Sleep and wakefulness are considered two mutually exclusive states. The alternation between those two states seems to be a defining characteristic of our life, a ubiquitous phenomenon demonstrated in every animal species investigated so far. However, during the last decade, advances in neurophysiology have blurred the boundaries between those states. The mechanisms of sleep have always intrigued neurophysiologists and great advances have been made over the last century in understanding them: we now know that the defining characteristic underlying sleep activity is a specific pattern of neuronal activity, namely the slow oscillation. The slow oscillation, which is characterized by the periodic alternation between periods of activity (ON-periods) and periods of hyperpolarization and neuronal silence (OFF-periods) is the default mode of activity of the sleeping cortex. This alternation is due to the tendency of neurons to fall into a silent period after an initial activation; such tendency is known as “bistability”. There is accumulating evidence that sleep-like bistability, and the ensuing OFF-periods, may occur locally in the awake human brain in some pathological conditions, in sleep transition, as well as after sleep deprivation. Therefore, to the extent that bistability and OFF periods represents the basic neuronal features of sleep, a paradigm shift is in place: from a neurophysiological perspective sleep can intrude into wakefulness. In this thesis, I explore the fluid boundaries between sleep and wakefulness and investigate their possible implications on the problem of personal persistence over time. Moreover, I study the clinical implications of the intrusion of sleep into wakefulness in patients with focal brain injury due to stroke. Specifically, I aim to: 1) show how the sleep-like bistability can be responsible for the loss of function in stroke patients. This may have implications for understanding the pathophysiology of stroke and helping to foster recovery; 2) establish the basis for a model of local sleep that might be present in the everyday life, id est the sensation of sleepiness. Indeed, sleepiness could reflect islands of sleep during wakefulness; 3) advocate the biological criterion of identity, in which the continuity necessary for maintaining ourselves over time could be represented by never resting activity in the brain.

Il sonno e la veglia vengono comunemente considerati come due stati distinti. L’alternanza tra essi, la cui presenza è stata dimostrata in ogni specie animale studiata fino ad oggi, sembra essere una delle caratteristiche che definisce la nostra vita. Allo stesso tempo, però, le scoperte portate alla luce negli ultimi decenni hanno offuscato i confini tra questi due stati. I meccanismi del sonno hanno sempre affascinato i neurofisiologi, che infatti, nell’ultimo secolo, li hanno caratterizzati in dettaglio: ora sappiamo che all’attività del sonno sottostà una specifica attività neuronale chiamata slow oscillation. La slow oscillation, che è costituita da (ancora una volta) un’alternanza tra periodi di attività e periodi di iperpolarizzazione e silenzio neuronale (OFF-periods), è la modalità base di attivazione del cervello dormiente. Questa alternanza è dovuta alla tendenza dei neuroni surante lo stato di sonno, di passare ad un periodo silente dopo un’attivazione iniziale, una tendenza a cui viene dato il nome di bistabilità neuronale. Molti studi hanno dimostrato come la bistabilità neuronale tipica del sonno ed i relativi OFF-periods, possano accadere anche durante la veglia in particolari condizioni patologiche, nelle transizioni del sonno e durante le deprivazioni di sonno. Per questo motivo, se accettassimo che la bistabilità neuronale e gli OFF-periods rappresentino una caratteristica fondamentale del sonno, allora dovremmo ammettere che stiamo assistendo ad un cambio di paradigma: da una prospettiva neurofisiologica il sonno può intrudere nella veglia. In questa tesi ho analizzato i nuovi -fluidi- confini tra sonno e veglia e le possibili implicazioni di questi nel problema della persistenza personale attraverso il tempo. Inoltre, ho studiato le implicazioni cliniche dell’intrusione di sonno nella veglia in pazienti con lesioni cerebrali focali di natura ischemica. In particolare, i miei obiettivi sono stati: 1) Dimostrare come la bistabilità neuronale possa essere responsabile della perdita di funzione nei pazienti affetti da ischemia cerebrale e come questo potrebbe avere implicazioni nello studio della patofisiologia dell’ischemia cerebrale e nella sua terapia; 2) Stabilire le basi per un modello di sonno locale presente nella vita di tutti i giorni: la sensazione di sonnolenza. Infatti, essa potrebbe riflettere la presenza di porzioni di corteccia in stato di sonno, ma durante lo stato di veglia; 3) Difendere il criterio biologico di identità, che troverebbe nell’attività cerebrale la continuità necessaria al mantenimento della nostra identità nel tempo.

SLEEPING WHILE AWAKE: A NEUROPHYSIOLOGICAL INVESTIGATION ON SLEEP DURING WAKEFULNESS / S. D'ambrosio ; tutors: M. Massimini, S. Sarasso; coordinatore: A. Pinotti. Università degli Studi di Milano, 2020 Jan 31. 32. ciclo, Anno Accademico 2019. [10.13130/d-ambrosio-sasha_phd2020-01-31].

SLEEPING WHILE AWAKE: A NEUROPHYSIOLOGICAL INVESTIGATION ON SLEEP DURING WAKEFULNESS.

