nhỏ|430x430px|BrdU (màu đỏ), thể hiện quá trình neurogenesis trong trung khu dưới hạt (SGZ) của vùng DG hồi hải mã. Hình ảnh minh họa này của Faiz và cộng sự, năm 2005. Khoa học thần kinh giấc ngủ là lĩnh vực nghiên cứu khoa học thần kinh và sinh lý học căn bản về bản chất của quá trình ngủ và các chức năng sinh học của nó. Thông thường thì sự ngủ được nghiên cứu dưới góc độ tâm lý học và y học. Nhằm để hiểu rõ một cách toàn vẹn, thông suốt và thấu đáo, phá vỡ các nghi ngờ và giải rõ nhận thức về việc ngủ. Đã diễn ra nhiều cuộc nghiên cứu trên khía cạnh khoa học thần kinh với quy mô lớn và vượt trội, khi sự phát triển công nghệ kỹ thuật đạt được mức rạng rỡ từ nửa sau thế kỷ 20.

Y văn đã chứng minh tầm quan trọng của sự ngủ thực tế đó là nếu con vật đó chỉ dành một tiếng cho việc ngủ, thì với một tình trạng thiếu ngủ trầm trọng cứ diễn ra như vậy có thể gây nên hậu quả thảm khốc và cuối cùng sẽ dẫn đến cái chết. Hay trong nghiên cứu của Bellesi và cộng sự năm 2017, tình trạng thiếu ngủ diễn ra sẽ kích hoạt tế bào hình sao, gia tăng hoạt động thực bào và tấn công vào các khớp thần kinh, đối với những con chuột mất ngủ mãn tính, sự gia tăng này lên tới 13.5%, não bộ tự ăn chính nó theo đúng nghĩa đen. Như vậy hiện tượng ngủ là rất quan trọng, tuy nhiên mục đích và cơ chế của ngủ chỉ được nắm rõ một phần nào đó, thậm chí cho đến tận vào cuối những năm 1990 người ta cho rằng: "Chức năng duy nhất của việc ngủ là làm cho hết buồn ngủ". Tuy nhiên, với sự phát triển và ra đời các phương pháp kỹ thuật hình ảnh tối tân như là EEG, PET, và fMRI mang khả năng tính toán cao đã giúp chúng ta hiểu rõ nhiều hơn về các cơ chế thần kinh vận hành quá trình ngủ.

Các câu hỏi với mức độ cơ bản trong nghiên cứu khoa học thần kinh về ngủ đó là:

Các yếu tố tương quan với giấc ngủ, tức là tập hợp các sự kiện tối thiểu đủ để xác nhận rằng loài sinh vật đó đang ngủ?

Hệ thần kinh và não bộ hình thành và điều chỉnh quá trình ngủ như thế nào?

Những sự kiện gì xảy ra trong bộ não lúc ngủ?

Làm thế nào để chúng ta có thể hiểu được chức năng ngủ trong não bộ dưới phương diện sinh lý học?

Các nguyên nhân gây ra các rối loạn giấc ngủ và chúng có thể được điều trị như thế nào?

Các lĩnh vực nghiên cứu khác nằm trong phạm vi khoa học thần kinh giấc ngủ bao gồm tiến hóa quá trình ngủ qua các loài, giấc ngủ trong giai đoạn phát triển và lão hóa, tập tính ngủ ở động vật, cơ chế tác động của các loại thuốc lên giấc ngủ, mơ và ác mộng, và chu kỳ tỉnh thức của cá thể.

Dẫn nhập

nhỏ|362x362px|Các sợi trục cholinergic đã được đánh dấu với sự hiện diện của nhiều cúc thần kinh trong mỗi sự phân nhánh của cấu trúc lồi não dưới (IC, hay còn gọi là gò não dưới). (A–C) các nhân trần cuống cầu não (PPT) với các sợi cholinergic biểu hiện protein mCherry trong (A) nhân xám trung tâm của vùng IC (ICc), (B) phần vỏ bên của lồi não dưới (IClc), (C) phần vỏ sau của lồi não dưới (ICd). (D–F) các sợi cholinergic của PPT biểu hiện protein EYFP trong (D) vùng ICc, (E) vùng IClc, (F) vùng ICd. Vạch trắng hình (F) ước lượng khoảng cách là 25 μm, và cũng áp dụng cho từ hình (A–F). (G) Mô phỏng các sợi cholinergic đánh dấu bằng EYFP trong cả vùng ICc và vùng IClc (phân chia qua đường đứt nét), bao gồm cả các sợi trục xuyên ranh giới (dấu hoa thị), nhằm cho các cúc tận cùng lên cả hai vùng này. Các nhân trần cuống cầu não này cho các nhánh đến đồi thị, thực hiện việc điều hòa chu kỳ ngủ - thức, và các sợi cholinergic được xem là các nơron "REM-on". Giấc ngủ cử động mắt nhanh (REM) hay còn gọi là ngủ nghịch thường, giấc ngủ không cử động mắt nhanh (NREM hay non-REM) hay còn gọi giấc ngủ sóng chậm (SWS), và trạng thái thức tỉnh chính là ba trạng thái phản ánh sự hoạt động của ý thức, cơ cấu thần kinh tâm thần, và quá trình cân bằng điều hòa sinh lý cơ thể. Giấc ngủ NREM được phân thành nhiều giai đoạn – N1, N2 và N3. Giấc ngủ bắt đầu với giấc ngủ NREM trung bình kéo dài từ 70 đến 100 phút,^:13–23 và sau đó xuất hiện giấc ngủ REM với thời gian dài hơn khoảng chừng 90 đến 120 phút, luân phiên nhau theo chu kỳ thường theo thứ tự là N1 → N2 → N3 → N2 → REM. Khi con người rơi vào trạng thái ngủ, hoạt động chuyển hóa của cơ thể giảm xuống. Nhiệt độ cơ thể, nhịp tim, nhịp thở, và mức sử dụng năng lượng tất cả đều giảm. Sóng não trở thành sóng có biên độ cao, với tần số giảm dần tức là dao động chậm. Có sự giảm phóng thích acetylcholine, là chất dẫn truyền thần kinh kích thích trong não. Khi ngủ, con người thực hiện bảo toàn nhiệt năng của cơ thể sao cho phù hợp với tác động của môi trường—chẳng hạn như là khi trời lạnh sẽ có xu hướng cuộn tròn lại. Các phản xạ gân xương vẫn còn hoàn toàn hoạt động.

Giấc ngủ REM được xem là "tiệm cận" với trạng thái thức, được đặc trưng bởi sự mất trương lực cơ và hiện tượng chuyển động mắt nhanh. NREM là giấc ngủ sâu (giai đoạn sâu nhất của NREM được gọi là giấc ngủ sóng chậm), mà trong đó không có các chuyển động mắt và các cơ đều bị tê liệt. Đặc biệt trong giấc ngủ non-REM, bộ não tiêu thụ năng lượng ít hơn so với lúc thức một cách đáng kể. Khi hoạt động ức chế điện thế diễn ra ở nhiều vùng não, điều này ám chỉ đang có sự tiến hành khôi phục lại adenosine triphosphate (ATP), phân tử được mệnh danh là đồng tiền năng lượng của tế bào, đóng vai trò vận chuyển năng lượng và là kho dự trữ ngắn hạn tạo thuận lợi cho quá trình tổng hợp chất dẫn truyền thần kinh diễn ra. (Bởi vì khi não bộ trong trạng thái thức tỉnh, nó "ngốn" tới 20% năng lượng cơ thể, thế nên sự "tụt dốc" này tác động đáng kể đến tổng thể năng lượng tiêu thụ căn bản một cách độc lập.) Trong giấc ngủ sóng chậm, cơ thể con người bắt đầu xuất hiện những làn sóng phân tử protein GH (hormone sinh trưởng, chứa 191 acid amino và trọng lượng phân tử là 22.005) do thùy trước tuyến yên tiết ra, có tác dụng điều hòa trực tiếp chức năng chuyển hóa của toàn bộ cơ thể. Đối với prolactin, mọi dạng giấc ngủ ở bất cứ thời điểm nào ngay cả ban ngày đều gắn liền với sự giải phóng chất này.

