Sognare ci distingue dalle altre specie animali?

Humans share much with other animals – the basic needs of food and drink or sleep, for example – but there are additional mental and emotional needs and desires which are perhaps unique to us.
Oliver Sacks

Questo è un frammento tratto dal celebre libro Hallucinations di Oliver Sacks, che è per molti neuroscienziati (tra cui la sottoscritta) una sorta di guida. È però anche un esempio di come rischiamo di inciampare, quando vogliamo classificare le diverse specie sulla base delle abilità degli esseri umani e cercare un confronto. Ogni animale infatti, sulla base delle caratteristiche specie-specifiche, possiede determinate capacità e un proprio modo di metterle in pratica. Perché questo è importante?

Poche settimane fa, la rivista Nature ha pubblicato uno studio sull’attività REM-like nei polpi. È spontaneo inizialmente notare che questa non è una novità, poiché negli ultimi anni svariate ricerche hanno mostrato l’esistenza di questo tipo di sonno nei polpi. Perché tanti articoli sullo stesso argomento? Sicuramente la possibile esistenza del sogno in altre specie è alquanto accattivante. Questo però ci pone di fronte a un ulteriore interrogativo: quanti di noi sono disposti a mettere a confronto il proprio cervello con quello di un mollusco marino, filogeneticamente distante 550 milioni di anni da noi? Il punto è che, se vogliamo avere una mente aperta ma scientifica, dobbiamo capire quali condizioni possiamo testare per affermare che altre specie potrebbero avere abilità cognitive simili alle nostre.

Durante il sonno, il cervello è sottoposto a una complessa serie di processi che ci permettono di svegliarci riposati. Negli esseri umani, le fasi di sonno con movimento rapido degli occhi (Rapid Eye-Movement REM) e di sonno non-REM sono associate a cambiamenti distinti, a livello fisiologico e neuro-cognitivo. Infatti, durante il sonno REM il cervello è molto attivo e si fanno i sogni più vividi ed emotivi. Durante il sonno non-REM, il cervello è invece metabolicamente meno attivo ed elimina i prodotti di scarto, facendo defluire il liquido cerebrospinale attraverso i ventricoli. Questo processo dovrebbe aiutare l’organismo a rimuovere i depositi proteici dannosi dal cervello, associati allo sviluppo di alcune malattie neurodegenerative (Winer et al., 2020).

I **ventricoli** (in blu) sono quattro cavità cerebrali dedicate alla produzione e alla raccolta del **liquido cerebrospinale**, che protegge, nutre e ripulisce il cervello. Ci sono due ventricoli laterali (uno per emisfero), un terzo (tra i due lobi del talamo) e un quarto ventricolo (tra il tronco encefalico e il cervelletto).
Copyright: Society for Neuroscience (2017)

Lo studio di Nature è in realtà innovativo per una serie di ragioni, prima tra tutte, la caratterizzazione chiara di due distinte fasi del sonno, una quiet e una active, come precedentemente riportato per alcuni vertebrati (Blumberg et al., 2020; Joiner, 2016; Rash & Born, 2013). Per farlo, il team di ricerca ha affinato il monitoraggio comportamentale e ha correlato i risultati con registrazioni elettrofisiologiche (Local Field Potential – LTP), condotte mediante l’uso di un nuovo tipo di sonda che emette fluorescenza, di modo da poter essere successivamente localizzata (Neuropixel).

La specie su cui è stata condotta la ricerca è Octopus laqueus, un polpo notturno che possiede una struttura cerebrale simile a quella delle specie diurne. Possiede inoltre un pattern di colorazione chiara a riposo, che permette una più semplice discriminazione delle due fasi del sonno. Essendo i polpi molto sensibili alle condizioni di cattività, gli animali avevano ciascuno una propria vasca ed erano mantenuti in ambiente arricchito (se ti interessa conoscere i benefici dell’ambiente arricchito sul cervello, clicca qui). Gli esperimenti sono stati effettuati soltanto dopo aver osservato che i polpi manifestavano il giusto repertorio comportamentale.

