Closed-loop Targeted Memory Reactivation durante il sonno: effetti su memoria e vigilanza

Sleep represents one of the most complex and fundamental biological phenomena for humans. Moving beyond the historical conception of it as a "passive state" (Kryger et al., 2017), modern neuroscience now defines it as an active process, finely regulated by homeostatic and circadian mechanisms, and essential for brain plasticity and the restoration of cognitive functions (Tononi & Cirelli, 2014). Beyond simple energy conservation or metabolic regulation, sleep addresses the brain's need to "disconnect" from the continuous flow of sensory stimuli. This detachment creates a protected temporal window, indispensable not only for synaptic plasticity and memory consolidation (Girardeau & Lopes-dos-Santos, 2021), but also for restoring the neural homeostasis required to sustain levels of vigilance and attentional resources during subsequent wakefulness. The objective of this work is to investigate the delicate balance between sleep, memory, and attentional processes. Through an ecological experimental approach based on closed-loop targeted memory reactivation (TMR-CLAS), the goal is to understand whether and how active modulation of nighttime rest at home can promote memory recovery, while also evaluating its implications for daytime efficiency. To explore these dynamics, the work is divided into three chapters. The first chapter provides a theoretical framework for sleep physiology. Starting from historical definitions and the advent of electroencephalography (EEG), it analyzes sleep architecture and its organization into NREM and REM stages. Specifically, the microstructure of slow-wave sleep and its distinctive electrophysiological markers (slow oscillations, spindles, and K-complexes) are explored, describing how these oscillatory events constitute the functional substrate for plasticity processes. The second chapter addresses the relationship between sleep and cognitive functioning. It examines the primary mechanisms of declarative memory consolidation and, concurrently, the role of sleep in maintaining daytime vigilance. Finally, it describes the dynamics of alertness states, focusing on state transitions and the use of the Psychomotor Vigilance Task (PVT). The third chapter details the experimental research conducted. After introducing the TMR-CLAS paradigm and the acoustic stimulation protocols, it illustrates the methods and tools used to apply this paradigm in an ecological setting. The chapter presents the data analysis, investigating the effects of stimulation on both verbal material learning and waking vigilance levels, concluding with a critical discussion of the results and future perspectives.

Il sonno rappresenta uno dei fenomeni biologici più complessi e fondamentali per l'essere umano. Superata la storica concezione di "stato passivo" (Kryger et al., 2017), le moderne neuroscienze lo definiscono oggi come un processo attivo, finemente regolato da meccanismi omeostatici e circadiani, essenziale per la plasticità cerebrale e il ripristino delle funzioni cognitive (Tononi & Cirelli, 2014). Al di là del semplice risparmio energetico o della regolazione metabolica, il sonno risponde al bisogno del cervello di 'disconnettersi' dal flusso continuo degli stimoli sensoriali. Questo isolamento apre una finestra temporale protetta, indispensabile non solo per la plasticità sinaptica e il consolidamento della memoria (Girardeau & Lopes-dos-Santos, 2021), ma anche per il ripristino dell'omeostasi neurale necessaria a sostenere i livelli di vigilanza e le risorse attentive durante la veglia successiva. In questo lavoro l’obiettivo è quello di indagare il delicato equilibrio tra sonno, memoria e processi attentivi. Attraverso un approccio sperimentale ecologico basato sulla stimolazione acustica mirata in modalità closed-loop (TMR-CLAS), l’obiettivo è quello di comprendere se e come la modulazione attiva del riposo notturno a domicilio possa favorire il recupero mnestico, valutando le implicazioni sull’efficienza diurna. Per esplorare queste dinamiche, il lavoro si articola in tre capitoli. Il primo capitolo offre un inquadramento teorico sulla fisiologia del sonno. A partire dalle definizioni storiche e dall'avvento dell'elettroencefalografia (EEG), viene analizzata l'architettura del sonno e la sua organizzazione in stadi NREM e REM. Verrà approfondita la microstruttura del sonno a onde lente e i suoi marcatori elettrofisiologici distintivi (oscillazioni lente, spindles e complessi K), descrivendo come questi eventi oscillatori costituiscano il substrato funzionale per i processi di plasticità. Il secondo capitolo affronta la relazione tra sonno e funzionamento cognitivo. Verranno esaminati i principali meccanismi di consolidamento della memoria dichiarativa e, parallelamente, il ruolo del sonno nel mantenimento della vigilanza diurna. Saranno infine descritte le dinamiche degli stati di vigilanza, approfondendo le transizioni di stato e l’impiego del Psychomotor Vigilance Task (PVT). Il terzo capitolo espone nel dettaglio la ricerca sperimentale condotta. Dopo aver introdotto il paradigma TMR-CLAS e i protocolli di stimolazione acustica, verranno illustrati i metodi e gli strumenti utilizzati per applicare il paradigma in un setting ecologico. Il capitolo presenterà l’analisi dei dati, indagando gli effetti della stimolazione sia sull'apprendimento di materiale verbale che sui livelli di vigilanza al risveglio, per poi concludersi con la discussione critica dei risultati emersi e le prospettive future.