Dormire ed apprendere

Traduzione di Isabella Marini

Quando dormiamo stiamo solo passivamente recuperando da una dura giornata o succede anche qualcos’altro? Angelika Börsch-Haubold descrive le implicazioni di alcune intriganti ricerche- aveva ragione sua nonna? Metti alla prova le conclusioni degli scienziati su te stesso!

Mia nonna era solita dire che una buona dormita è essenziale per apprendere. Ed aggiungeva persino che il sonno prima di mezzanotte era il migliore. I bambini di solito sono contenti di andare a letto quando sono stanchi, ma la maggior parte degli adolescenti considerano lo stare alzati fino a tardi un elemento di emancipazione dal controllo dei genitori. E la nostra società sembra approvarlo: oggi dormiamo il 20% in meno rispetto ai nostri antenati perché siamo portati a lavorare più a lungo e ad avere le serate piene di attività sociali (Hargreaves, 2000).

Tutti sanno che le nostre prestazioni cognitive peggiorano dopo una nottata in bianco e anche  dopo avere regolarmente perso piccole quote di sonno. Si pensa che la stanchezza sia un fattore determinante in un terzo degli incidenti stradali e sia la causa numero uno degli incidenti mortali  che coinvolgono  ragazzi dai 18 ai 25 anni. Ma dormire troppo poco non mette solo a rischio la nostra vita. A San Francisco un'indagine anonima ha rivelato che oltre il 40% del personale ospedaliero  ritiene di aver provocato in qualche modo la morte di almeno un paziente a causa di  un errore conseguente alla stanchezza.

Un semplice indicatore della deprivazione di sonno è la necessità di dormire durante il giorno. Questo succede agli studenti durante le lezioni o mentre studiano, alle persone che viaggiano per affari o alle persone più anziane davanti alla TV. Quindi, la mancanza di sonno è un fenomeno molto diffuso che, oltre alle sue potenziali fatali conseguenze,  interferisce notevolmente con la nostra capacità di ricordare e quindi di imparare.

Memoria a lungo termine ed intuizione

Negli ultimi anni gli scienziati hanno scoperto che il sonno è molto di più che un semplice riposo per  i nostri nervi. Durante il sonno il processo di apprendimento è particolarmente attivo nel nostro cervello (Huber et al., 2004), e questo è essenziale per la formazione della memoria a lungo termine. La prima memorizzazione che elaboriamo mentre impariamo qualcosa di nuovo è suscettibile di interferenza. Dopo un certo tempo si attiva  un processo automatico che stabilizza proprio la memoria di quanto appreso, detto consolidamento di memoria.  Quest'ultimo si prolunga durante il sonno, ma in questo caso c’è un fattore aggiuntivo, il potenziamento di memoria. Il nostro cervello quindi lavora meglio dopo un sonnellino pomeridiano ed ancora meglio dopo una intera nottata di sonno (Stickgold, 2005). E poi quando siamo in cerca di una soluzione ad un problema spinoso  il nostro cervello continua a lavorarci sopra  anche mentre dormiamo. Il risultato è che possiamo realizzare di aver compreso improvvisamente una regola, la cui  intuizione scaturisce talvolta semplicemente da un sogno. Qui sotto sono descritti due esperimenti che misurano l’effetto del sonno sul consolidamento di memoria e sull’intuizione improvvisa.

Cosa accade al nostro cervello mentre dormiamo?

L'ipotalamo, organo regolatore centrale del sistema nervoso autonomo, controlla il ritmo circadiano (orologio biologico) della nostra temperatura corporea, del rilascio di ormoni, dell'appetito e del sonno. Nell'ipotalamo è presente un interruttore neuronale che regola i “nervi della veglia” ed i “nervi del sonno”. Una improvvisa transizione verso la modalità “sonno” (addormentarsi) comporta  che i nervi del sonno inibiscano quelli della veglia. L'interruttore viene stabilizzato da un terzo gruppo di neuroni, altrimenti ci sveglieremmo frequentemente di notte (Saper et al., 2005). Per avere un'idea del meccanismo neuronale che è alla base del sonno, immaginate tre bambini su un'altalena. Due sono  posizionati su ciascun  lato dell'asse che va su e giù e fungono da interruttore. Il terzo bambino è posizionato sul fulcro dell'asse. Quando quest'ultimo sposta il suo peso su un lato dell'asse, effettivamente arresta efficacemente il movimento e funge da stabilizzatore.