Esemplare di O. laqueus con colorazione chiara di riposo. I polpi, come molti altre specie animali, sono sensibili alle condizioni di cattività (un esempio è consultabile qui) (Pophale et al., 2023).

Cosa succede durante l’active sleep?

Quando il polpo dorme, il suo stato di quite sleep è ritmicamente interrotto da circa 60 secondi di cambiamenti repentini di movimento e pattern di colorazione, che riflettono il comportamento del polpo nella fase di veglia. Dal punto di vista fisiologico, le fasi di active sleep sono caratterizzate da variazioni della frequenza respiratoria e da un aumento della velocità di movimenti oculari, caratteristiche dell’attività REM-like.

L’immagine a destra mostra i **cambiamenti del pattern di colorazione** durante gli episodi di active sleep (in alto) e la **frequenza degli eventi** all’interno dello stato di quiet sleep, indicati con le frecce blu (in basso). A sinistra, la sovrapposizione dei pattern di colorazione della fase di veglia e di active sleep rivela l’esistenza di **texture tipiche di entrambe le fasi** (Pophale et al., 2023).

Se questa attività è più simile a quella dello stato di veglia che di quiet sleep, come possiamo essere sicuri che il polpo stia davvero dormendo?

Per rispondere a questa domanda, i ricercatori hanno testato come i polpi rispondevano a uno stimolo fisico nei diversi tre stadi e, sia durante la fase di quite che di active sleep, i polpi necessitavano uno stimolo più intenso per reagire, rispetto allo stato di veglia. Successivamente, gli sperimentatori hanno provato ad interrompere lo stato di sonno con un pennello e hanno riportato che i polpi entravano più frequentemente e precocemente nella fase di active sleep. Inoltre, gli episodi di active sleep aumentavano quando i polpi venivano deprivati dello stato di sonno il giorno precedente.

A destra, procedimento di **interruzione della fase di sonno** e successivo precoce evento di active sleep. A sinistra, il grafico mostra come sia possibile avere un episodio di active sleep in un arco di tempo inferiore (in viola: picco intorno ai 35 minuti), rispetto a quando il sonno non è disturbato (in verde: picco a 60 minuti). (Pophale et al., 2023)

Manipolando però le condizioni ambientali, come la temperatura dell’acqua o l’esposizione alla luce, i ricercatori hanno notato che queste non influenzano la ciclicità delle fasi di active sleep, che sembrano essere regolate omeostaticamente, come altri fenomeni di biologici di importanza centrale per il funzionamento dell’organismo. Tutti questi risultati mostrano come gli eventi di active sleep siano fondamentali per questa specie e che si verifichino realmente durante lo stato di sonno dell’animale.

Cosa determina questi cambiamenti esterni durante l’active sleep?

I ricercatori hanno poi realizzato un atlante 3D, attraverso lo scanning del cervello di due esemplari, e l’hanno relazionato con quello del cervello di altre specie di polpo. In particolare, la massa sopraesofagea, di cui fanno parte il lobo superiore frontale e il lobo verticale, rappresenta una struttura centrale precedentemente associata all’attività REM-like, all’apprendimento e ai processi di memoria. Le registrazioni elettrofisiologiche in questa regione del cervello evidenziano una forte correlazione tra il cambiamento dell’attività neurale e quelli del pattern di colorazione, in modo simile a quanto avviene nelle fasi di veglia.

Ricostruzione tridimensionale del cervello di O. laqueus, con **massa sopraesofagea** in evidenza (**superior frontal lobe** in arancione scuro e **vertical lobe** in verde chiaro). A destra, registrazioni di **LFP** (**Local Field Potential**) in concomitanza ai cambiamenti di colorazione (immagine modificata da Pophale et al., 2023).

Qual è il significato biologico dell’active sleep nei polpi?

