Clinical Significance

Sleep Staging

Gli umili inizi della medicina del sonno iniziarono con una semplice osservazione e descrizione di vari eventi che si verificano durante il sonno e la veglia. Tuttavia, non è stato fino allo sviluppo del campo dell’elettrofisiologia e l’invenzione delle registrazioni elettroencefalografiche (EEG) da parte di Hans Berger nella prima parte del 20° secolo, che abbiamo iniziato a capire meglio la complessità dei meccanismi cerebrali che caratterizzano gli stati di sonno e veglia. Il sonno attraversa cicli strutturati e organizzati attraverso varie fasi.

Le prime registrazioni del sonno notturno sono state eseguite da Loomes e dai suoi colleghi mentre affrontavano l’impegnativo compito di descrivere i modelli tipici del sonno negli individui normali. Diversi gruppi hanno improvvisato questo e, a loro volta, hanno dato origine agli inizi della stadiazione del sonno. Tuttavia, fu solo 17 anni dopo che Aserinsky riconobbe il sonno REM (rapid eye movement). Questo ha portato alla nascita dei metodi moderni di staging del sonno.

Nel 1968, un comitato di esperti presieduto da Rechtschaffen e Kales ha stabilito le regole per il punteggio del sonno negli adulti umani normali. Da questa codifica, sono stati identificati 5 stadi del sonno: 1 fase REM e 4 fasi del sonno NREM. Ogni stadio consiste in un certo numero di variabili fisiologiche, che tendono a verificarsi di concerto. Successivamente, nel 2004, l’American Academy of Sleep Medicine (AASM) ha commissionato una revisione delle regole di valutazione del sonno che includeva regole per la valutazione degli arousals, degli eventi respiratori, dei disturbi del movimento legati al sonno e degli eventi cardiaci. La grandezza e la distribuzione dei parametri standard del sonno riflettono la macrostruttura del sonno.

Macrostruttura del sonno

In base alla macrostruttura del sonno, il sonno può essere classificato in 2 fasi principali: il sonno non rapido (NREM) e quello rapido (REM). In genere, quando ci si addormenta, il modello EEG veloce a bassa tensione della veglia lascia gradualmente il posto a frequenze più lente, mentre il sonno NREM passa dallo stadio N1 (diminuzione dell’alfa) allo stadio N2 (fusi, complessi K) allo stadio N3 (aumento dell’ampiezza e della regolarità del ritmo delta). Lo stadio N3 è chiamato sonno ad onde lente (SWS). Lo SWS è interrotto da periodi di sonno a movimento oculare rapido (REM, cioè attivo o paradossale). La polisonnografia (PSG) è uno studio multiparametrico che è stato tradizionalmente utilizzato per valutare l’architettura del sonno.

Il sonno attraversa più cicli discreti di sonno NREM e REM in ogni notte. Negli adulti normali, ogni ciclo dura circa 90-120 minuti e ci sono circa 4-5 cicli di questo tipo che si verificano durante un normale sonno notturno di 8 ore. La percentuale di sonno NREM è massima nella prima parte della notte, mentre il sonno REM predomina nella seconda metà.

Lo stadio della veglia (W) è caratterizzato dalla presenza di un ritmo beta predominante sulle derivazioni anteriori, e c’è una progressione posteriore verso un ritmo alfa dominante posteriore sulle regioni occipitali. Questa progressione anteroposteriore è meglio osservata con gli occhi chiusi ed è attenuata dall’apertura degli occhi. In questa fase si osservano frequentemente ammiccamenti degli occhi che appaiono come movimenti oculari coniugati composti da 0,5 a 2 Hz. Durante la transizione alla sonnolenza, una delle prime cose ad apparire sono i lenti movimenti oculari laterali tipicamente inferiori a 0,5 Hz e c’è una maggiore prominenza del ritmo alfa con intermittente ritmo beta.

Lo stadio 1 (N1) è caratterizzato tipicamente dalla scomparsa del ritmo alfa e dalla comparsa di movimenti oculari vaganti che sono lente, coniugate, deflessioni avanti e indietro di solito della durata di circa 500 millisecondi. L’EEG mostra un’ampiezza media, una frequenza mista prevalentemente di attività da 4 a 7 Hz e scoppi irregolari di onde lente. C’è una comparsa di transienti taglienti vertice (VST) che sono definiti come nettamente contornato, onde sincrone bilaterali con ampiezza massima nel sopra le derivazioni centrali anche se i bambini possono mostrare dominanza parietale. L’ampiezza può variare su entrambi i lati e di solito durano meno di 0,5 secondi. Di solito sono isolati e compaiono a intervalli irregolari sia spontaneamente che all’applicazione di stimoli allarmanti. Si assiste anche alla comparsa di transienti occipitali acuti positivi del sonno (POSTS) che sono onde mono o bifasiche, positive, triangolari, più prominenti nelle regioni occipitali della testa. L’allerta durante N1 può portare a una breve ricomparsa del ritmo alfa. L’EMG mostra un’attività muscolare ridotta.

Lo stadio 2 (N2) è caratterizzato dalla presenza di un’attività theta sincrona bilaterale accompagnata da fusi di sonno o complessi K o entrambi. I complessi K sono definiti dal verificarsi di un modello complesso di onda negativa acuta immediatamente seguita da un’onda positiva (a forma di V) che si distingue dallo sfondo EEG, della durata di =0,5 secondi, ed è più prominente nelle derivazioni fronto-centrali. Affinché l’eccitazione sia associata al complesso K, deve iniziare non più di 1 secondo dopo la fine del complesso K. I fusi del sonno sono definiti come onde distinte da 12 a 14Hz che hanno frequenze da 11 a 16 Hz (più comunemente da 12 a 14 Hz) con una durata maggiore di 0,5 secondi, solitamente di massima ampiezza nelle derivazioni centrali.