Questo sistema dinamico genera le diverse fasi del sonno note da tempo: il sonno REM (rapid eye-movement, rapidi movimenti degli occhi) in cui si sogna, ed il sonno nonREM  che comprende  le fasi di sonno leggero I e II e quelle  di sonno profondo III e IV. L'andamento di una notte di sonno è caratterizzato da cicli di 90 minuti formati da fasi di sonno profondo e leggero: un lungo periodo iniziale delle fasi III e IV del sonno seguita da un breve periodo di sonno REM e fasi I e II. Col  trascorrere della notte, le fasi di sonno profondo diventano gradualmente più brevi, mentre si allungano quelle relative al sogno.

La funzione fisiologica del sonno sembra duplice. Primo, il sonno nonREM è un periodo di bassa domanda metabolica in cui le riserve di ATP (adenosina trifosfato), consumate  durante il giorno, vengono ripristinate. Il prodotto di degradazione dell'ATP, l'adenosina, agisce come agente fisiologico del sonno, in quanto attiva direttamente i neuroni del sonno. Secondo, il sonno gioca un ruolo nella plasticità neuronale. Durante il sonno, vengono rinforzate le connessioni significative tra neuroni, mentre quelle superflue vengono eliminate. L'apprendimento dipende da tutte le diverse fasi del sonno.

Potenziamento della memoria sonno-dipendente

L'effetto del sonno sull'apprendimento è più semplice da misurare se si determina l'apprendimento inconscio. Questo può essere fatto con esperimenti in cui si verificano le abilità motorie, come digitare su una tastiera o seguire una linea visualizzata su uno schermo di calcolatore, oppure verificare le abilità percettive, per esempio discriminare delle barre diagonali in primo piano rispetto a barre orizzontali sullo sfondo.

Nell'esperimento di digitazione i soggetti devono comporre ripetutamente una sequenza numerica, per esempio 4-1-3-2-4 più velocemente possibile (vedi riquadro). I migliori risultati si registrano durante i primi cinque minuti di attività, trascorsi i quali si raggiunge una sorta di asintoto di miglioramento di circa il 60%, su dodici tentativi da 30 secondi ciascuno (Stickgold, 2005). Ripetendo la prova dopo 4-12 ore, nello stesso giorno, non si registrano ulteriori miglioramenti. Dopo una notte di sonno la velocità e l'accuratezza nel digitare vengono mediamente migliorate del 20%. Dopo altre due notti si rileva un ulteriore miglioramento del  26%. Questi dati mostrano chiaramente il processo di potenziamento della memoria promosso dal sonno.

E' interessante notare che il sonno ci viene in aiuto soltanto se non dobbiamo imparare contemporaneamente troppe cose utilizzando lo stesso tipo di memoria. Durante l'esperimento di digitazione, quando immediatamente dopo la prima fase di allenamento si impara una seconda sequenza completamente diversa dalla prima, è soltanto la digitazione della seconda sequenza a migliorare dopo aver dormito (Walker et al., 2003). Se vengono variati i tempi di allenamento o di ripetizione della prova risulta evidente che la memoria passa da una prima fase stabilizzante di consolidamento compresa tra i 10 minuti e le 6 ore dopo l'apprendimento e solo in seguito diventa immune all'interferenza di una memorizzazione in competizione con la prima. Comunque brevi periodi di prova (come nel caso della ripetizione della prova) fanno tornare labile la memoria che diventa nuovamente suscettibile di interferenza nei confronti di uno stimolo motorio competitivo che necessita di consolidamento.

Risulta più debole l'evidenza scientifica del consolidamento sonno-dipendente della nostra memoria per gli eventi (cos'è accaduto ieri) ed i fatti (il nome di un nuovo collega di lavoro). Comunque in soggetti sottoposti a memorizzare sillabe senza senso o a trovare associazioni di parole, la fase iniziale di sonno notturno (ricca di sonno profondo) consente la stabilizzazione di questa “memoria dichiarativa” (Stickgold, 2005).