Theo lý thuyết phát động tổng hợp (activation-synthesis hypothesis) của Hobson và McCarley được đưa ra vào năm 1975–1977, sự thay phiên tuần tự giữa REM và non-REM đã tạo nên các chu kỳ của giấc ngủ, và rằng chúng tương hỗ qua lại lẫn nhau chi phối mạnh mẽ đến hệ thống các chất dẫn truyền thần kinh. Thời gian ngủ được kiểm soát bởi đồng hồ sinh học, đặc biệt ở người với một mức độ nhất định khi đặt hành vi dưới sự kiểm soát của ý chí, đã có các cuộc thực nghiệm đã chứng minh rằng con chuột để có thể sinh tồn chúng sẽ sẵn sàng biến đổi nhịp sinh học của riêng nó. Giáo sư Fred Stephan đã tuyên bố rằng: "khi thức ăn và ánh sáng cạnh tranh nhau, thường là thức ăn sẽ thắng."^:294 Điều này có nghĩa rằng là, mặc dù con chuột có tập tính tìm kiếm thức ăn vào ban đêm, trong trường hợp thức ăn chỉ có vào ban ngày, chúng sẽ thay đổi nhịp sinh học để khai thác nguồn sống này. Đối với con chuột đói, cố nhiên nguy cơ chết đói sẽ cao hơn nhiều so với nguy cơ bị ăn thịt. Thuật ngữ circadian có nguồn gốc từ tiếng Latin circa, có nghĩa là "khoảng chừng" (hay "xấp xỉ"), và diem hay dies có nghĩa là "ngày." Đồng hồ sinh học được định nghĩa chính là tập hợp các cơ chế sinh học chi phối và điều hòa đến nhiều quá trình hóa sinh bên trong sinh thể với trật tự nhất định, và đồng hồ này có thể điều chỉnh được diễn ra trong vòng 24 giờ. Nhịp sinh học có thể quan sát rộng rãi được ở thực vật, động vật, nấm và vi khuẩn lam.

Các sự kiện vi mô cấu thành nên hiện tượng ngủ

Một trong những câu hỏi quan trọng trong việc nghiên cứu giấc ngủ đó là làm thế nào để có thể định nghĩa một cách chính xác và rõ ràng về trạng thái ngủ. Vấn đề này được đặt ra là bởi vì ngủ không phải là trạng thái sinh lý bình thường mà là trạng thái mật thiết với ý thức, vì vậy không có một định nghĩa rõ ràng nào về tập hợp các cơ chế tối thiểu gây ra hiện tượng ngủ, đồng thời cắt nghĩa và phân biệt nó với các trạng thái (có một phần hoặc không) ý thức khác. Điều này thực sự phức tạp bởi vì cần phải nghiên cứu hiện tượng này ở nhiều loài khác nhau.

Sự thiếu đáp ứng đối với các tín hiệu cảm giác đầu vào, ức chế tín hiệu vận động đầu ra, giảm bớt các chức năng nhận thức; chính là các đặc trưng của một giấc ngủ, cũng chính là trạng thái đảo ngược của thức (có thể đảo ngược nhanh chóng với nó). Tuy nhiên là để chuyển đổi hiện tượng này sang định nghĩa sinh học là khó khăn, bởi vì không có một mạch nơron nào trong bộ não có thể độc lập thực hiện chức năng ngủ và sự điều hòa hưng phấn - ức chế thần kinh. Một trong số các giả thuyết sớm nhất ra đời cho rằng ngủ là do sự bất hoạt cấu trúc vỏ não và đồi thị (hay còn gọi là nội đồi), dựa trên sự vắng mặt các đáp ứng tín hiệu cảm giác của cả năm giác quan. Tuy nhiên, điều này là không có căn cứ khi người ta đã quan sát thấy cả vỏ não và đồi thị vẫn trong trạng thái hoạt động ở một số pha ngủ. Sự thật là cấu trúc đồi thị chỉ bất hoạt đi sự chuyển tải thông tin cảm giác lên vỏ não.

Đã có nhiều quan sát về giấc ngủ bao gồm có quá trình suy biến hoạt động giao cảm, đồng thời tăng cường hoạt động phó giao cảm trong giấc ngủ non-REM, đặc biệt trong giấc ngủ REM có sự tăng nhịp tim và huyết áp, trong khi đáp ứng cân bằng nội môi và trương lực cơ giảm. Tuy nhiên là các hiện tượng trên không đặc hiệu cho nhiều trạng thái ngủ khác nhau; không giúp vạch ra được một định nghĩa cụ thể trên phương diện sinh lý học.

Gần đây nhất với sự phát triển vượt bậc của khoa học thần kinh (neuroscience), câu hỏi được đặt ra lại được tiếp tục xoáy sâu, với các nghiên cứu được thực hiện bằng việc quan sát tổng thể sự vận động điện não thông qua kỹ thuật EEG đặc trưng. Mỗi một giai đoạn ngủ và trạng thái thức đều có các loại sóng EEG riêng biệt, và như vậy có thể xác định được các giai đoạn của một giấc ngủ. Thức thường đặc trưng bởi sóng beta (12–30 Hz) và gamma (25–100 Hz) phụ thuộc vào hoạt động của não bộ trong điều kiện nào, căng thẳng hay thư giãn chẳng hạn. Khi quá trình ngủ bắt đầu vận hành, tương ứng cá thể biểu hiện ra hiện tượng lừ đừ buồn ngủ, các tần số sóng năng động này suy giảm đi sau đó chuyển thành sóng alpha (8–12 Hz), tiếp tục chuyển thành theta (4–10 Hz), cũng là lúc bắt đầu đi vào giai đoạn 1 của giấc ngủ NREM. Tần số sẽ càng giảm hơn nữa khi tiến tới giai đoạn sâu của giấc ngủ NREM. Sóng điện não có biên độ thấp nhất khi trong trạng thái cảnh giác và thức tỉnh (10–30μV) và tăng lên trong nhiều giai đoạn ngủ (NREM). Giai đoạn 2 đặc trưng có những đợt ngắt xung điện ngủ, hay nói cách khác là hiện diện các thoi ngủ (thuật ngữ sleep spindle trong EEG, tức những khoảng sóng gián đoạn mang tần số 12–14 Hz, ngoài ra còn có tên gọi là sóng sigma) và phức hợp K (K complex). Theo định nghĩa của AASM, phức hợp K là sóng nhọn âm theo sau bởi sóng nhọn dương, 2 pha và thường đối xứng, với tổng thời gian ≥0.5 s và biên độ lớn nhất tại vùng trán, cũng là "sự kiện điện thế động lớn nhất trong điện não đồ theo thời gian." Giai đoạn 3 có nhiều các dạng sóng sigma hơn, cùng với giai đoạn 4 xuất hiện các dạng sóng delta với biên độ rất cao (0–4 Hz), vì thế còn được gọi là giấc ngủ sóng chậm. Giấc ngủ REM đặc trưng điển hình là tồn tại các sóng não đồ với biên độ thấp và tần số không đồng bộ (với dạng răng cưa thường gặp). Vì là sóng não không đồng bộ nên điện não REM rất giống điện não lúc thức tỉnh có hoạt động não. Mặc dù là trong trạng thái ngủ nhưng điện não đặc trưng cho sự thức tỉnh, vì các đặc điểm trên nên người ta gọi giấc ngủ REM là giấc ngủ không đồng bộ hay còn gọi là giấc ngủ nghịch thường.

Giấc ngủ và sự phát sinh cá thể – chủng loại

nhỏ|360x360px|Một con hổ đang ngủ tại vườn bách thú nước Australia Chưa dừng lại ở đó, câu hỏi lại tiếp tục được đặt ra đó là quá trình ngủ đã biến chuyển và tiến hóa như thế nào trong giới động vật. Đặc biệt là về sự hình thành và phát triển ra sao, như thế nào đối với loài người; điều này là quan trọng và thực sự cần thiết bởi vì nó cung cấp các manh mối, bằng chứng giải thích cho các chức năng sinh lý, các cơ chế thần kinh tùy thuộc loài và trật tự ẩn đằng sau, hơn nữa còn có thể đưa ra sự thống nhất chung và phá vỡ mối nghi ngờ, các tranh cãi khoa học, và thiết lập lại những định nghĩa được cho là mơ hồ và không khách quan trước đó.