Gli autori hanno formulato due ipotesi principali a riguardo.
La prima è che durante il sonno ci sia un affinamento del controllo dei pattern di colorazione, in modo simile a quanto si verifica nell’apprendimento motorio dei vertebrati. Questo perché i cromatofori (le cellule responsabili dei cambiamenti della colorazione) sono essenziali nel mimetismo, ma anche come risposta rapida ai segnali e i polpi potrebbero necessitare di un training durante lo stato di riposo. La seconda opzione è che l’active sleep rifletta la riattivazione dell’attività neurale alla base delle esperienze vissute; in questo caso il fenomeno sarebbe connesso al consolidamento della memoria, proprio come avviene nel sonno REM dei mammiferi.

Sognare di volare

L’articolo sopra descritto ha completamente oscurato a livello mediatico un’altra ricerca, pubblicata appena due settimana prima (Ungurean et al, 2023). I protagonisti di questo studio sono i piccioni (Columba livia). Forse perché non possiedono cromatofori per impressionarci o perché possiedono una cattiva reputazione, fatto sta che i piccioni probabilmente fanno esperienza di un qualcosa che in noi esseri umani non può che generare un po’ di sana invidia: sognano di volare.

I ricercatori hanno utilizzato videocamere a infrarossi, combinati con risonanza magnetica funzionale (fMRI), per osservare e registrare gli stati di sonno e di veglia degli animali. Questo ha permesso di seguire i movimenti oculari, distinguendo le fasi REM e non-REM, valutando contemporaneamente il grado di attività cerebrale.
I risultati indicano che durante la fase REM, i piccioni possiedono ampie variazioni dell’attività cerebrale nelle aree che analizzano il movimento dell’ambiente circostante il piccione durante il volo e in quelle dedicate all’elaborazione dei segnali provenienti dalle ali. Sulla base di queste osservazioni, gli uccelli potrebbero sognare durante la fase REM, sperimentando il volo nei loro sogni. Inoltre, l’attività sembra aumentare a livello dell’amigdala, suggerendo che i sogni dei piccioni potrebbero includere la percezione di emozioni, come accade a noi esseri umani. Questa ipotesi è supportata dal fatto che le pupille degli uccelli si contraggono rapidamente durante la fase REM, replicando quanto accade durante il corteggiamento o in situazioni di aggressività.

In conclusione

Tutte queste evidenze recenti, insieme, ci portano a formulare tante ipotesi, ma non ancora a trovare una risposta definitiva. Quello che possiamo aggiungere è che, se fino a pochi anni fa potevamo considerare il sognare una prerogativa unicamente umana, oggi questa visione antropocentrica trova sempre meno concordanza dal punto di vista scientifico.

Bibliografia:

3D Brain (Society for Neuroscience, 2017): https://www.brainfacts.org/.
Blumberg M. S., Lesku J. A., Libourel P. A., Schmidt M. H., Rattenborg N. C. (2020) What isREM sleep? Current Biology 30:R38–R49.
Joiner W. J. (2016) Unraveling the evolutionary determinants of sleep. Current Biology 26:R1073–R1087.
Pophale A., Shimizu K., Mano T., Iglesias T. L., Martin K., Hiroi M., Asada K., Andaluz P. G., Van Dinh T. T., Meshulam L., Reiter S. (2023) Wake-like skin patterning and neural activity during octopus sleep. Nature, 619:129-134.
Rasch B. & Born J. (2013) About sleep’s role in memory. Physiological Reviews 93:681–766.
Ungurean G., Behroozi M., Böger L., Helluy X., Libourel P., Güntürkün O., Rattenborg N. C. (2023) Wide-spread brain activation and reduced CSF flow during avian REM sleep. Nature Communications 14:3259.
Winer J. R., Mander B. A., Kumar S., Reed M., Baker S.L., Jagust W. J., Walkeer M. P. (2020) Sleep Disturbance forecasts β-amyloid accumulation across subsequent years. Current Biology 30:4291–4298.e3.