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Il passaggio dalla veglia al sonno è accompagnato da un graduale impoverimento dell'attività mentale che raggiunge il livello più basso nel sonno NREM-N3, comunemente considerato come lo stadio di sonno più profondo. Individui risvegliati dallo stadio N3 riferiscono di aver avuto esperienze coscienti soggettive prima del risveglio in 40-60% dei casi, anche se non riescono a ricordarne il contenuto nella metà dei casi. Da un punto di vista elettrofisiologico, l’addormentamento si caratterizza per un passaggio da un'attività ad alta frequenza e bassa ampiezza a un'attività a bassa frequenza e alta ampiezza, con una predominanza progressivamente crescente delle cosiddette onde lente (0,5-4,0 Hz) nel segnale elettroencefalografico (EEG). Ogni 60-120 minuti, però, il dormiente entra in uno stato peculiare, il cosiddetto sonno REM, caratterizzato dalla scomparsa delle onde lente e dal ripristino di un’attività simile alla veglia. Individui risvegliati da questo stadio riportano esperienze coscienti ricche e vivide in circa il 90% di tutti i risvegli. Studi successivi hanno inoltre dimostrato che l’occorrenza di esperienza oniriche, sia in NREM sia in REM, dipende da una riduzione locale delle onde lente in particolari regioni del cervello, specialmente nelle aree più posteriori coinvolte nell’elaborazione di stimoli sensoriali visivi. La presenza di specifici contenuti di attività mentale (ad esempio, pensieri piuttosto che esperienze percettive) è stata inoltre associata alla comparsa di attività veglia-simile (ossia rapida piuttosto che lenta) in regioni cerebrali che corrispondono a quelle reclutate durante esperienze simili nella veglia. Da queste osservazioni è stata suggerita l’esistenza di una relazione negativa tra le onde lente dell'EEG e il livello di attività mentale durante il sonno. In particolare, le onde lente si generano quando i neuroni diventano "bistabili" e oscillano tra periodi silenti di iperpolarizzazione (down-state) e periodi di depolarizzazione e intensa attività’ (up-state). È stato proposto che le onde lente possano interrompere le interazioni causali tra popolazioni neuronali compromettendo l'integrazione delle informazioni che è considerata prerequisito chiave per l'emergere di esperienze coscienti.
Numerose ricerche hanno dimostrato che le onde lente sono regolate omeostaticamente e in maniera esperienza dipendente. Infatti, il loro numero e la loro ampiezza aumentano globalmente con il tempo di veglia e localmente in funzione di quali regioni cerebrali sono maggiormente reclutate e attivate, mentre diminuiscono durante il sonno. Ad esempio l’apprendimento di un compito di coordinamento visuo-motorio si associa ad un aumento delle onde lente notturne in regioni cerebrali parietali legate al compito stesso, mentre l’immobilizzazione prolungata dell’arto superiore porta ad una riduzione delle onde lente nelle medesime regioni. Si ritiene che queste variazioni riflettano modifiche delle connessioni neuronali e siano quindi legate ai processi di apprendimento e consolidamento delle memorie acquisite durante il periodo di veglia. Un numero crescente di evidenze suggerisce un legame tra patologie di ambito psichiatrico o neurologico e alterazioni nella regolazione locale delle onde lente. In questa prospettiva diventa immediatamente evidente l'importanza di approfondire la nostra comprensione della regolazione locale del sonno e di sviluppare strategie adeguate per riconoscere e caratterizzare le sue alterazioni.
Nel presente lavoro di Tesi abbiamo utilizzato particolari procedure sperimentali allo scopo di indurre un prolungato reclutamento di particolari regioni cerebrali e dunque studiare l’effetto sulle onde lente e sull’attività mentale durante il sonno. Più specificamente, volontari adulti sani hanno partecipato a quattro sessioni sperimentali notturne in cui il sonno è stato preceduto dal completamento di diverse attività basate su stimolazioni sensoriali visive, uditive, tattili, o una condizione di controllo. Il successivo sonno è stato monitorato con EEG a 256 canali, e i volontari sono stati sottoposti a un paradigma a risvegli seriali multipli durante il sonno NREM-N2, volto a indagare possibili variazioni nella loro attività mentale. Sulla base delle precedenti evidenze scientifiche abbiamo ipotizzato che la pratica prolungata con compiti sensoriali diversi avrebbe portato a un aumento delle onde lente nelle regioni cerebrali primariamente coinvolte nell’elaborazione dei medesimi stimoli sensoriali, e che questo avrebbe portato a sua volta a una ridotta espressione di attività mentale legata alla sfera percettiva e sensoriale. I risultati ottenuti hanno dimostrato che, contrariamente a quanto ipotizzato, la stimolazione sperimentale si associa sia a un aumento delle onde lente nelle regioni posteriori del cervello sia a un aumento del contenuto percettivo dei sogni rispetto alla condizione di controllo. Queste osservazioni evidenziano la necessità di ulteriori indagini per comprendere appieno la relazione tra esperienza di veglia, regolazione delle onde lente e attività mentale durante il sonno.