Sonno ed intuizione improvvisa

L'intuizione improvvisa è una forma di apprendimento cognitivamente complesso. Un esempio significativo di come il sonno possa provocare l'intuizione ci è fornito dallo scopritore della doppia elica, James Watson. Quando all'inizio del 1953 stava lavorando alla regola dell'appaiamento delle basi, un importante prerequisito per risolvere la struttura del DNA, riteneva di aver trovato un modo di appaiare le quattro basi, adenina, guanina, citosina e timina mediante strutture equivalenti grazie a legami idrogeno. Ben presto i suoi colleghi cristallografi resero evidente che questo modello non poteva essere corretto per due motivi. Primo, a Watson fu fatto presente che guanina e timina erano molto probabilmente nella configurazione chetonica (il contrario della configurazione che veniva normalmente riportata sui libri di testo, che era quella enolica); secondo, gli fu ricordata la regola di Chargaff secondo la quale nel DNA  l'adenina è presente nella stessa quantità della timina, così come la guanina della citosina.

Le nuove conoscenze non consentirono quel giorno a Watson di trovare la soluzione, nonostante avesse ritagliato dei modelli di cartoncino delle basi. Comunque, riferendosi alla mattina seguente, scriverà: “Improvvisamente divenni consapevole che la coppia adenina-timina, tenuta insieme da due legami idrogeno, aveva la stessa forma della coppia guanina-citosina [...] Tutti i legami idrogeno sembravano formarsi naturalmente [...] La regola di Chargaff emerse improvvisamente come conseguenza di una struttura a doppia elica del DNA”  (Watson, 1980). Era nata la doppia elica di Watson e Crick.

Wagner e i suoi collaboratori hanno individuato un test in grado di  determinare esattamente quando quest'intuizione astratta ha luogo durante l'apprendimento (riquadro 2; Wagner et al., 2004). I soggetti applicano un algoritmo standard (che consiste di due semplici regole) per ridurre una sequenza di otto elementi ad una risposta finale, senza sapere che c'è una scorciatoia. La percentuale di soggetti che scoprono questa scorciatoia o “regola nascosta” quando vengono sottoposti nuovamente al test è del 22% nel gruppo di quelli che sono rimasti svegli, e del 60% in quello dei soggetti che nel frattempo hanno dormito. Perciò, scoprire una regola complessa, una delle attività cognitive umane più sofisticate, è facilitata dopo una notte di sonno anche se il soggetto non sa che c'è da scoprire una regola.

Conclusioni

Le recenti ricerche su sonno e apprendimento hanno dato un sostegno scientifico a quanto sosteneva mia nonna. Se i risultati delle ricerche vengono  analizzati alla luce dei  chiari indicatori di una diffusa privazione di sonno nella nostra società, arriviamo alla ovvia conclusione che è giunto il momento di riconsiderare attentamente le nostre abitudini legate al sonno. Visto che cerchiamo per tutta la vita di avere efficienti strategie di apprendimento, dare un'occhiata alla necessità di dormire del nostro cervello ci insegnerebbe come imparare, lavorare e giocare in armonia con - invece che contro- le nostre basi neurofisiologiche. Quindi, dormiamoci sopra.

Protocollo sperimentale dell'attività di digitazione Per effettuare quest'attività scaricate il foglio di lavoro Excel preprogrammato FingerTap.xlsw1. Prima di usare il foglio elettronico, copiatelo e salvatelo col nome dello studente coinvolto.
Due studenti lavorano insieme, uno dei due, destrimano, appoggia quattro dita della mano sinistra sui tasti da 1  a 4 della tastiera (vedi figura). Cominciando dalla colonna “run 1 (corsa 1)”, il soggetto deve digitare ripetutamente e più velocemente ed accuratamente possibile la sequenza bersaglio mostrata in alto sul foglio. La sequenza digitata non viene mostrata nelle celle. Dopo ogni sequenza, lo studente preme “invio” con la mano destra per spostare il cursore nella cella sottostante. Il partner cronometra il tempo. Ogni corsa dura 30 secondi ed è seguita da 30 secondi di riposo; la fase di allenamento è formata da 12 corse (una in ciascuna delle colonne da “run 1” a “run 12”). La ripetizione del test con 6 corse (colonne “retest” da “run 1” a “run 6”) va effettuata nelle stesse condizioni e 6-8 ore dopo nello stesso giorno (gruppo che non ha dormito) o il giorno successivo dopo una intera notte di sonno (gruppo che ha dormito).	Elaborazione
Il primo foglio elettronico Excel è programmato per contare tutti gli inserimenti di sequenze corrette e per dare il risultato nella riga denominata “score” (riga 56). Il secondo foglio analizza automaticamente i dati, riportando su grafico il numero della corsa in funzione del risultato e paragonando i risultati ottenuti nella fase di allenamento e in quella di ripetizione del test. Per quantificare la differenza fra i gruppi che hanno o non hanno dormito, il numero medio di sequenze corrette della fase di allenamento viene paragonato con la media ottenuta nella ripetizione del test, il valore medio di ogni studente viene calcolato automaticamente nel foglio elettronico. Esempi di fogli elettronici completi possono essere scaricati dal sito di Science in Schoolw1.

