucciso.
Per gli studenti laureati che eseguono questi esperimenti, i giorni sono stati lunghi. "Il laboratorio si trovava in un condominio, quindi avresti una camera da letto accanto a una sala di sperimentazione sugli animali", ha detto Ruth Benca , professore di psichiatria all'Università della California, Irvine, che ha lavorato con Rechtschaffen per alcuni anni. "Avevano camere da letto accanto alle stanze in cui i loro animali venivano privati in modo da poter monitorare tutto il giorno."
Il lavoro è stato impegnativo anche in altri modi. "Sono stati esperimenti difficili, difficili da fare, psicologicamente, per far passare un animale attraverso quello", ha detto Paul Shaw , uno dei successivi studenti laureati di Rechtschaffen e ora professore di neuroscienze alla Washington University di St. Louis. "Negli ultimi sette giorni dell'esperimento, stai lavorando con questa nuvola sopra la tua testa." Quando i suoi topi erano a solo un giorno o due dalla morte, il protocollo sperimentale lo invitava a lasciarli dormire e osservare i loro elettroencefalogrammi o EEG. Shaw ricorda che mentre il monitor esplodeva di vita, annunciando il sonno tanto atteso degli animali, sentì cadere un peso dalle sue spalle. "Fino ad oggi posso vederlo", ha detto, parlando della lettura EEG. "Potrei metterlo in una cornice sul mio muro, e potrebbe rendermi felice ogni volta."
Ma il lavoro è stato anche elettrizzante. “Devi credere nel risultato per farlo. Non c'è altro modo ", ha detto Shaw. Arrivò al laboratorio dopo che gli studenti che avevano aperto la strada a questi esperimenti avevano conseguito la laurea e se ne andarono, ma sentiva ancora le loro storie durante le riunioni, dove ricordavano l'eccitazione. "Nessuno voleva ottenere il suo dottorato di ricerca", ha ricordato, perché se potessero rimanere ", tutti hanno pensato che domani avrebbero scoperto la funzione del sonno".
Cause confuse di morte
I successi sperimentali di Rechtschaffen avrebbero dovuto finalmente consentire agli scienziati di vedere quanto insufficiente uccide il sonno, il che avrebbe potuto portare a maggiori approfondimenti su ciò che rende il sonno così indispensabile. Ma quando i ricercatori hanno eseguito autopsie sugli animali, ciò che hanno scoperto per lo più ha aggiunto alla confusione. C'erano poche differenze coerenti tra i topi di controllo e quelli che morivano per mancanza di sonno e nessun segno di ciò che li aveva uccisi. I topi privati erano magri e avevano ghiandole surrenali allargate, ma questo era tutto. "Non è stata identificata alcuna causa anatomica di morte", hanno concluso i ricercatori .
Le osservazioni sul comportamento degli animali hanno mostrato qualcosa di più interessante. "Gli animali privati del sonno in queste condizioni attentamente controllate aumenterebbero la loro assunzione di cibo due e tre volte la quantità normale e perderebbero peso", ha detto Carol Everson , professore di medicina e neurobiologia presso il Medical College of Wisconsin, che era uno degli studenti universitari di Rechtschaffen . "Abbiamo fatto ogni sorta di studi metabolici per cercare di scoprire se ci fosse una menomazione che potremmo rilevare."
C'era una forte sensazione nel campo del sonno, tuttavia, che le risposte sulle funzioni più elementari del sonno sarebbero state trovate nel cervello. John Allan Hobson , un importante ricercatore del sonno della Harvard Medical School, aveva appena pubblicato un articolo su Nature dal titolo "Il sonno è del cervello, dal cervello e per il cervello ". Come Shaw ha ricordato, "Questo ha catturato lo zeitgeist dell'intera comunità del sonno".
