Ritmi biologici: i ritmi ultradiani regolano il nostro cervello.

Qualsiasi cosa noi osserviamo, è sottoposta a mutazioni che si ripetono con processi ciclici. Il giorno e la notte, le stagioni, le maree e tutte le altre manifestazioni non sono che degli esempi di questi ritmi e della loro successione.

La struttura dei ritmi fisiologici dell'uomo, non sono che ulteriori esempi di questi processi. Così come alla notte segue il giorno, come al sonno segue il risveglio, alla fase di ricettività dei cicli bioritmici segue una fase di attività: in perfetta alternanza.

La cronobiologia è la scienza che studia i ritmi biologici, cioè le fluttuazioni periodiche di funzioni e parametri biologici degli organismi viventi.

A regolare in modo così preciso l'orologio del corpo provvede una speciale parte del nostro cervello denominata ipotalamo.

Questo timer interno interagisce con segnali di riferimento esterni.

Molti ritmi biologici sono collegati sia al movimento di rotazione della Terra (ritmi circadiani), sia al movimento della luna intorno alla Terra (ritmi infradiani), sia al movimento di rotazione della terra intorno al sole (ritmi circannuali).

Le nostre reazioni biologiche sono regolate da milioni di anni da questi ritmi e da questi orologi speciali, che seguono gli eventi ciclici della vita, del nostro pianeta e del sole. Tutti i ritmi sono una proprietà fondamentale della materia vivente. Si osservano non solamente negli organismi altamente specializzati, ma si possono trovare persino a livello cellulare e molecolare.

Il ritmo infradiano è quello più lungo di un giorno, precisamente di 28 ore ("infra" si riferisce a una periodicità che supera il tempo del giorno). Vi sono diversi cicli di questo tipo che prendono nomi differenti a seconda della loro durata, ma per semplicità li raggrupperemo tutti sotto questa denominazione comune.

Ciclo infradiano è quello annuale del succedersi delle stagioni, delle migrazioni degli animali, dei cicli di marea.

Il ritmo infradiano individuale più conosciuto è il ritmo del ciclo mestruale nella donna più o meno ogni 28 giorni.

E' noto che il ciclo annuale influisce sullo stato d'animo e sulla condizione fisica di molte persone: influisce sulla produzione di ormoni corticosteroidi il cui picco è elevato in autunno-inverno e il minimo in primavera.

Ben conosciuta è anche l'influenza del ciclo ormonale femminile sullo stato psicofisico della donna.

La notevole influenza di questi ritmi mensili sul funzionamento mentale e fisico è ben documentata. Di solito quando il livello degli estrogeni raggiunge il culmine mensile, poco prima dell'ovulazione, e nei dieci giorni che precedono l'inizio delle mestruazioni, le donne funzionano meglio a livello verbale e motorio, meno in termini di orientamento spaziale. Quando il livello degli estrogeni diminuisce, il modello si inverte.

Non altrettanto noto è il fatto che anche gli uomini reagiscono a ritmi mensili: studi condotti inizialmente presso la Univesity of Minnesota Medical School e la University of Pensylvania mettono in evidenza come anche negli individui di sesso maschile esista un ciclo regolare mensile che condiziona i livelli energetici e l'umore.

Le funzioni che seguono il ritmo giornaliero (circadiano) sono numerosissime: il succedersi di sonno e veglia, la temperatura corporea (che ha il massimo alle quattro del pomeriggio ed il minimo alle sei del mattino), la pressione del sangue, la distribuzione di cellule nei liquidi corporei, la funzione respiratoria e molte attività delle ghiandole surrenali e di altri ormoni.

Anche il nostro cervello segue i suoi ritmi di attività e di riposo: ogni 90-120 minuti le funzioni cerebrali presentano i loro naturali massimi e minimi ed il corpo segue questi ritmi che sono detti ultradiani. le funzioni cerebrali diminuiscono per 20 minuti almeno e l'efficenza mentale aumenta e diminuisce a seconda dei ritmi; sarà perciò utile concedere un intervallo di 20 minuti per ottenere una migliore funzionalità cerenrale.