Protocollo sperimentale dell'attività di riduzione numerica Agli studenti si insegna un algoritmo standard per ridurre una sequenza di otto elementi da digitare (formata dalle cifre 1, 4 e 9) ad una soluzione finale (vedi figura). Devono semplicemente applicare due regole:
La riduzione numerica	quella dell'identità secondo la quale il risultato di due digitazioni identiche è semplicemente la stessa digitazione (per esempio 1 e 1 danno 1) la regola della differenza stabilisce che il risultato di due digitazioni diverse è la terza cifra rimanente (per esempio 1 e 4 danno come risultato 9).
Dopo la prima risposta, si paragonano il risultato precedente e la cifra successiva (per esempio fra le digitazioni cerchiate; le frecce indicano il risultato corretto). La settima risposta indica la soluzione finale; il tempo necessario per risolvere la sequenza deve essere registrato. Quello che gli studenti non sanno è che c'è una “regola nascosta”: le sequenze sono generate in modo che la seconda risposta di ogni prova coincida con la risposta finale. Intuire questa regola nascosta riduce notevolmente il tempo necessario per dare la risposta a ciascuna sequenza. Prima di iniziare l'esperimento gli studenti devono prendere pratica senza fare errori su dieci sequenze (che non hanno la regola nascosta) per essere sicuri che abbiano compreso sia le regola dell'identità che quella della differenza. Per prendere confidenza si può scaricare un documento Word con le sequenze ((NumberRed.doc)w1. L'esperimento prevede una fase iniziale di allenamento (tre blocchi di 30 sequenze ciascuno), un periodo di otto ore di sonno o veglia e una ripetizione del test (dieci blocchi). Alla fine dell'esperimento si calcola la percentuale di soggetti che hanno scoperto la regola nascosta ed il gruppo che ha dormito viene paragonato a quello che non lo ha fatto. Nella pubblicazione originale, i soggetti che scoprono la regola nascosta riducono il tempo di soluzione di ogni sequenza del test da 8,7 a 2,4 secondi. Nel predisporre l'esperimento assicuratevi che gli studenti non sospettino che ci sia una scorciatoia per arrivare alla soluzione. Se uno studente scoprisse la regola nascosta durante la fase di allenamento iniziale, i suoi dati devono essere esclusi dall'analisi.

Ringraziamenti

Ringrazio Robert Stickgold (Harvard Medical School, Boston, MA, USA) ed Ullrich Wagner (Universität Lübeck, Germany) che hanno effettuato le ricerche di cui si parla nell'articolo, per i loro commenti alla progettazione delle attività didattiche.

Referenze

Hargreaves S (2000) Health, happiness, and a good night's sleep. The Lancet 355: 155

Huber R, Ghilardi MF, Massimini M, Tonomi G (2004) Local sleep and learning. Nature 430: 78-81

Saper CB, Scammell TE, Lu J (2005) Hypothalamic regulation of sleep and circadian rhythms. Nature 437: 1257-1263

Stickgold R (2005) Sleep-dependent memory consolidation. Nature 437: 1272-1278

Wagner U, Gais S, Haider H, Verleger R, Born J (2004) Sleep inspires insight. Nature 427: 352-355

Walker MP, Brakefield T, Hobson JA, Stickgold R (2003) Dissociable stages of human memory consolidation and reconsolidation. Nature 425: 616-620

Watson J (1980) The Double Helix: A Personal Account of the Discovery of the Structure of DNA. New York, NY, USA: W. W. Norton & Company

Riferimenti sul web

w1 – Tutti i materiali necessari per gli esercizi possono essere scaricati da:

• FingerTap.xls
• FingerTapEx1.xls
• FingerTapEx2.xls
• NumberRed.doc