Tiến hóa giấc ngủ

Quá trình tiến hóa giấc ngủ chịu ảnh hưởng bởi nhiều nhân tố tiến hóa, bao gồm có kích thước cơ thể, tốc độ chuyển hóa tương đối, lối sống ăn thịt, khả năng định hướng con mồi, loại thức ăn mà chúng tiêu thụ, và chức năng miễn dịch. Ngủ (cụ thể là giấc ngủ sóng chậm sâu và REM) có thể nói là một tập tính tế nhị ở động vật bởi vì nó làm tăng nguy cơ bị ăn thịt từ những loài động vật khác. Điều này có ý nghĩa rằng là, khi giấc ngủ tiến hóa lên các bậc cao hơn, thì cố nhiên các chức năng tự thể phải mở rộng thêm thuộc tính (chọn lọc) nhằm tạo điều kiện thuận lợi và trọng yếu cho khả năng sinh tồn trong trường hợp các mối nguy hại hiện hữu. Dựa trên hiện thực khách quan, các công trình nghiên cứu khoa học về hành vi ngủ trên nhiều loài sinh vật khác nhau đã cung cấp cái nhìn tổng quát toàn diện, giải thích rằng làm thế nào chúng nó có thể làm giảm đi mối nguy này bằng cách tự tiến hóa cơ chế sinh lý của riêng nó hoặc nương tựa vào môi trường sống xung quanh để bảo vệ bản thân mình. Vì vậy, việc nghiên cứu sự tiến hóa của giấc ngủ có thể đưa ra các chứng cứ vững chắc, đáng tin cậy, không chỉ là nói đến khuynh hướng phát triển đi lên và các cơ chế sinh học, mà còn nói lên rằng nó là một quá trình thích nghi với các biến cố đến từ môi trường, tăng cường khả năng sinh tồn đối với hầu như tất cả mọi muôn loài sinh vật tồn tại trên Trái Đất này.

Thách thức đặt ra trong nghiên cứu tiến hóa giấc ngủ đó chính là chỉ thấy bộ phận mà không thấy toàn thể. Các dữ kiện thông tin thu thập được mới chỉ giới hạn ở ngành động vật có xương sống, và ngành chân khớp. Nhưng rồi sau đó bùng nổ những cuộc tranh cãi giữa các nhà khoa học, có các chứng cứ phản biện lại lập luận trên tuyên bố rằng khả năng thú lông nhím nó đã kết hợp cả hai pha ngủ thành một trạng thái ngủ duy nhất. Những cuộc nghiên cứu khác mô tả dạng ngủ khác thường đặc biệt ở phân bộ cá voi có răng (chẳng hạn như là cá heo và cá heo chuột). Đây là dạng giấc ngủ sóng chậm một bên bán cầu đại não (USWS). Tại bất kỳ thời điểm nào trong chế độ ngủ này, điện não đồ của một bên bán cầu não cho thấy các kiểu sóng ngủ đặc trưng, trong khi đó hoạt động điện ghi lại ở bên bán cầu còn lại biểu thị ra các dạng sóng nhanh tần số cao biên độ thấp tức là thuộc trạng thái tỉnh thức. Trong một số trường hợp, con mắt tương ứng của bên bán cầu não không "ngủ" đó mở ra. Như vậy cho phép các loài động vật giảm thiểu đi nguy cơ bị ăn thịt đồng thời là giúp chúng có thể ngủ trong khi đang bơi ở dưới nước, mặc dù là chúng cũng có thể ngủ và ngưng sự vận động hoàn toàn nếu chúng muốn.

Người ta đã phát hiện ra sự tương quan về giấc ngủ giữa lớp thú và lớp chim, và cụ thể hơn là các loài chim cũng có giấc ngủ SWS và REM tương tự như ở động vật có vú, các quan sát có được bao gồm nhắm cả hai con mắt lại, và giảm trương lực cơ,... Tuy nhiên, tỷ lệ giấc ngủ REM ở loài chim thì thấp hơn. Cũng vậy, một số loài chim chúng có thể ngủ với tình trạng mắt nhắm mắt mở nếu có sự nguy hiểm trong môi trường của nó đang tồn tại (bị ăn thịt chẳng hạn). Chính vì điều đó nên cho phép chúng có khả năng thực hiện giấc ngủ trên không trung; bởi do giấc ngủ chiếm giữ vai trò vô cùng quan trọng và rằng bản năng sinh tồn thúc đẩy vận hành các cơ chế chuyên biệt giúp thực thi khả năng bay liên tục hàng tuần mà không biết mỏi mệt, lý luận này thật không có gì khó hiểu và kết quả đã quá rõ ràng. Thế nhưng, hiện tượng ngủ trên bầu trời vẫn chưa được quan sát các điện não đồ điển hình của nó, cho đến tận bây giờ chưa được chứng minh và kho dữ liệu vẫn trống không. Trong tương lai hẳn nhiên phải có thêm nhiều công trình nghiên cứu hơn nữa để có thể giải thích là liệu rằng loài chim có thực sự là ngủ trên trời hay không, hay là phải có một cơ chế sinh hóa đặc thù nào đó nhằm đảm bảo và duy trì tổng trạng thể lực trong quãng bay đường dài khi mà hành vi ngủ không được thực hiện.

Không như các loài chim, thì giấc ngủ của các loài bò sát có rất ít các đặc điểm nhất quán với loài người. Nhìn chung những gì quan sát thấy được đó là lớp bò sát không có giấc ngủ REM. hay là loài ong mật. Người ta đã khám phá ra được một vài cơ chế giấc ngủ ở những loài động vật như thế này, trong khi đó còn lại là những bí ẩn chưa được giải đáp như "người mù sờ voi." Đặc biệt những đặc trưng của một giấc ngủ là như thế nào đã được xác định và nghiên cứu kỹ càng chính xác, bao gồm có sự kém đáp ứng đối với các tín hiệu hướng cảm giác, bất động các râu, suy giảm đi đáp ứng vận động, các phản xạ...

Sự thật là cả hai dạng giấc ngủ đều được quan sát thấy ở động vật có vú và lớp chim, nhưng không tìm thấy các đặc điểm tương tự trên điện não đồ của lớp bò sát (có vẻ như thiên về điện não trung gian); điều này ngụ ý rằng là diễn biến tiến hóa ngủ độc lập ở cả hai loài trên. Để chứng minh giả thuyết này thì có lẽ các nhà khoa học sẽ phải vất vả hơn nhiều nữa, xem coi liệu rằng có phải là EEG và giấc ngủ có ý nghĩa tương quan về chức năng sinh học với nhau, và những biến đổi thu nhận được có thực sự là tiến hóa, hay chỉ đơn thuần là sự phản ánh đặc tính và tập tính của từng loài sao cho phù hợp với sinh giới tự nhiên. Hơn cả nữa là các cuộc nghiên cứu như thế cố nhiên nếu chúng thành công mỹ mãn đến độ phá vỡ được nguyên lý tảng băng trôi, thì điều này sẽ càng mở rộng kiến giải, nắm bắt toàn vẹn, biết rõ và hiểu thấu vai trò của quá trình sinh lý quan trọng này đối với thuộc tính khả biến thần kinh dài hạn đặc biệt đối với các loài sinh vật chiếm giữ cơ cấu hoạt động thần kinh cấp cao cần thiết cho quá trình sinh tồn của chúng.

Theo Tsoukalas (2012), giấc ngủ REM là quá trình biến hóa sinh học để tiến hóa về mặt chức năng, của một cơ chế phòng thủ loài đó chính là phản xạ chết cứng (tonic immobility). Phản xạ này cũng được biết với cái tên là hiện tượng bị thôi miên hay giả chết, được coi là phương án cuối cùng trong các cơ chế bảo vệ chúng khỏi sự tấn công của các loài thú ăn thịt khác. Đặc điểm của trạng thái này là sự bất động toàn phần cơ thể giống như chết của loài sinh vật (lấy ví dụ so sánh trong trường hợp này và cũng điển hình nhất đó là "năng lực diễn sâu của loài thú có túi ôpôt"). Khi nghiên cứu về hiện tượng học và sinh lý học thần kinh về khả năng này, họ đã nhận ra rằng có những sự tương đồng đáng kể với giấc ngủ REM, sự thực tất yếu này đã phản bội lại mối quan hệ tiến hóa theo như dự đoán của các nhà khoa học, cũng như là đánh đổ đi các hệ thống lý luận vững chắc và niềm tin kiên cố xoay quanh nó. Cụ thể rõ ràng hơn là, cả hai trạng thái này đều có biểu hiện hoạt hóa hệ giao cảm, kiểm soát và điều chỉnh xung động nơron vùng thân não, tê liệt hóa các cơ làm cho giảm trương lực, và biến đổi điểm điều nhiệt ở vùng dưới đồi qua các cơ chế feedback thần kinh. Chính lý thuyết mới này đã thống nhất toàn vẹn nhiều phát hiện nghiên cứu trước đó lại thành một thể có cơ cấu tổ chức, phù hợp với tiến trình tiến hóa qua các loài trong sự sống.