Le capacità psico-attitudinali come l'attenzione, la capacità cognitiva, la destrezza manuale e la coordinazione neuromuscolare presentano il minimo nelle prime ore del mattino, ed il massimo nelle ore pomeridiane.

Il termine ultradiano indica il ritmo che si svolge ciclicamente più volte al giorno, e che sono misurati in termini di ore, minuti e persino secondi.

Per esempio il cuore pulsa secondo un ritmo ultradiano di circa 86.000 volte al giorno. Inspiriamo ed espiriamo circa 22.000 volte al giorno. Il ciclo REM dra 90 minuti, quello di produzione dell'ormone della crescita di 3 ore.

Un ritmo ultradiano che ci interessa particolarmente è quello che regola l'attività e il recupero di mente e corpo, dalle 12 alle 16 volte al giorno può venire chiamato ciclo fondamentale di attività-riposo (ipotesi BRAC: basic rest activity cycle)

          

Pertanto, le nostre reazioni biologiche sono regolate da milioni di anni da questi ritmi e da questi orologi speciali, che seguono gli eventi ritmati della vita, del nostro pianeta e del sole. Tutti i ritmi sono una proprietà fondamentale della materia vivente. Si osservano non solamente negli organismi altamente specializzati, ma si possono trovare persino a livello cellulare e molecolare.

Alberto Oliverio, uno dei maggiori studiosi in campo mondiale di cronobiologia, così puntualizza, nella sua prefazione a "Orologi biologici", a proposito delle ricerche e scoperte in questo campo così vasto, affascinante ed in parte ancora oscuro della scienza umana e biologica:

"Numerosi fenomeni biologici hanno un andamento ritmico: queste fluttuazioni cicliche possono essere sincronizzate da fattori ambientali come il ciclo giorno-notte, il ciclo lunare o l'alternarsi delle stagioni oppure possono essere regolate autonomamente da quelli che sono stati definiti orologi biologici, complessi meccanismi che influenzano in maniera ciclica numerose attività dell'organismo, secondo un ritmo interno, indipendente dai fattori esterni.

Per molto tempo gli orologi biologici dei vegetali o degli animali sono stati semplicemente descritti dai botanici o dagli zoologi in termini di meccanismi insondabili e meravigliosi: negli ultimi decenni, invece, lo studio degli orologi biologici ha costituito un importante capitolo delle scienze biologiche; si tratta di ricerche che spaziano dalla genetica alla neurofisiologia, dall'etologia e l'ecologia alla biochimica.

L'analisi dei ritmi biologici costituisce, infatti, un campo multidisciplinare della biologia in cui si è passati da aspetti prevalentemente descrittivi a ricerche analitiche che hanno permesso di chiarire i meccanismi di regolazione genica, la sede cerebrale di alcuni orologi biologici negli uccelli e nei mammiferi, le caratteristiche neurobiologiche dei centri nervosi responsabili di queste attività.

Il problema degli orologi biologici non riguarda però soltanto gli invertebrati o i mammiferi inferiori ma l'uomo stesso: le ricerche sull'uomo, centrate inizialmente sui meccanismi del sonno e delle alternanze sonno-veglia, si sono sviluppate verso diversi aspetti fisiologici, clinici e comportamentali.

È stato così osservato che molte attività fisiologiche umane - dalla secrezione di ormoni alla mitosi cellulare - sono organizzate in maniera ritmica, con periodo che si avvicina alle 24 ore.

Le ricerche sull'uomo hanno notevoli implicazioni cliniche in quanto indicano come la sensibilità ad alcuni farmaci sia diversa durante il giorno o la notte o come alcune prestazioni psicofisiche varino nell'arco della giornata, così come alcuni stati umorali presentino un andamento ciclico con " alti " e " bassi " di notevole entità.

Queste ricerche - che nulla hanno a che vedere con i fantasiosi bioritmi elaborati a partire dalla data di nascita - hanno anche importanti implicazioni per la medicina e l'igiene del lavoro; esse indicano anche che la macchina umana, benché dotata di una notevole plasticità ed adattabilità all'ambiente, ha pur sempre dei limiti che non è possibile sorpassare se non a prezzo di vere e proprie patologie.