S. D'Ambrosio
2020

Abstract

Sleep and wakefulness are considered two mutually exclusive states. The alternation between those two states seems to be a defining characteristic of our life, a ubiquitous phenomenon demonstrated in every animal species investigated so far. However, during the last decade, advances in neurophysiology have blurred the boundaries between those states. The mechanisms of sleep have always intrigued neurophysiologists and great advances have been made over the last century in understanding them: we now know that the defining characteristic underlying sleep activity is a specific pattern of neuronal activity, namely the slow oscillation. The slow oscillation, which is characterized by the periodic alternation between periods of activity (ON-periods) and periods of hyperpolarization and neuronal silence (OFF-periods) is the default mode of activity of the sleeping cortex. This alternation is due to the tendency of neurons to fall into a silent period after an initial activation; such tendency is known as “bistability”. There is accumulating evidence that sleep-like bistability, and the ensuing OFF-periods, may occur locally in the awake human brain in some pathological conditions, in sleep transition, as well as after sleep deprivation. Therefore, to the extent that bistability and OFF periods represents the basic neuronal features of sleep, a paradigm shift is in place: from a neurophysiological perspective sleep can intrude into wakefulness. In this thesis, I explore the fluid boundaries between sleep and wakefulness and investigate their possible implications on the problem of personal persistence over time. Moreover, I study the clinical implications of the intrusion of sleep into wakefulness in patients with focal brain injury due to stroke. Specifically, I aim to: 1) show how the sleep-like bistability can be responsible for the loss of function in stroke patients. This may have implications for understanding the pathophysiology of stroke and helping to foster recovery; 2) establish the basis for a model of local sleep that might be present in the everyday life, id est the sensation of sleepiness. Indeed, sleepiness could reflect islands of sleep during wakefulness; 3) advocate the biological criterion of identity, in which the continuity necessary for maintaining ourselves over time could be represented by never resting activity in the brain.
31-gen-2020
Il sonno e la veglia vengono comunemente considerati come due stati distinti. L’alternanza tra essi, la cui presenza è stata dimostrata in ogni specie animale studiata fino ad oggi, sembra essere una delle caratteristiche che definisce la nostra vita. Allo stesso tempo, però, le scoperte portate alla luce negli ultimi decenni hanno offuscato i confini tra questi due stati. I meccanismi del sonno hanno sempre affascinato i neurofisiologi, che infatti, nell’ultimo secolo, li hanno caratterizzati in dettaglio: ora sappiamo che all’attività del sonno sottostà una specifica attività neuronale chiamata slow oscillation. La slow oscillation, che è costituita da (ancora una volta) un’alternanza tra periodi di attività e periodi di iperpolarizzazione e silenzio neuronale (OFF-periods), è la modalità base di attivazione del cervello dormiente. Questa alternanza è dovuta alla tendenza dei neuroni surante lo stato di sonno, di passare ad un periodo silente dopo un’attivazione iniziale, una tendenza a cui viene dato il nome di bistabilità neuronale. Molti studi hanno dimostrato come la bistabilità neuronale tipica del sonno ed i relativi OFF-periods, possano accadere anche durante la veglia in particolari condizioni patologiche, nelle transizioni del sonno e durante le deprivazioni di sonno. Per questo motivo, se accettassimo che la bistabilità neuronale e gli OFF-periods rappresentino una caratteristica fondamentale del sonno, allora dovremmo ammettere che stiamo assistendo ad un cambio di paradigma: da una prospettiva neurofisiologica il sonno può intrudere nella veglia. In questa tesi ho analizzato i nuovi -fluidi- confini tra sonno e veglia e le possibili implicazioni di questi nel problema della persistenza personale attraverso il tempo. Inoltre, ho studiato le implicazioni cliniche dell’intrusione di sonno nella veglia in pazienti con lesioni cerebrali focali di natura ischemica. In particolare, i miei obiettivi sono stati: 1) Dimostrare come la bistabilità neuronale possa essere responsabile della perdita di funzione nei pazienti affetti da ischemia cerebrale e come questo potrebbe avere implicazioni nello studio della patofisiologia dell’ischemia cerebrale e nella sua terapia; 2) Stabilire le basi per un modello di sonno locale presente nella vita di tutti i giorni: la sensazione di sonnolenza. Infatti, essa potrebbe riflettere la presenza di porzioni di corteccia in stato di sonno, ma durante lo stato di veglia; 3) Difendere il criterio biologico di identità, che troverebbe nell’attività cerebrale la continuità necessaria al mantenimento della nostra identità nel tempo.
Settore M-FIL/02 - Logica e Filosofia della Scienza
Settore BIO/09 - Fisiologia
sleep; wakefulness; physiology; philosophy; OFF-periods; slow waves; down states; perturbations; identity; neurophysiology; electrophysiology; transcranial magnetic stimulation; electroencephalogram; TMS; EEG; TMS/EEG; philosophy of mind; philosophy of science;
MASSIMINI, MARCELLO
PINOTTI, ANDREA
Doctoral Thesis
SLEEPING WHILE AWAKE: A NEUROPHYSIOLOGICAL INVESTIGATION ON SLEEP DURING WAKEFULNESS / S. D'ambrosio ; tutors: M. Massimini, S. Sarasso; coordinatore: A. Pinotti. Università degli Studi di Milano, 2020 Jan 31. 32. ciclo, Anno Accademico 2019. [10.13130/d-ambrosio-sasha_phd2020-01-31].
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