Prestare attenzione o dormire sono due stati mentali opposti: entrambi, però, implicano un processo attivo, l'attivazione di alcuni nuclei e vie nervose del cervello da cui dipendono i cosiddetti "stati di attivazione" cerebrali, stati in cui il cervello è più o meno attivo, può concentrarsi su alcuni stimoli o pensieri escludendone altri. Questi stati di attivazione corrispondono a diversi ritmi dell'attività elettrica cerebrale o "elettroencefalogramma".

Per comprendere le differenze tra stati di riposo e stai di attività del cervello, pensate a un cervello in cui tutti i suoi nuclei (i puntini della parte superiore della figura qui sotto) sono in uno stato più o meno simile: la loro attività elettrica (elettroencefalogramma o EEG) sarà omogenea, caratterizzata da ampie e lente onde regolari (sincronizzata), il cosiddetto ritmo alfa o di riposo. Chiudete gli occhi, rilassatevi, non pensate a nulla: se siete in un ambiente tranquillo il vostro cervello è "in alfa".

Se ora vi date un pizzico, pensate ai vostri impegni, ascoltate una musica, le diverse aree del cervello (A,B,C,D,E della figura qui in basso) "lavorano" ognuna per conto suo: il ritmo EEG deriva dalla sovrapposizione di ritmi diversi: sarà quindi disomogeneo o desincronizzato, veloce, tipico degli stati di attenzione. Si chiama anche "ritmo beta". 

Quelli che avete appena visto (e provato dal punto di vista dell'esperienza mentale) sono due stati cerebrali o elettroencefalografici. In realtà gli stati del sistema nervoso sono più sfaccettati e ad ognuno di essi corrisponde un ritmo EEG. Nella figura qui sotto potete ancora osservare i due ritmi beta e alfa appena descritti (attivazione e rilassamento), oltre a ritmi tipici della sonnolenza, del sonno, del sonno profondo e del coma. Nel sonno il rimo è lento e abbastanza regolare, segno che il cervello si sta rilassando, che gran parte dei suoi nuclei si trovano in un simile stato elettrico. Nel sonno, infatti, non si percepiscono stimoli uditivi, visivi, tattili e i muscoli sono rilassati. Notate che ogni ritmo EEG può essere definito attraverso due parametri, l'ampiezza (microvolt) e la frequenza (numero di cicli o "onde" al secondo). 

Se osservate il gatto di casa vedrete che il suo comportamento e le sue posture sono diversi a seconda del suo "stato": quando è sveglio è pronto a reagire ad ogni stimolo, quando dorme è più rilassato, in alcune fasi del suo sonno i suoi muscoli sono infine completamente distesi. I tre stati sono raffigurati qui sotto; la differenza tra i due tipi di sonno, il sonno "lento" e il "sonno REM", sono evidenti. Nel sonno lento il ritmo EEG è appunto lento, regolare, sincronizzato. Nel sonno REM (Rapid Eye Movements -movimenti oculari rapidi) il ritmo EEG è invece rapido e desincronizzato, lo stato di rilassamento muscolare profondo e, di tanto in tanto, i globi oculari si muovono rapidamente sotto le palpebre: potete osservarlo si in un gatto che in un essere umano. Nella figura qui sotto vedete che ai tre diversi aspetti del comportamento corrispondono tre diversi tracciati EEG, tre diversi stati di tensione muscolare (i muscoli del collo sono molto rilassati nella fase REM), e che intensi movimenti oculari caratterizzano quest'ultimo stato. Quando siete nella fase REM state anche sognando: un bambino piccolo si agita molto (ma spesso anche gli adulti), così come avviene in molti mammiferi, cani e gatti.

 

Le differenze tra gli stati cerebrali ed EEG appena descritti dipendono dall'entrata in gioco della formazione reticolare, un insieme di nuclei situati nel ponte (il punto di transizione tra midollo spinale ed encefalo) da cui si irradiano fibre nervose (figura qui sotto, in celeste) che raggiungono tutto il cervello. Essere attenti o provare sonnolenza dipende da un diverso stato della reticolare.