Quest'ultimo punto, indicatoci dalla cronobiologia umana, va oltre il significato contingente dei ritmi nell'uomo e sottolinea che non è possibile ignorare la nostra natura biologica e logorare troppo la macchina umana se non a prezzo di malattie e disagi psicologici ".

La presentazione di Oliverio serve anche ad introdurre qualche nota sui ritmi biologici o stimoli ciclici.

Cosa si intende per sincronizzatore biologico? Un sincronizzatore biologico è ogni fattore ambientale che presenta variazioni cicliche capaci di modificare uno o più parametri che contribuiscono a caratterizzare un bioritmo. Abbiamo così un tempo circadiano umorale, cellulare e nervoso, completamente diverso dal tempo ambientale. Gli "oscillatori endogeni" più studiati ed importanti per l'organismo umano ed i vertebrati sono la retina, il complesso pineale (occhio/organo parietale) ed i nuclei soprachiasmatici dell'ipotalamo.

Per quanto riguarda la classificazione dei ritmi di particolare interesse è quella elaborata da Oliverio:

Ritmi ultradiani = meno di venti ore

Battito cardiaco con pacemaker dominante nel nodo senoatriale - Temperatura

Ritmi circadiani = venti +/- quattro ore

ritmo sonno-veglia, temperatura corporea, pressione arteriosa, attività surrenalica, ACTH, divisione cellulare, attività ipofisaria ed epifisaria (sintesi melatonina)

Ritmi diani = ventiquattro +- 2 ore

Esperimenti, reazioni e comportamenti. Se un ratto sincronizzato in precedenza sul ritmo delle 24 ore giornaliere, è tenuto o sempre alla luce o sempre al buio, svilupperà un ritmo sonno-veglia di ventiquattro ore e sedici minuti, con variazioni di uno o due minuti al massimo. A questo ritmo è stato assegnato il nome di Free running, ossia a decorso libero che persisterà con precisione notevole anche per parecchi mesi.

Ritmi infradiani = più di 28 ore

ciclo della formica nomade legionaria sudamericana, dal nome Egiton, che presenta un periodo nomade di 17 giorni ed un periodo sedentario di 20 giorni.

Ritmi circaseptani = 7 +/- 3 giorni

alcuni ormoni

Ritmi circadiseptani = 14 +- 3 giorni

alcune variabili urinarie

Ritmi circavigintani = 21 +- 3 giorni

alcune variabili urinarie

Ritmi circatrigintani = 30 +- 5 giorni

ciclo mestruale e ormoni della riproduzione

Ritmi circannuali = 12 +- 2 mesi

produzione di ormoni corticosteroidi con picco elevato in autunno-inverno e minimo in primavera.

Il Pacemaker che regola tutto questo, si trova molto probabilmente nel nucleo soprachiasmatico dell'ipotalamo e nei centri diencefalici preposti al controllo di attività ricorrenti ed indispensabili alla produzione di riserve energetiche. I più importanti tra tutti i ritmi sono quelli che regolano il sonno-veglia, la fame. la sete e la temperatura del corpo.

Luce artificiale ed effetti sulla salute

L'esposizione sempre più intensa e prolungata alla luce artificiale dopo il tramonto è strettamente associata alla deprivazione di sonno, una condizione che predispone a problemi di salute quali obesità, diabete e malattie cardiovascolari. E la diffusione delle luci LED può peggiorare la situazione.

Da conquista tecnologica a rischio per la salute: sarebbe questa la parabola storica della luce artificiale secondo un articolo di commento apparso sulle pagine di “Nature” a firma di Charles Czeisler, del dipartimento di Medicina del sonno della Harvard Medical School.

La luce artificiale è uno dei fattori più strettamente associati alla deprivazione di sonno, una condizione molto comune nella nostra società e che costituisce uno dei fattori di rischio per condizioni patologiche che assumono sempre di più dimensioni epidemiche, come l'obesità, il diabete, le malattie cardiovascolari, la depressione e l’ictus. 