In effetti, la vasta preponderanza della ricerca sul sonno si concentra ancora oggi sul cervello e su argomenti come il deterioramento cognitivo. La perdita del sonno altera il metabolismo nell'uomo – ci sono connessioni con il diabete e la sindrome metabolica – ma i ricercatori di salute pubblica sono spesso gli unici a occuparsene. Coloro che cercano di comprendere lo scopo fondamentale del sonno raramente cercano risposte nel metabolismo o in altri processi chimici.
Specie reattive dell'ossigeno
I neuroni coinvolti nella regolazione del sonno sono al centro del lavoro di Rogulja. Ma il fatto che la perdita del sonno comprometta la circolazione, la digestione, il sistema immunitario e il metabolismo la rendeva curiosa se questi fossero effetti a valle di problemi neurologici o se fossero indipendenti. "Sembra che non possa essere tutto per il cervello", ha detto.
Sapeva degli esperimenti di Rechtschaffen – "veri classici" – e che c'erano stati pochi follow-up. Una volta stabilito che la perdita totale del sonno uccide, l'uso della privazione per studiare lo scopo del sonno era caduto a margine. Nei decenni successivi, tuttavia, i moscerini della frutta erano diventati un importante organismo modello nel campo del sonno, perché la loro genetica è ampiamente compresa e facile da manipolare ed è economica da tenere in laboratorio. Molte scoperte del sonno fatte per la prima volta nelle mosche sono state verificate nei mammiferi. Con l'ascesa delle mosche come comprovati soggetti di prova, quando Rogulja divenne curioso della privazione terminale del sonno, sembrò di nuovo una cosa plausibile da studiare.
Quando la ricercatrice post-dottorato Alexandra Vaccaro è arrivata nel laboratorio di Rogulja nel 2016, i due hanno elaborato un piano. In primo luogo, da altri laboratori hanno ottenuto mosche geneticamente modificate per avere canali sensibili alla temperatura in alcuni neuroni. Al di sopra di 28 gradi Celsius, i canali si aprivano e rimanevano aperti, mantenendo i neuroni attivati e le mosche sveglie. Con i canali chiusi, le mosche hanno goduto della normale durata di 110 giorni. Con i canali aperti, hanno iniziato a morire di privazione totale del sonno dopo solo 10 giorni circa ed erano tutti morti entro 20 giorni.
Sono emersi schemi intriganti mentre Vaccaro eseguiva i test. Se ha chiuso i canali e ha permesso alle mosche di dormire il giorno 10, si sono riprese e hanno vissuto fino a quando i controlli. Ma se li ha privati di nuovo cinque o 10 giorni dopo, sono morti: qualsiasi danno si fosse accumulato durante la loro insonnia iniziale apparentemente non era stato ancora riparato. Ci vollero 15 giorni di sonno normale prima che potessero essere nuovamente privati del sonno senza morire immediatamente.
Quando Vaccaro dissezionò le mosche a vari livelli di privazione, i loro tessuti sembravano tutti incolumi, con un'eccezione molto marcata: le loro viscere erano folte di specie reattive dell'ossigeno (ROS), molecole con un atomo di ossigeno che porta un elettrone di riserva. Alcuni ROS sono prodotti nel normale corso della respirazione, del metabolismo e della difesa immunologica degli organismi, a volte per funzioni specifiche e talvolta come sottoprodotti. Ma se i ROS non vengono assorbiti dagli enzimi antiossidanti, diventano estremamente pericolosi, perché quell'ossigeno sbilanciato strappa elettroni dal DNA, dalle proteine e dai lipidi. In effetti, dopo che ROS è apparso una settimana nella privazione del sonno delle mosche, i marcatori del danno ossidativo sono aumentati – un segno che le cellule erano in crisi.
I livelli di ROS hanno raggiunto il picco il decimo giorno di privazione. Quando alle mosche è stato permesso di iniziare a dormire normalmente, ci sono voluti circa 15 giorni perché i loro livelli di ROS si avvicinassero di nuovo alla linea di base – lo stesso tempo impiegato dalle mosche per resistere a una rinnovata privazione.