Ngủ qua các giai đoạn phát triển và sự lão hóa

Nghiên cứu mối quan hệ giữa giấc ngủ và sự phát triển cá thể, đó là về sự khác biệt nhau về tuổi của các loài sẽ ảnh hưởng như thế nào đến giấc ngủ, điển hình là trong giai đoạn phát triển và lão hóa. Trong số các loài động vật có vú thì loài sơ sinh có thời gian ngủ dài nhất. Đối với trẻ em trung bình có 8 tiếng giấc ngủ REM và 8 tiếng ngủ NREM. Ngoài ra thì các giai đoạn của giấc ngủ cũng có sự dao động lớn trong vài tuần đầu phát triển ở trẻ sơ sinh, và có một số nghiên cứu đã cố gắng vạch ra mối tương quan giữa điều này với lại mức độ tự lập của trẻ sau này. Trong vòng vài tháng kể từ thời điểm sau sinh, đáng chú ý là phần trăm giấc ngủ REM trong chu kỳ ngủ giảm xuống. Khoảng thời gian khi mà đứa trẻ đã trở thành người lớn, và theo quy ước trung bình giấc ngủ là 8 tiếng, thời gian giấc ngủ REM chỉ có trong một tiếng, và còn lại NREM chiếm tới 6–7 tiếng. Điều này không chỉ đúng đối với loài người, mà còn ở nhiều loài động vật trong thời điểm vẫn lệ thuộc vào cha mẹ kiếm thức ăn cho chúng, đó là trong giai đoạn phát triển nhịp ngủ thay đổi hẳn, SWS sẽ tăng và giấc ngủ nghịch thường (PS) giảm. Bằng sự quan sát các kết quả đo lường được, người ta nhận thấy rằng là trong những năm tháng đầu đời, thời lượng giấc ngủ REM rất cao so với các giai đoạn ngủ khác, khi mà khả năng phát triển là mạnh nhất, các nơron thần kinh vô cùng dồi dào và phong phú hơn hẳn với số lượng bậc nhất. Chính vì điều đó nên trẻ có thể học ngôn ngữ mới dễ dàng, phát triển và tăng cường những chức năng hoạt động thần kinh cấp cao, tư duy cụ thể và trừu tượng,... như vậy là đã đủ để tạo ra tiền đề quan trọng để các nhà khoa học họ thiết lập nên giả thuyết rằng giấc ngủ REM có thể tạo động lượng cho sự phân chia sợi nhánh và tăng sinh sợi trục, mở rộng đuôi gai và gắn kết các synap thần kinh, tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển não bộ ngay từ giai đoạn rất sớm. Ohayon và cộng sự đã tuyên bố rằng việc rút ngắn thời gian ngủ lại từ thời kỳ trẻ con đến tận lúc trưởng thành, thì dường như là gắn liền với các yếu tố môi trường hơn là phản ánh đặc tính sinh học tự nhiên một cách đơn điệu.]] Trong cơ cấu giấc ngủ ở độ tuổi trưởng thành, thời gian để đi vào giấc ngủ (sleep latency) và thời gian NREM giai đoạn 1 và 2 tăng lên cùng với tiến trình lão hóa, trong khi đó giấc ngủ REM và SWS dường như giảm. Ví dụ cụ thể hơn, Backhaus và cộng sự của bà đã chỉ ra rằng có sự suy giảm trí nhớ quy nạp (declarative memory), đặc biệt là khả năng củng cố nhớ trong độ tuổi trung niên (như trong thí nghiệm của họ thì các đối tượng nghiên cứu từ 48 đến 55 tuổi). Điều này đã được chứng minh là do thời gian giấc ngủ SWS giảm đi, sự suy giảm này khởi phát ngay từ lúc 30 tuổi. Nhịp sinh học cũng bị thay đổi. Các cuộc nghiên cứu vẫn đang tiếp tục được khai hóa, mục đích nhằm làm sáng tỏ những nguyên nhân nào đứng đằng sau, những thay đổi vi mô trong một cấu trúc phức tạp nhất trong vũ trụ đi từ các cấp độ phân tử, tế bào, cho đến hệ thống, hành vi và nhận thức; góp phần tạo dựng thời kỳ hoàng kim cho khoa học thần kinh (vốn đã đạt được rất nhiều thành tựu trong 50 năm qua), đồng thời tạo ra những công cụ và kỹ thuật mới, các giải pháp hoàn thiện cho việc xây dựng chế độ ngủ thích hợp và có hiệu lực thực sự giúp người già có thể thực hiện hành vi ngủ một cách bình thường, và khôi phục lại các chức năng sinh lý của ngủ lại như trước.

Giấc ngủ của thai nhi và giai đoạn sơ sinh

nhỏ|260x260px|Hình ảnh minh họa cho thấy một đứa trẻ đang ngủ. Giấc ngủ đã sớm có sự phát triển khoảng từ tuần 26 đến tuần 28 thai kỳ. Trong giai đoạn phát triển đó, đặc điểm của một giấc ngủ người lớn chưa thể nhận diện rõ ràng được. Từ tuần 30 trở đi, giấc ngủ thai nhi bắt đầu biệt hóa thành dạng tĩnh lặng và dạng hoạt động. Đối với dạng ngủ tĩnh lặng, người ta quan sát có các đặc trưng là hiện hữu sóng delta và sóng gián đoạn (trace alternant). Trace alternant mang hình thái của các sóng chậm trộn lẫn với sóng nhanh, sau đó sẽ được thay thế bằng giai đoạn SWS. Như vậy, giấc ngủ tĩnh này được xem là dạng chưa hoàn chỉnh của giai đoạn nREM ở người lớn. Bên cạnh đó, dạng ngủ hoạt động thể hiện sự thay đổi về tần số thở và nhịp tim, cùng với các cử động mắt nhanh và chậm; vì thế dạng này chính là giấc ngủ REM ở người trưởng thành nhưng chưa "chín mùi." Chuyển động mắt nhanh của trẻ trong bụng mẹ có thể quan sát được vào tuần thứ 30 của thai kỳ, và tăng biểu hiện liên tiếp đến tuần 40, sau đó giảm dần về tần suất. Khi đã đến tuần thứ 47, các giai đoạn của một giấc ngủ có thể được biệt hóa phù hợp với tiêu chuẩn của một giấc ngủ bình thường. Trong đó, các sóng gián đoạn chuyển đổi dần thành các sóng chậm.

Ở trẻ mới sinh ra, thời gian ngủ chiếm khoảng 16–18 giờ trong một ngày. Giấc ngủ có đặc tính khá là "phân mảnh," khi giai đoạn tĩnh lặng và hoạt động cạnh tranh nhau, và cứ luân phiên xuất hiện một cách nhanh chóng, dần về sau thường xuyên diễn ra sự chuyển dời từ trạng thái ngủ sang thức hơn. Phần não trước càng phát triển, tương đương khả năng kiểm soát chu kỳ ngủ - thức ngày càng hoàn thiện; ngay tại thời điểm 2 tháng tuổi, trẻ sơ sinh chỉ có thể ngủ trong vòng 4 tiếng. Khi trẻ gần tròn 1 tuổi, giấc ngủ tăng lên 7 tiếng. Quá trình ngủ cũng bắt đầu có khuynh hướng được kích hoạt vào ban đêm hơn là ban ngày. Và trong những ngày cuối cùng của năm đầu đời, toàn bộ thời gian dành cho việc ngủ ở trẻ có thể đạt tới 14 tiếng.