Recenti ricerche in questo campo, condotte sia sul modello animale sia direttamente sull’uomo, hanno mostrato per esempio che stare svegli più a lungo altera l'espressione di centinaia di geni. A livello comportamentale, si è visto invece che la veglia prolungata induce a mangiare di più, ben oltre le necessità energetiche dell’organismo. E ci sono effetti misurabili anche sul sistema immunitario: per mantenere il suo equilibrio, l’organismo necessita di un congruo numero di ore di sonno per notte.

Ancora più evidenti sono gli effetti sulle facoltà psichiche: a essere più colpite sono la capacità di attenzione, di concentrazione e di apprendimento, e anche l’umore può farne le spese; inoltre, si determina un incremento dello stato di ansia e di depressione che alcuni studi hanno correlato addirittura a un maggior tasso di suicidi.

A lamentare un numero insufficiente di ore di sonno (tipicamente la soglia per gli adulti è di sei ore per notte), secondo le statistiche è ormai circa un terzo degli statunitensi adulti attivi, mentre era il 3 per cento solo 50 anni fa. Non va meglio ai più piccoli, se è vero, come mostrano i dati, che in tutto il mondo i bambini dormono in media 1,2 ore per notte in meno rispetto a un secolo fa.

Le cause di questo spostamento vanno senz'altro ricercate nella tendenza sociale a spostarsi sempre più verso una produzione di beni e di servizi 24 ore su 24 e sette giorni su sette, le cui conseguenze sono evidenti dagli studi su soggetti che lavorano su turni di notte. Ma non è da trascurare la deprivazione di sonno  volontaria e per attività ricreative, come restare svegli davanti alla televisione.

In tutto questo, il ruolo della luce artificiale viene raramente sottolineato, ma è fondamentale: così come l'orecchio ha due funzioni, quella dell'udito e quella dell'equilibrio, l'occhio ha, oltre alla funzione della visione, anche quella di trasmettere al cervello, tramite le cellule gangliari della retina, le informazioni circa la presenza di luce dell'ambiente, il più importante dei segnali che regolano i ritmi circadiani, il nostro “orologio interno”.

Una volta giunti nel cervello, questi segnali innescano una serie di effetti diversi: inibiscono i neuroni che promuovono il sonno, sopprimono il rilascio dell'ormone melatonina, importante per la regolazione dei cicli sonno-veglia da parte dell’ipofisi, e attivano i neuroni orexina nell'ipotalamo che promuovono lo stato di veglia.

Dunque il quadro complessivo è il seguente: l'essere umano si è evoluto secondo i ritmi circadiani regolati sulla luce naturale. Ma da poco più di un secolo, dopo il tramonto si accendono le luci artificiali, che riproducono anche durante le ore notturne i segnali che sarebbero propri del giorno. E il fenomeno è sempre più intenso e pervasivo, al punto che nelle zone abitate il buio assoluto quasi non esiste più: all’illuminazione artificiale viene destinato attualmente il 19 per cento dell'energia prodotta nel mondo.

E quanto più illuminiamo l'oscurità, sintetizza Czeisler, tanto meno dormiamo. Inoltre, l'avvento dell'illuminazione a LED, più efficiente di quella delle classiche lampadine a incandescenza e anche delle alogene, non potrà che peggiorare le cose. La luce LED bianca è infatti ricca delle componenti blu-verde dello spettro, che sono proprio quelle a cui sono più sensibili le cellule gangliari della retina. Risultato: l’illuminazione artificiale segnalerà sempre di più al nostro cervello che non è ancora ora di dormire, e in questo faranno la loro parte anche televisori e monitor di computer, da qualche anno basati anch’essi sulla tecnologia a LED.

Fortunatamente, i meccanismi con cui la luce artificiale sopprime il sonno sono sempre più chiari, e ciò aiuta anche a porre rimedio a questo effetto: per esempio, già si pensa a correggere la componente blu-verde delle luci LED con un’emissione più spostata verso le tonalità giallo-arancio. Ma nulla vale quanto lo sforzo che possiamo fare tutti, per organizzare in modo diverso la nostra giornata, magari evitando di restare davanti a uno schermo fino alle ore piccole.