Rogulja e Vaccaro non si aspettavano un risultato così chiaro entro pochi mesi dall'inizio del progetto. Era così facile vedere che li rendeva immediatamente scettici. Quando Rogulja mostrò i dati preliminari in una riunione degli studiosi biomedici di Pew, la loro eccitazione la innervosì un po '. "Non è mai così", ha detto, preferendo essere cauti sui risultati.
Di conseguenza, negli ultimi tre anni Vaccaro e Rogulja, insieme al ricercatore post dottorato Yosef Kaplan Dor , hanno lavorato per creare buchi in questa apparente connessione tra ossidazione e perdita del sonno. Privarono le mosche del sonno con un metodo più tradizionale – scuotendo il tubo che le conteneva ogni due secondi – e verificarono se i livelli di ROS erano correlati ai livelli di perdita del sonno; loro fecero. Il team ha esaminato le mosche con mutazioni che favorivano il sonno o la veglia; le mosche prive di sonno avevano ROS nelle loro viscere. Al contrario, nessun ROS si è presentato nelle viscere di una varietà di mosche mutanti note per tollerare una mancanza di sonno.
Il periodo più strano ed eccitante del progetto potrebbe essere stato quando i ricercatori hanno deciso che se l'ossidazione da ROS stava uccidendo le mosche, forse avrebbero dovuto dare alle mosche antiossidanti. Sembrava un bizzarro esperimento di alimenti per la salute, ma Vaccaro cercò antiossidanti noti per lavorare nelle mosche, quindi li nutrì con gli insetti. Con sorpresa dei ricercatori, le mosche letalmente private del sonno hanno raggiunto una normale durata della vita delle mosche. La stessa cosa accadde quando aumentarono i livelli di enzimi antiossidanti nell'intestino (ma, a dirla tutta, non quando lo fecero nel sistema nervoso).
"Non riesco a immaginare di divertirmi di più nella scienza", ha detto Rogulja di quell'estate. "Tutta la mia famiglia e l'intero laboratorio, ci riunivamo tutti intorno al mattino, una volta che abbiamo iniziato a dare loro questi antiossidanti: 'Sono vivi!' E non solo erano vivi, ma stavano anche bene. "
Vaccaro e un tecnico in laboratorio, Keishi Nambara, insieme ai collaboratori del laboratorio di Michael Greenberg ad Harvard, hanno eseguito una versione ridotta dell'esperimento sulla mosca con i topi. Hanno tenuto i topi svegli per un massimo di cinque giorni in una gabbia con una barra rotante che spingeva delicatamente gli animali per farli muovere. Nelle viscere degli animali, apparve il bagliore rivelatore di ROS.
Un problema a livello intestinale
Per Shaw, il nuovo documento del team è molto interessante. "È super emozionante vedere che hanno sfruttato il potere della genetica", ha detto. "Abbiamo rinunciato all'intero progetto di mosche che privano il sonno fino alla loro morte perché sono esperimenti lunghi e difficili da fare", ed è difficile controllare lo stress. Poiché lo studio utilizza mezzi sia genetici che meccanici di privazione del sonno, evita tale problema. “È fantastico, fantastico. … Sono rimasto molto colpito ", ha detto. "Ho pensato che fosse molto ben controllato."
Proprio quello che significano i risultati deve ancora essere esplorato. Suggeriscono che il sonno è di vitale importanza per la regolazione dell'ossidazione del corpo, in particolare nell'intestino, e che ciò potrebbe avere conseguenze diffuse nel corpo. Come scrivono Rogulja e Vaccaro nel loro nuovo articolo: "La prevenzione della morte con un solo mezzo sosterrebbe che il collasso graduale di quasi tutte le principali funzioni corporee deriva da un'origine comune". Nelle mosche che studiavano, gli antiossidanti erano i soli mezzi.