Các sóng EEG đặc trưng của giấc ngủ cũng bắt đầu xuất hiện khi trẻ 1 tuổi. Các thoi ngủ là các sóng đầu tiên quan sát được trong vòng 8 tuần sau sinh. 6 tháng đầu của cuộc đời, mật độ sóng thoi (số lần sóng thoi trên mỗi phút giai đoạn nREM) tăng nhanh chóng, với biên độ tăng và thời gian của sóng giảm (Tanguay và cộng sự, 1975). Những thay đổi cơ cấu sóng này được cho là phản ánh sự phát triển của hệ thống sinh lý thần kinh, bao gồm có mạng lưới các sợi đồi-vỏ, trong đó có sự tăng sinh sợi nhánh và myelin hóa nơron.

Tiến trình phát triển mạnh mẽ của não bộ gắn liền với những biến đổi đặc biệt trên giấc ngủ REM. Khi trẻ mới được sinh ra, những đứa bé này có thể từ trạng thái thức tỉnh đi vào trạng thái REM một cách trực tiếp; tuy nhiên là sau vài tháng đầu đời, giấc ngủ sóng chậm chiếm ưu thế trong giai đoạn đầu, trong khi đó giấc ngủ động (REM) chủ yếu ở giai đoạn sau của giấc ngủ. Sự phân bổ này phù hợp với loại giấc ngủ của người lớn. Tỷ lệ giai đoạn REM cũng không cố định, đối với trẻ sơ sinh thì tỷ lệ này chiếm 50% (Anders và Keener 1985) và giảm dần trong suốt quãng đời còn lại.

Tỷ lệ cực lớn của giấc ngủ REM trong giai đoạn phát triển sớm đã nói lên vai trò quan trọng của nó trong quá trình trưởng thành hóa não bộ. Roffwarg và cộng sự đã đề xướng rằng giấc ngủ REM là không thể thiếu cho sự sinh trưởng hệ thần kinh trung ương (CNS). Họ phát biểu rằng bởi vì hệ thần kinh bị giới hạn trong việc tiếp nhận các kích thích ngoại sinh khi đứa trẻ còn nằm trong bụng mẹ, cũng như là dành ít thời gian cho việc thức. Giấc ngủ REM là thực sự thiết yếu nhằm bù đắp các kích thích nội sinh để thúc đẩy sự phát triển. Nhiều nghiên cứu đã "chống đỡ" cho giả thuyết này (Mirmiran và cộng sự 2003). Chẳng hạn như là, khi dùng thuốc hay các công cụ để ức chế giấc ngủ REM trong vài tuần đầu sau sinh, kết quả thu được đó là có sự giảm sút một cách đáng kể khối lượng mô thần kinh tại vỏ não và hành não của con chuột con. Tuy nhiên rằng, với sự bổ túc của các nghiên cứu sau này, giả thuyết về sự phát triển cá thể đã được điều chỉnh lại cho phù hợp, để chứng minh giấc ngủ REM mang nhiều cơ chế quan trọng chứ không chỉ đơn giản là "bắt chước" trạng thái thức. Ức chế REM ở loài mèo con bị khuyết tật mắt một bên (monocular deprivation) sẽ gây ra tác động hủy hoại mang tính hệ thống, dù rằng là giấc ngủ này có sự tương đồng giống với lúc thức tỉnh. Hơn nữa, nhiều công trình nghiên cứu gần đây đã chứng minh rằng sự xuất hiện sớm của giai đoạn REM mục đích hạ thấp xác suất khởi động chu trình tự hủy tế bào (apoptosis) trong giai đoạn phát triển của não. Vì vậy, khi mà tiến trình "đâm chồi nảy lộc" của hệ thống thần kinh trung ương được dự đoán là sẽ bị ngừng trệ theo tuổi tác, điều này đã đặt ra sự cần thiết cho giấc ngủ này.

Song song với sự suy giảm hoạt động REM chính là tăng cường SWA (slow wave activity, tức giấc ngủ sóng chậm). Thông qua đó, phản ánh sự tăng hoạt hóa các quá trình tổng hợp synap gắn liền với giai đoạn phát triển. Chưa dừng lại ở đó, SWA được biết là gắn liền với khả năng học và củng cố ký ức trong suốt cả cuộc đời, đưa ra mối quan hệ với quá trình biến hóa synap và nặn hình cơ cấu thần kinh (synaptic plasticity). Điều quan trọng cần phải lưu ý rằng là hoạt động sóng theta (6.5–9 Hz), chứ không phải các dạng sóng chậm khác, thể hiện áp lực giấc ngủ (sleep pressure) đối với trẻ nhỏ. Trong một nghiên cứu dọc (longitudinal study) về điện não đồ của trẻ về đêm, Jenni và cộng sự đã chứng minh hoạt động theta giảm đi khi giai đoạn sóng chậm nREM diễn ra không có sự gián đoạn. Tại thời điểm 9 tháng tuổi, sự suy giảm này như phân rã theo cấp số mũ, khiến cho giấc ngủ càng có tính chất liên tục và theo chu kỳ. Vì thế tăng hoạt động sóng này có thể phản ánh sự phân tán đi khuynh hướng ổn định của một giấc ngủ bình thường.

Một cách tổng quát, những thay đổi quan trọng về cơ cấu giấc ngủ trong thời kỳ thơ ấu tương ứng với quá trình phát triển mãnh liệt của hệ CNS. Chính những biến chuyển linh động của SWA, các thoi ngủ, và giấc ngủ REM đã gắn liền với các thuộc tính sinh học như khả biến thần kinh, tăng cường dẫn truyền qua synap hiệu quả, và sản sinh ra nhiều synap hóa học. Với những điều kiện vô cùng ăn khớp và thích hợp như vậy, có thể nói rằng giấc ngủ mang vai trò cốt yếu trong việc củng cố ký ức (sleep-dependent memory consolidation, SDC) cho trẻ nhỏ.

Sự vận hành của não bộ trong quá trình ngủ

nhỏ|266x266px|Điện não đồ của giấc ngủ sóng chậm nhỏ|268x268px|Điện não đồ của giấc ngủ REM nhỏ|276x276px|Biểu đồ ngủ (hypnogram) mô tả cơ cấu giấc ngủ từ khoảng thời gian nửa đêm đến 6:30 sáng, cho thấy giấc ngủ sóng chậm chủ yếu ở trong giai đoạn đầu của giấc ngủ, sau đó càng về sau cho đến khi thức giấc thì giai đoạn REM nhiều hơn. (Hiện tại NREM 3 và 4 đã gộp chung lại thành giai đoạn NREM 3.) Nắm bắt và hiểu rõ cấu trúc lẫn chức năng như hai mặt của một đồng xu, bởi vì đây là hai phạm trù không thể tách rời nhau thông qua mối liên kết vật lý. Cũng vậy nhận biết sự vận động của nhiều vùng não khác biệt trong hiện tượng ngủ có thể cho ta các lý thuyết khoa học thần kinh cơ bản về chức năng ngủ, điển hình là các sóng não và đặc trưng của điện năng dao động trong từng trạng thái một, tạo điều kiện thuận lợi cho sự mô hình hóa các hoạt động lượng tử vốn vô cùng tinh vi và khó hiểu cho một hiện tượng được xem là tách rời với ý thức (consciousness). Người ta đã quan sát được rằng là các điện thế hoạt động vẫn còn hiện diện bình thường trong tất cả các giai đoạn xuyên suốt chu kỳ ngủ, mặc dù chúng diễn ra ở những khu vực khác nhau trong não bộ. Như vậy là, trái với niềm tin phổ biến của nhiều người thời đó, bộ não không bao giờ bị bất hoạt hoàn toàn trong lúc ngủ, các mạng lưới nơron vẫn mang khả năng hưng phấn âm ỉ và tiềm tàng, và các tín hiệu chưa thể bị dập tắt (điều này chỉ xảy ra khi chết não toàn phần hay chết sinh học). Cũng vậy, cường độ của giấc ngủ đặc trưng bởi các bước sóng chậm với tần số thấp, và để đảm bảo sự cân bằng cho hệ thống thần kinh trung ương, thì những vùng não nào hoạt động mạnh mẽ trong khoảng thời gian dài, tương ứng vùng đó cần kích hoạt các bước sóng chậm nhiều hơn, nghĩa là các nơron tùy thuộc vào mức độ kích thích chúng sẽ vào trạng thái nghỉ thích hợp, bởi là do các tế bào thần kinh khi chúng bị kích thích quá mức sẽ bị bão hòa, hay tệ hơn nữa là đi vào chu trình chết, hơn nữa con người trong một ngày không biết đã tiếp nhận bao nhiêu loại tín hiệu kích thích đầu vào, nhưng một điều chắc chắn là vô cùng nhiều chẳng hạn như ánh sáng, âm thanh, nhiệt độ, các cảm giác thuần túy như vị giác, thân thể, mùi vị,... Một điều đáng lưu ý nữa là các nơron không thể tái sinh như những tế bào bình thường khác, do vậy việc giữ trạng thái cân bằng của một hệ thống đảm đương các chức năng thực vật (nhịp thở, nhịp tim,...) và hoạt động cấp cao như tư duy, sự điều kiện hóa, ra quyết định, định hướng kế hoạch và thiết lập nó, trí thông minh, ý chí tự do,... là vô cùng quan trọng, và cố nhiên một tuyên bố khoa học rằng con người nói riêng dành 1/3 cuộc đời cho việc ngủ là không phải bàn cãi (tuy nhiên vẫn còn "hạt sạn" tùy từng đặc tính nơron của các cá thể riêng biệt). Việc sử dụng các phương thức hình ảnh như là PET và fMRI, kết hợp với kết quả điện não đồ, sẽ cung cấp những bằng chứng một cách chính xác, có ý nghĩa và đáng tin cậy cho sự khám phá những vùng nào thuộc não bộ tham gia tạo ra những tín hiệu sóng đặc trưng và xác định chức năng của nó là gì.