Lo stadio 3 (N3) è caratterizzato da un rallentamento delta di ampiezza elevata nell’intervallo da 0,5 a 2 Hz con ampiezze pari a 75 microV misurate sulle derivazioni fronto-centrali. Complessi K e fusi di sonno possono essere presenti, ma i POST sono rari. In genere, il sonno N3 è segnato se il rallentamento è visto nel 20% delle epoche. Il sonno N3 si verifica più frequentemente durante il primo terzo della notte, e clinicamente questo può essere importante in quanto le parasonnie NREM come il sonnambulismo e i terrori notturni sono tipicamente visti durante questo periodo. La fase REM (R) è caratterizzata dalla presenza di movimenti oculari rapidi (REM) che sono movimenti oculari coniugati, irregolari e dai contorni netti con una deviazione di fase iniziale che dura di solito meno di 500 ms. Si vede anche una diminuzione del tono EMG e di solito è il più basso di tutta la registrazione. Si vedono onde a dente di sega che sono descritte come scarichi di onde nettamente contornate o triangolari, spesso seghettate da 2 a 6 Hz con ampiezza massima sulle derivazioni centrali e spesso, ma non sempre precedute da una raffica di movimenti oculari rapidi. La soglia di eccitazione da stimoli uditivi tende ad essere la più alta durante la fase REM. Tipicamente, lo stadio R del sonno è presente prevalentemente nell’ultimo terzo della notte ed è il periodo in cui le parasonnie REM come gli incubi sono tipicamente visti. La fase R può essere ulteriormente suddivisa in una fase REM fasica e una fase REM tonica. La fase REM fasica è uno stato di sonno guidato simpateticamente caratterizzato dalla presenza di movimenti oculari rapidi, contrazioni muscolari intermittenti e variazioni nei modelli di respirazione. Il REM tonico, d’altra parte, è uno stato di sonno parasimpatico ed è caratterizzato dall’assenza di movimenti oculari rapidi.

Il tradizionale punteggio dello stadio visivo delle registrazioni PSG ha fornito preziose descrizioni delle anomalie macroarchitetturali del sonno in una varietà di disturbi del sonno. Tuttavia, non forniscono informazioni sulle caratteristiche della frequenza EEG o sulla ritmicità che sono alla base dei disturbi del sonno. Inoltre, l’ipotesi di base negli algoritmi di valutazione degli stadi è che il sonno sia un processo discontinuo e discretamente delimitato, un’ipotesi che non è stata supportata da dati recenti.

Analisi microstrutturale del sonno

Fenomeni EEG transitori di durata inferiore all’epoca di valutazione (eventi fasici) sono stati descritti nelle registrazioni del sonno permettendo l’identificazione di ciò che è noto come la microstruttura del sonno. I due metodi più comunemente usati per studiare la microstruttura del sonno includono l’analisi del modello alternato ciclico (CAP) e il paradigma dell’eccitazione.

Arousal Analysis

Nel 1992, l’American Sleep Disorders Association (ASDA) ha proposto una definizione dell’eccitazione indipendente dalla classificazione R e K. Secondo i criteri dell’ASDA, gli arousal EEG appaiono come improvvisi spostamenti di frequenza verso ritmi più veloci (theta, alfa, beta, ma non sigma) che sostituiscono brevemente il fondo della fase di sonno. Nei soggetti normali, la durata media degli arousals rimane immutata nel corso della vita (lunghezza media di circa 15 secondi in tutto il TST), ma l’aumento del numero con l’età è considerato come la base fisiologica della fragilità del sonno negli anziani. In condizioni di sonno disturbato, gli arousals sono stati studiati soprattutto nei disturbi respiratori legati al sonno e nei pazienti insonni. Esiste, tuttavia, una letteratura consolidata secondo la quale gli arousals e altri fenomeni correlati rappresentano manifestazioni spontanee del sonno fisiologico.

Analisi CAP

CAP è un fenomeno EEG organizzato in sequenze che occupano ampie sezioni all’interno del sonno NREM. Durante il CAP, i ritmi EEG del sonno oscillano con oscillazioni periodiche eccitatorie (fase A) e inibitorie (fase B). Il CAP è un importante marker di instabilità dell’eccitazione che accompagna le fasi di transizione sonno-veglia e i ricercatori pensano che sia un substrato per l’emergere di vari disturbi neurologici attivati dal sonno. Cluster ripetitivi di caratteristiche EEG stereotipate separate da intervalli tempo-equivalenti di attività di fondo e che includono almeno 2 cicli CAP consecutivi identificano una sequenza CAP. Il ciclo CAP consiste in una fase A (composta da elementi EEG transitori) e una fase B (intervallo di attività theta/delta che separa 2 fasi A successive, con un intervallo pari a 1 minuto) (Figura 1). Ogni fase di CAP può durare da 2 a 60 secondi. Tutte le sequenze CAP iniziano con la fase A e terminano con la fase B. Sulla base della proporzione reciproca di onde lente ad alta tensione (sincronia EEG) e di ritmi veloci a bassa ampiezza (desincronia EEG) per tutta la durata della fase A, si distinguono 3 sottotipi di fasi A corrispondenti a diversi livelli di attivazione neurofisiologica: sottotipo A1 (predominanza della sincronia EEG), sottotipo A2 (miscela equilibrata di sincronia e desincronia EEG), e sottotipo A3 (predominanza della desincronia EEG). Quando l’intervallo tra 2 fasi A consecutive supera i 60 secondi, la sequenza CAP termina e il sonno entra nella modalità non-CAP (NCAP), caratterizzata da ritmi EEG stabili e continui con pochissimi eventi fasici legati all’eccitazione e distribuiti in modo casuale.