Anche sonno e veglia dipendono dallo stato della reticolare e dai rapporti tra i suoi nuclei con quelli del talamo, un nucleo situato nella profondità del cervello (in rosso, numero 4). Il talamo riceve informazioni sensoriali (tattili, visive, uditive ecc.) ma ha anche un ruolo importante nel sonno.

 

Formazione reticolare e talamo svolgono un ruolo molto importante nello sviluppo: un feto, un neonato o un bambino piccolo spendono la maggior parte delle ore di sonno in un'attività REM (in cui si verifica gran parte dei sogni) piuttosto che nel "sonno lento". Nel grafico qui sotto si vede come sino agli anni della prima adolescenza si dorma di più e, soprattutto, si sogni di più. L'attività REM è molto importante per consolidare le esperienze e formare nuove sinapsi nervose: si "impara dormendo", nel senso che nel corso delle fasi REM l'intensa attività elettrica prodotta dalla reticolare potenzia i circuiti nervosi che sono stati appena modificati dalle esperienze diurne.

 

Ma qual é la funzione della fase REM del sonno? Una delle sue funzioni sarebbe quella di facilitare la memorizzazione delle esperienze tramite l'attivazione di quelle aree del cervello che sono state coinvolte in un'esperienza specifica. Se una persona apprende un compito particolare, ad esempio risponde ad alcuni stimoli presentati sullo schermo del computer, e poi si registra la sua attività REM nel corso del sonno notturno, si nota che questa è molto più intensa in quelle stesse aree cerebrali che erano attive nel corso dell'apprendimento di quel compito. I tracciati della figura qui sotto (esperimenti di P. Maquet, dell'Università di Liège) indicano le differenze che esistono tra l'attività di un cervello di una persona di controllo (figure in basso, "Non-trained") rispetto a quella di una persona sottoposta all'esperienza (figure in alto, "Trained"). Le aree cerebrali coinvolte nell'attività REM sono indicate da macchie rosse e riguardano le stesse regioni che erano attive quando quella persona praticava quell'esercizio: nel tracciato inferiore, invece, l'attività REM interessa aree del cervello non coinvolte con l'esperienza specifica. In sostanza nel corso dell'attività REM il cervello consoliderebbe gli apprendimenti diurni.

Uno dei compiti principali della formazione reticolare è l'integrazione delle risposte del sistema nervoso. Qui sotto sono indicati tre diversi fenomeni, l'attività EEG, il comportamento, le reazioni del sistema nervoso che si verificano in un gattino che sta dormendo (postura del corpo e ritmo EEG indotti da una bassa attivazione della reticolare). Se si verifica un forte suono, il gatto si sveglia in quanto la reticolare passa da uno stato "a basso regime", ad uno stato di attivazione che si ripercuote su tutto il cervello. A questo punto l'animale integra le informazioni di cui dispone e reagisce, orientando la testa verso lo stimolo e preparandosi all'azione: fuggire, avvicinarsi, stare guardingo... La formazione reticolare regola anche il tono muscolare e l'efficienza dei riflessi nervosi, come simboleggia l'ultima figura del cervello, in basso a sinistra, in cui la freccia è rivolta in direzione del midollo spinale e dei suoi sistemi motori. Ora che state osservando lo schermo il muscoli del vostro collo e spalle sono un pò tesi: ciò dipende dall'attenzione che state prestando, da un meccanismo controllato dalla reticolare.

Numerose funzioni cerebrali sono controllate o modulate dalla formazione reticolare: negli stati di eccitazione la corteccia viene bombardata da impulsi che originano nei nuclei eccitatori della reticolare, sensibili a sostanze come la caffeina ed altri eccitanti. Negli stati d'ansia il ritmo alfa, tipico della rilassatezza, è in gran parte soppresso da una reticolare troppo attiva che rende anche insonni. Nella figura qui sotto si vede che l'attività EEG di un soggetto ansioso (rispetto a uno rilassato) è desincronizzata (eccitata) in diverse aree della corteccia.