Lịch sử phát triển mô hình các giai đoạn giấc ngủ

Vào năm 1937, Alfred Lee Loomis và đồng nghiệp của ông lần đầu tiên đã mô tả các giai đoạn của một giấc ngủ, bằng cách phân lập những EEG sở hữu đặc điểm khác nhau thành 5 mức độ (A đến E), từ đó có thể đưa ra được các dạng sóng cơ bản và thể hiện sự phân bố lần lượt theo tần số và biên độ, đi từ trạng thái thức sang trạng thái ngủ sâu. Vào năm 1953, người ta phát hiện ra loại EEG mới, chính là điện não động của giấc ngủ REM, và chính vì thế mà William C. Dement và Nathaniel Kleitman đã tái phân loại lại thành 4 giai đoạn NREM và 1 giai đoạn REM. Trong đó, có đề cập đến những biến đổi sinh học chẳng hạn như là tình trạng hô hấp, nhịp tim, trương lực cơ, cử động mắt và sự chuyển động thân thể.

Diễn biến giấc ngủ NREM

nhỏ|264x264px|PSG quan sát được trong 30 giây của giấc ngủ REM. Khung đỏ đánh dấu thể hiện các chuyển động mắt trên các đối tượng. Giấc ngủ NREM đặc trưng bởi sự suy giảm lưu lượng dòng máu đến toàn bộ não. Nó cấu thành xấp xỉ khoảng 80% tổng thời gian ngủ ở người trưởng thành. Thoạt đầu, người ta cho rằng cấu trúc thân não – cơ quan tập hợp nhiều nhân xám với chức năng duy trì dòng chảy của ý thức – sẽ bị bất hoạt hoàn toàn trong lúc quá trình ngủ diễn ra, nhưng sau đó đã có các nghiên cứu dùng kỹ thuật ghi hình bằng bức xạ positron (PET) với độ phân giải còn thấp, giúp ghi lại các hoạt động chuyển hóa ở mức độ tế bào, phân tử. Kết quả cho thấy rằng là vẫn còn ngấm ngầm hoạt động sóng chậm diễn ra tại thân não. Tuy nhiên là, những phần khác của não bộ, bao gồm có hồi trước chêm (precuneus), nền não trước (basal forebrain), các nhân nền (basal ganglia) đều bị bất hoạt trong trạng thái ngủ. Nhiều địa hạt vỏ não cũng đồng thời bị bất hoạt, nhưng với mức độ khác nhau. Ví dụ như là, vùng vỏ não trước trán dưới trong (vmPFC) hay còn gọi là vùng vỏ thùy giữa trán, được xem là bị bất hoạt mạnh nhất, trong khi đó đối với vùng vỏ não sơ cấp thì ngược lại.

Giấc ngủ NREM đặc trưng bởi tính chất dao động chậm, những đợt sóng nhanh tự phát (spindle) và sóng delta. Dựa trên các quan sát thực nghiệm, sự xuất hiện của những bước sóng chậm được cho là bắt nguồn từ vỏ não, và khi có những tổn thương xảy ra từ những vùng khác như các cấu trúc dưới vỏ thì không ảnh hưởng đáng kể lắm đến hoạt động điện não này. Sóng delta được tạo nên bởi những vùng nơron giữa cấu trúc đồi thị và lớp vỏ, trong đó có thể hiện sự liên kết của các mạch nơron tương ứng. Trong quá trình ngủ, đồi thị ngừng chuyển giao thông tin cảm giác cho não bộ, tuy nhiên là nó vẫn có thể tự sản sinh ra các xung động thần kinh thông qua các sợi chiếu truyền thẳng lên vỏ não. Những dạng sóng này được tạo ra trong đồi thị ngay cả khi vỏ não không hiện diện, nhưng dưới các luồng xung gai ly tâm từ vỏ não, các dao động như thế này có thể diễn ra một cách đồng thời bởi sự đốt cháy của các cụm nơron lớn, điều này có nghĩa rằng là chính sự hiện diện của vỏ não đã làm cho các sóng do cấu trúc đồi thị phát ra trở nên mạnh hơn và có tính đồng bộ cao hơn. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, chỉ bằng việc phá hủy vỏ não một bên, không chỉ hủy hoại các chức năng của đồi thị trong việc tạo ra dao động thoi (spinde), mà còn "san bằng" sự mạch lạc của các dao động với quy mô lớn. Trong đó nhân lưới của cấu trúc đồi thị được coi là bộ máy tạo nhịp (pacemaker), và chịu trách nhiệm cho việc tạo ra các thoi ngủ trong giai đoạn ngủ NREM. Thật vậy điều này đã được chứng minh bằng cách kích thích xung điện vào đồi thị, sẽ dẫn đến sự phát sinh thứ phát và tăng cường quá trình khử cực của các nơron vùng vỏ, và hơn nữa là làm tăng biên độ các xung thần kinh, kết quả là các điện thế hoạt động này tự duy trì chính nó thông qua cơ chế điều hòa ngược dương tính giữa vỏ não và đồi thị. Những nhà khoa học cho rằng đợt sóng thoi giai đoạn NREM là thiết yếu trong việc ngắt các luồng tín hiệu cảm giác hướng tâm lên vỏ não, và đồng thời là cho phép dòng chảy của các ion calci đi vào bên trong tế bào thần kinh, chính vì lẽ đó nên khả năng đóng vai trò quan trọng trong xây dựng Tính tạo hình thần kinh (neuroplasticity).

NREM 1

Giai đoạn NREM 1 (N1 – giấc ngủ nông, trạng thái lơ mơ, ngủ gà ngủ gật – chiếm 5–10% tổng lượng giấc ngủ của người trưởng thành): Đây là giai đoạn chuyển tiếp giữa thức và ngủ, và thỉnh thoảng xảy ra khoảng giữa giai đoạn ngủ sâu và REM. Các cơ bắp vẫn còn trong tình trạng hoạt động, và đồng tử cử động chậm rãi, mắt mở và đóng một cách vừa phải. Điện não bắt đầu dịch chuyển từ tín hiệu sóng alpha có tần số 8–13 Hz (phổ biến trong trạng thái thức) sang tín hiệu sóng theta với tần số là 4–7 Hz. Hiện tượng rung giật cơ đột ngột lúc ngủ (hypnic jerks), hay còn gọi là dấu co giật dương tính (positive myoclonus), trong giai đoạn khởi điểm giấc ngủ này có thể xuất hiện. Một số người cũng có thể trải nghiệm ảo giác thôi miên giấc ngủ (hypnagogic hallucinations) trong giai đoạn này. Trong NREM1, con người có sự mất đi trương lực cơ ở một số cơ nhất định, và hầu như vẫn còn năng lực ý thức đối với môi trường xung quanh.^:13–23

NREM 2

Giai đoạn NREM 2 (N2 – chiếm 45–55% tổng lượng giấc ngủ): Trong giai đoạn này, sóng theta đã bắt đầu hình thành, và người ngủ dần dần khó bị đánh thức hơn; tính đơn điệu của các sóng alpha của giai đoạn trước đó bị phá vỡ, bởi sự xuất hiện các tín hiệu khác, đó là các thoi ngủ (sleep spindles) hay còn gọi là thoi đồi vỏ não (thalamocortical spindles) và phức hợp K. Thoi ngủ có tần số dao động từ 11 đến 16 Hz (phổ biến nhất là 12–14 Hz). Trong NREM 2, hoạt động mô cơ giảm xuống rõ rệt trên kết quả điện cơ đồ (EMG), và khả năng ý thức của cá thể mất hẳn.