The transition from wakefulness to sleep is accompanied by a gradual depletion of mental activity that reaches its lowest level in NREM-N3 sleep, commonly regarded as the deepest stage of sleep. Individuals awakened from the N3 stage report having had subjective conscious experiences prior to awakening in 40-60% of cases, although they cannot remember the content in half of the cases. From an electrophysiological point of view, falling asleep is characterised by a transition from high-frequency, low-amplitude activity to low-frequency, high-amplitude activity, with a progressively increasing predominance of so-called slow waves (0.5-4.0 Hz) in the electroencephalographic (EEG) signal. Every 60-120 minutes, however, the sleeper enters a peculiar state, so-called REM sleep, characterised by the disappearance of slow waves and the restoration of wake-like activity. Individuals awakened from this stage report rich and vivid conscious experiences in about 90 per cent of all awakenings. Subsequent studies have also shown that the occurrence of dreamlike experiences, in both NREM and REM, depends on a local reduction of slow waves in particular regions of the brain, especially in the more posterior areas involved in processing visual sensory stimuli. The presence of specific contents of mental activity (e.g., thoughts rather than perceptual experiences) was also associated with the appearance of wake-like activity (i.e., rapid rather than slow) in brain regions that correspond to those recruited during similar experiences in wakefulness. These observations suggested the existence of a negative relationship between EEG slow waves and the level of mental activity during sleep. Specifically, slow waves are generated when neurons become 'bistable' and oscillate between silent periods of hyperpolarisation (down-state) and periods of depolarisation and intense activity' (up-state). It has been proposed that slow waves may disrupt causal interactions between neuronal populations by impairing the integration of information that is considered a key prerequisite for the emergence of conscious experiences. Numerous studies have shown that slow waves are homeostatically regulated in an experience-dependent manner. In fact, their number and amplitude increase globally with waking time and locally depending on which brain regions are most recruited and activated, while they decrease during sleep. For example, learning a visuo-motor coordination task is associated with an increase in nocturnal slow waves in parietal brain regions related to the task itself, while prolonged immobilisation of the upper limb leads to a reduction in slow waves in the same regions. These changes are thought to reflect changes in neuronal connections and are thus related to the processes of learning and consolidation of memories acquired during the waking period. A growing body of evidence suggests a link between psychiatric or neurological disorders and alterations in the local regulation of slow waves. In this perspective, the importance of deepening our understanding of local sleep regulation and developing appropriate strategies to recognise and characterise its alterations becomes immediately apparent.In this thesis work, we used special experimental procedures in order to induce prolonged recruitment of particular brain regions and thus study the effect on slow waves and mental activity during sleep. More specifically, healthy adult volunteers participated in four nocturnal experimental sessions in which sleep was preceded by the completion of various activities based on visual, auditory, tactile sensory stimulation, or a control condition. Subsequent sleep was monitored with 256-channel EEG, and volunteers were subjected to a paradigm of multiple serial awakenings during NREM-N2 sleep, aimed at investigating possible changes in their mental activity. Based on previous scientific evidence, we hypothesised that prolonged practice with different sensory tasks would lead to an increase in slow waves in brain regions primarily involved in processing the same sensory stimuli, and that this would in turn lead to a reduced expression of mental activity related to the perceptual and sensory spheres. The results showed that, contrary to hypotheses, experimental stimulation is associated with both an increase in slow waves in the posterior regions of the brain and an increase in the perceptual content of dreams compared to the control condition. These observations highlight the need for further investigation to fully understand the relationship between waking experience, slow-wave regulation and mental activity during sleep.