Le loro scoperte coincidono con un flusso di precedenti rapporti che hanno collegato l'ossidazione e il sonno insufficiente, in particolare quelli di Everson, che si sono interessati al metabolismo mentre erano nel laboratorio di Rechtschaffen. Everson sentì presto che mentre il cervello regola il sonno, c'è di più da dormire rispetto alla neurologia. Nei ratti privati del sonno, ha osservato segni di insufficienze immunologiche e batteri nei tessuti che avrebbero dovuto essere sterili. Poi, nel 2016 , lei e i suoi colleghi hanno riferito di aver trovato ossidazione nei fegati, nei polmoni e nell'intestino tenue dei ratti con problemi di sonno. Marcatori di infiammazione si trovano spesso fluttuanti nei tessuti dopo la privazione del sonno, ha detto Everson, ma la loro fonte non è mai stata chiara. Se l'ossidazione è fuori controllo da qualche parte nel corpo, la conseguente crisi di danno cellulare potrebbe causare tale aumento.
Everson ha anche scoperto che le viscere dei ratti privati del sonno sono diventate perdenti, rilasciando batteri nei flussi sanguigni degli animali. Ma da ciò che Rogulja e i suoi colleghi hanno visto, le viscere delle mosche non sembrano perdere. Inoltre, il ROS non sembrava aumentare in nessuno degli altri tessuti esaminati. E sebbene le mosche a volte mangiassero di più quando erano private del sonno, il livello di ROS nelle loro viscere sembrava lo stesso a prescindere.
Non è chiaro come tutti questi pezzi del puzzle riguardanti l'ossidazione nei ratti e nelle mosche possano stare insieme, e Giorgio Gilestro , un ricercatore del sonno presso l'Imperial College di Londra, osserva che mentre questi esperimenti chiariscono che i ROS stanno uccidendo le mosche, ciò non necessariamente significa che la stessa cosa ha ucciso i topi. Un piccolo studio sugli esseri umani che hanno perso il sonno ha mostrato che la composizione dei loro microbiomi intestinali, i batteri che vivono nell'intestino, si sono spostati dopo un sonno insufficiente , una scoperta interessante se preliminare che traccia un altro legame tra sonno e intestino.
Tuttavia, forse il problema più urgente è che nessuno sa da dove provengano i ROS e perché si accumulino nell'intestino. Quale processo, metabolico o meno, li sta generando? La privazione del sonno causa la sovrapproduzione di ROS? O interferisce con un processo che normalmente li cancella? E perché ROS sarebbe comunque collegato al sonno? Rogulja sta pianificando esperimenti per esplorare alcuni aspetti di queste domande.
Dietro tutto ciò c'è la sorprendente, sconcertante ampiezza di ciò che il sonno fa per il corpo. Il fatto che l'apprendimento, il metabolismo, la memoria e una miriade di altre funzioni e sistemi siano interessati rende un'alterazione tanto basilare quanto la presenza di ROS piuttosto interessante. Ma anche se il ROS è dietro la letalità della perdita di sonno, non ci sono ancora prove che gli effetti cognitivi del sonno, per esempio, provengano dalla stessa fonte. E anche se gli antiossidanti prevengono la morte prematura nelle mosche, potrebbero non influire sulle altre funzioni del sonno, o se lo fanno, potrebbe essere per ragioni diverse.
Le mosche che non dormono mai e le loro viscere ardenti ci ricordano che il sonno è profondamente un'esperienza di tutto il corpo, non semplicemente una funzione della mente e del cervello. Nella loro morte potrebbero esserci delle risposte sul perché l'insonnia uccide e – potenzialmente, in modo allettante – cosa fa il sonno per collegare sistemi disparati in tutto il corpo. Shaw, per esempio, è interessato a vedere cosa succede dopo nel laboratorio di Rogulja. "È una domanda molto importante", ha detto, "e hanno escogitato un modo per affrontarla.
Questa è la traduzione automatica di un articolo pubblicato su Quanta Magazine all’URL https://www.quantamagazine.org/why-sleep-deprivation-kills-20200604/ in data Thu, 04 Jun 2020 14:45:38 +0000.