NREM 3

nhỏ|Một epoch 30 giây ghi lại được giấc ngủ sâu giai đoạn N3. Giai đoạn NREM 3 (N3 – chiếm 15–25% tổng lượng giấc ngủ): Trước đây được chia thành giai đoạn 3 và 4, đây là giai đoạn giấc ngủ sóng chậm (SWS) hay còn gọi là giấc ngủ sâu. SWS đặc trưng bởi những bước sóng delta biên độ rất cao với tần số thấp hơn 3.5 Hz, vùng trước thị (preoptic area) trong vùng dưới đồi (hypothalamus) đóng vai trò quan trọng, nếu không muốn nói là tuyệt đối cần thiết, trong việc kích hoạt giấc ngủ này; và là nơi đầu tiên phát xung lan tỏa cho các cấu trúc lân cận và hoạt hóa hệ ngủ. Người ngủ trở nên kém đáp ứng hơn rất nhiều đối với môi trường, các kích thích không còn có thể làm hưng phấn các nơron nữa (trừ khi quá mạnh). Giấc ngủ sóng chậm là giai đoạn mà khi đó con người rơi vào trạng thái nghỉ ngơi tuyệt đối, là giai đoạn loại bỏ cảm giác buồn ngủ chủ quan nhiều nhất trong các dạng giấc ngủ, giúp khôi phục năng lượng cho việc thực hiện các chức năng thần kinh cấp cao, tạo động cơ thúc đẩy các hành vi mang tính bản năng cho sự sinh tồn của cá thể.

Giai đoạn này đặc trưng bởi có sóng delta (chiếm tối thiểu 20%), tần số từ khoảng 0.5–2 Hz và có biên độ đỉnh tới đỉnh >75 μV. (Tiêu chuẩn EEG đã ra định nghĩa rằng sóng delta phải có tần số từ 0 đến 4 Hz, nhưng đối với tiêu chuẩn giấc ngủ cả hai đều được chấp thuận trong mô hình gốc của R&K (Allan Rechtschaffen và Anthony Kales đã nêu ra trong cuốn "cẩm nang khả kiến tín hiệu giấc ngủ của R&K."), và cập nhật năm 2007 trong cuốn sách hướng dẫn của AASM đã xuất bản thì chính thức sử dụng tần số 0.5–2 Hz). Đây cũng là giai đoạn khả năng sẽ xuất hiện các rối loạn giấc ngủ chẳng hạn như là ác mộng về đêm, đái dầm, mộng du, nói mớ. Nhiều mô hình vẫn còn cho ra giai đoạn N3 với sóng delta tỷ lệ 20–50%, và giai đoạn N4 sóng delta >50%; trong khi vốn dĩ đã được tiêu chuẩn hóa và kết hợp lại chỉ mô tả giai đoạn N3.): Giấc ngủ REM là trạng thái mà hầu hết các cơ bắp đều bị tê liệt, và nhịp tim, nhịp thở và nhiệt độ trở nên không ổn định, thất thường và không đều. Hệ thống các tế bào thần kinh sẽ kích hoạt giấc ngủ REM, thông qua sự phóng thích ra các phân tử dẫn truyền acetylcholine, và ngược lại sẽ bị ức chế khi giải phóng các monoamine bao gồm có serotonin. REM được xem là giấc ngủ nghịch thường bởi do là EEG của người ngủ biểu hiện ra những sóng não mang tần số cao tương đương với trạng thái thức, và là giai đoạn khó bị đánh thức hơn các giai đoạn giấc ngủ khác. Giấc ngủ REM đặc trưng bởi sự tăng cường lưu thông khối lượng máu lưu hành qua toàn bộ não, điều mà cứ ngỡ rằng chỉ có ở trạng thái thức. Sự thật là như vậy, khi nhiều vùng vỏ não được các chuyên gia lĩnh vực thần kinh học tiến hành kỹ thuật ghi lại lưu huyết não, và phát hiện được rằng là thể tích dòng máu chảy qua não trong giấc ngủ REM nhiều hơn khi thức giấc – các khu vực máu lưu chuyển gồm có là hồi hải mã, liên vùng thái dương-chẩm, một số vùng vỏ não, và phần nền não trước. Hệ viền và cận viền trong đó có cấu trúc phức hợp hạnh nhân là khu vực thần kinh cũng hoạt động trong tiến trình giấc ngủ REM. Dù rằng là điện thế hoạt động của não trong giấc ngủ REM rất giống với trạng thái thức tỉnh, tuy nhiên điểm cốt lõi để tạo ra sự khác biệt đó chính là tính hưng phấn của mô thần kinh, tức là khả năng đáp ứng lại với kích thích của môi trường trong REM kém nhạy hơn so với khi thức, và đồng nghĩa với việc tính ức chế lấn át hơn. Tất cả những điều này, cùng kết hợp với hiện tượng dập tắt tạm thời của các nơron thuộc sợi monoaminergic trong não bộ, là những bằng chứng xác đáng và vững chắc nhất cho thấy rằng giai đoạn ngủ REM đang diễn ra.

Một đứa trẻ sơ sinh dành khoảng từ 8 đến 9 tiếng một ngày cho giấc ngủ REM. Khi trẻ đã 5 tuổi trở lên, lượng thời gian thu hẹp lại chỉ cỡ khoảng 2 tiếng. Giới khoa học hiện tại vẫn chưa thể biết chắc chắn rằng ý nghĩa sinh học thật sự của giấc ngủ REM là như thế nào, nhưng không còn nghi ngờ gì nữa về việc thiếu hụt nó sẽ làm tổn hại đến khả năng học các công việc, nhiệm vụ phức tạp. Tình trạng tê liệt các cơ và mất trương lực trong giấc ngủ REM đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ các loài sinh vật khỏi nguy cơ tự làm hại bản thân, qua các hành vi liên quan tới các giấc mơ sống động thường hay xảy ra trong giai đoạn này.

Trong bản ghi EEG, như đã đề cập ở trên thì trong giấc ngủ REM não bộ có khuynh hướng hoạt động, khi hiện diện các sóng não với tần số cao, cùng biên độ thấp và những đợt tự phát của các sóng beta và gamma (cũng đặc trưng cho lúc thức). Các mạch nơron vỏ-đồi chính là ứng cử viên hàng đầu cho việc tạo ra các sóng vận động nhanh này, chúng phát xung thần kinh vừa nhanh và vừa có tính tạo nhịp. Không như là giấc ngủ sóng chậm, nhịp dao động REM được đồng bộ hóa trong những vùng giới hạn, đặc biệt ở những mạch nơron cục bộ giữa cấu trúc giải phẫu đồi-vỏ và vỏ não mới. Tại cấu trúc thân não cho các con đường cholinergic lên các cấu trúc dưới vỏ và cả vỏ não, được cho là đóng vai trò quan trọng tạo ra các sóng tín hiệu tần số cao này.

Bên cạnh đó, hạch hạnh nhân – được coi là trung tâm xử lý các tín hiệu xúc cảm của não – cũng đóng vai trò trong việc điều hòa hoạt động thần kinh trong giấc ngủ REM, đồng thời củng cố thêm cho giả thuyết rằng giấc ngủ REM thúc đẩy cho việc lưu chuyển các luồng thông tin bên trong, biến đổi xử lý sao cho phù hợp với những gì được xem là cần thiết. Sự vận hành tín hiệu điện thế một cách mạnh mẽ trong cấu trúc này có thể là nguyên nhân gây ra các đáp ứng tình cảm trong giấc mơ. Tương tự như thế, hiện tượng những loại giấc mơ kỳ quái và lạ thường có thể do sự suy giảm hoạt động của vùng vỏ não trước trán –  liên quan đến chức năng tích hợp thông tin, lưu giữ dấu vết tín hiệu và hình thành trí nhớ tình tiết (episodic memory).

Sóng cầu-gối-chẩm

Giấc ngủ REM cũng liên quan tới sự bùng nổ của các sóng cầu-gối-chẩm (đồng thời gọi là sóng PGO hay sóng hoạt động theo pha) gây ra bởi do sự đốt cháy của các nơron tương ứng. Sóng PGO đã được tiến hành ghi lại trong nhân gối ngoài và vùng vỏ não chẩm trong giai đoạn tiền REM và được cho là phản ánh nội dung giấc mơ. Sự gia tăng tỷ số tín hiệu trên nhiễu trong vùng vỏ não gối ngoài gợi ý rằng các giấc mơ sinh động có thể xảy ra trước khi giấc ngủ REM đi đến giai đoạn hoàn thiện, tuy nhiên là điều này vẫn chưa thể xác nhận hay chứng minh được. Sóng PGO cũng thể hiện vai trò đối với giai đoạn phát triển và sự chín mùi về mặt cấu trúc trong não, cũng như là quá trình điện thế hóa dài hạn (LTP) của các loài động vật chưa trưởng thành, lập luận này có được dựa trên thực tế rằng sự hoạt động mạnh của các sóng PGO diễn ra trong trạng thái ngủ với điều kiện quan trọng là não bộ đang còn có thể phát triển nữa.

Tái hoạt hóa mạng lưới thần kinh

Hệ thống thần kinh cũng trải qua các cơn "rung chấn" nhất định trong giấc ngủ; đó chính là quá trình tái hoạt hóa điện thế động. Một số nghiên cứu về điện sinh lý trong cơ thể người đã làm sáng tỏ rằng là các xung thần kinh một khi đã được phóng bởi những tế bào thần kinh liên quan đến việc học, thì chúng sẽ tái hoạt hóa (phóng điện) lại trong bộ óc đang trong trạng thái ngủ. Điều này kết hợp cùng với bằng chứng rõ ràng rằng là sự kiện hoạt hóa mạch nơron đặc biệt diễn ra ở những vùng nhớ, dẫn đến việc hình thành giả thuyết rằng quá trình ngủ chính là cơ chế giúp củng cố và tăng cường cho một vài loại trí nhớ. Trong mối tương quan này, các công trình nghiên cứu cũng chứng minh là sau khi thực hiện hàng loạt nhiệm vụ vận động một cách liên tiếp, thì vùng tiền vận động và vỏ não thị giác là những vùng hoạt động mạnh mẽ nhất trong giấc ngủ REM, nhưng không phải là NREM. Tương tự như vậy, quá trình tái diễn lại các xung động xảy ra ở hồi hải mã trong giấc ngủ SWS nhưng không đối với REM, khi đối tượng đã thực hiện những nhiệm vụ học không gian. Những cuộc nghiên cứu như thế nói lên rằng vai trò của một giấc ngủ có thể bao gồm cả việc cố kết cho các loại trí nhớ cụ thể. Tuy nhưng, câu hỏi được đặt ra là liệu rằng các loại trí nhớ khác cũng trải qua sự củng cố này; nhằm chôn sâu thông tin vào "mảnh đất thần kinh" với những cơ chế như trên chăng, điều này vẫn chưa được biết và giải rõ.

Trao đổi tín hiệu giữa vỏ não mới và cấu trúc hải mã

Trong giấc ngủ sóng chậm SWS, có sự tương tác qua lại rất mạnh thông qua các cấu trúc, mà điển hình là vùng hải mã và vỏ não mới. Đáng lưu ý ở hồi hải mã trong giấc ngủ SWS, EEG biểu hiện ra các sóng nhọn chiếm ưu thế và quần thể nơron tham gia vào việc tổ chức, phân hóa hoạt động tạo ra các xung động thần kinh trong giai đoạn này. Các biến đổi này đồng bộ hóa với những thay đổi trạng thái mà vỏ não có được (lên hoặc xuống) và phối hợp với dao động chậm (slow oscillation) ở lớp vỏ. Điều này ngụ ý rằng là có sự chuyển giao thông tin trong sự hình thành trí nhớ. Những quan sát như thế này, đi kèm với vai trò của hải mã trong sự xây dựng trí nhớ ngắn hạn và trung hạn, và vỏ đại não thì nắm giữ chức năng then chốt trong việc tạo hình ra các vật chất và nguyên liệu cho tế bào thần kinh giúp lưu trữ thông tin dài hạn, chẳng hạn như tăng mức độ biểu hiện các gen nhạy cảm với sự biến đổi, quá trình phiên mã và dịch mã, cuối cùng là tổng hợp thành các phân tử ký ức, điều này được cho là do sự tái tổ chức lại các RNA một cách liên tục, chính năng lực chỉnh sửa cơ sở di truyền ở cấp độ phân tử RNA với tốc độ cực nhanh, cho phép con người thích nghi nhanh chóng trước những thách thức từ môi trường. Tất cả đã làm cho những nhà khoa học thần kinh đưa ra giả thuyết rằng là "cuộc đối thoại" này có thể chính là cơ chế mà thông qua đó vùng hải mã truyền thông tin đến vỏ não. Vì thế nên là, tiến trình trao đổi điện thế động diễn ra dưới dạng là các kênh ion ở mức độ tế bào được cho là có mối quan hệ mật thiết với sự củng cố trí nhớ.

Điều hòa giấc ngủ

Sự chuyển đổi nhanh chóng giữa trạng thái thức và ngủ chịu sự chi phối và kiểm soát bởi các cơ chế sinh học của sinh vật tự thân. Điều quan trọng cần phải giải đáp đó chính là những khu vực nào của não giúp khởi động chu trình ngủ, và cách thức diễn ra như thế nào. Về giấc ngủ và trạng thái thức ở con người nói riêng và các loài động vật nói chung, thì dường như là tuân theo mô hình mạch lật (flip-flop model), tức có nghĩa là cả hai trạng thái này đều ổn định, và có các mạng lưới nơron thức và ngủ trấn áp lẫn nhau để tạo nên cái gọi là "đồng hồ sinh học." Cố nhiên rằng là không như mạch lật, sự kiện cá thể đó đi vào trạng thái ngủ không diễn ra ngay lập tức, có lẽ phải cho chiếc đồng hồ kêu tiếng tích tắc và cứ như thế những phút cuối cùng của sự thức tỉnh sẽ đi đến hồi kết thúc, khoảng thời gian này đặc trưng tùy thuộc mỗi cá thể để có thể ngủ, trường hợp như thế thậm chí xảy ra khi trạng thái tỉnh táo không ổn định do các rối loạn thần kinh ảnh hưởng. Ngược lại cũng giống như vậy, cá thể đó để chuyển đổi từ ngủ sang thức cũng phải tốn một khoảng thời gian nhất định (quán tính của giấc ngủ).

Khởi động giấc ngủ

Các cơ chế của một giấc ngủ đã dần được đưa ra ánh sáng, và đồng thời mở rộng ra thành các khái niệm; cắt nghĩa rõ ràng bằng việc khám phá ra rằng là khi có những thương tổn ở vùng trước thị và vùng dưới đồi trước sẽ đưa đến tình trạng mất ngủ, trong khi tại vùng dưới đồi sau thì cho kết quả ngược lại. Hơn nữa các y văn chứng minh cho thấy trung khu đáy não giữa (central midbrain tegmentum) là vùng đóng vai trò hoạt hóa cấu trúc vỏ. Vì thế kích hoạt vùng dưới đồi trước, ức chế vùng sau và trung khu đáy não giữa sẽ khởi tạo quá trình ngủ. Ngoài ra dựa trên các bằng chứng thực nghiệm khoa học, cụ thể tại khu vực dưới đồi có nhân trước thị đáy ngoài (VLPO) tạo ra các phân tử dẫn truyền GABA hướng ức chế, nhằm làm tê liệt hệ thống tỉnh thức trong giai đoạn khởi động giấc ngủ. thực hiện việc kiểm soát đồng hồ sinh học bên trong cơ thể thông qua phát ra các phân tử tín hiệu chuyên biệt. Dù rằng là bản chất chính xác của việc ngủ, hay nói cụ thể hơn là động cơ nào thúc đẩy quá trình này diễn ra vẫn chưa được biết, người ta cho rằng trạng thái thức càng duy trì lâu, tương đương áp lực giấc ngủ nội môi dần dần tăng lên, và tăng liên tục cho đến khi con người rơi vào giấc