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.[135] 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.[136] 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."[137][138] 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.[139][140] 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.[137]

Các mô hình điều hòa giấc ngủ

Cấu trúc nhân trên chéo (SCN, màu đỏ) - nhìn từ mặt bên

Giấc ngủ được điều hòa bởi hai cơ chế song song nhau không thể tách rời, trong đó vùng dưới đồi có nhiệm vụ điều hòa hằng định của nội môi, giúp duy trì sự tồn tại của sinh vật diễn ra bình thường, và nhân trên chéo (suprachiasmatic nucleus, SCN) là cấu trúc thần kinh với kích thước như đầu ngón tay và chứa khoảng 20.000 tế bào thần kinh,[141] thực hiện việc kiểm soát đồng hồ sinh học bên trong cơ thể thông qua phát ra các phân tử tín hiệu chuyên biệt.[142][143][144][145] 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 ngủ hoàn toàn. Phân tử adenosine là minh chứng cho điều này, áp lực tăng lên một phần là do sự tích lũy của các hoạt chất adenosine này. Tuy nhiên, các nhà khoa học cho rằng không thể đơn giản hóa bằng việc ngoại suy nó và cũng không giải thích hiện tượng một cách hoàn toàn được. Nhịp sinh học trong cơ thể về tổng quan là một chu kỳ với thời gian 24 giờ, nhịp này vẫn tiếp tục hoạt động ngay cả khi vắng mặt các tín hiệu đến từ môi trường ngoài. Chính cấu trúc SCN đã chi phối nhịp sinh học này bằng việc cho các sợi chiếu đến thân não.[146]

Vào năm 1982, Borbely đã đưa ra mô hình hai quá trình,[147] bao gồm Quá trình S (cân bằng nội môi) và Quá trình C (nhịp sinh học). Qua mô hình được đưa ra như vậy, ông đã giải thích rõ ràng rằng là làm thế nào mật độ sóng chậm lại tăng suốt cả thời khoảng ban đêm, và giảm khi khởi đầu một ngày mới, trong khi đó đồ thị nhịp sinh học được diễn tả là giống như biểu đồ hình sin. Ông cũng cho rằng áp lực của giấc ngủ đạt lớn nhất khi sự khác biệt về biên độ nhịp ngủ và thức nhiều nhất.

Vào năm 1993, có một mô hình khác ra đời với tên gọi là mô hình quá trình trái ngược.[148] Mô hình này đã giải thích rằng hai quá trình trên cạnh tranh lẫn nhau để gây ra trạng thái ngủ, hẳn nhiên điều này chống lại mô hình của Borbely. Theo như mô hình này thì, cấu trúc SCN sẽ thúc đẩy sự hưng phấn mạnh mẽ, đối kháng cạnh tranh với sự cân bằng nội môi. Trong vùng dưới đồi, điển hình có các con đường tín hiệu vô cùng phức tạp với vô vàn khớp thần kinh, giúp điều chỉnh nhịp cân bằng nội môi, các mạch nơron trong đó được ví như là công tắc và khi đến thời điểm cần thiết sẽ "tắt" hệ thức tỉnh. Cả hai tác động này đã cùng tạo ra quá trình ngủ lẫn thức, như là hệ quả của sự bập bênh qua lại giữa các nơron ngủ và nơron thức.[125] Cả hai mô hình trên đều có giá trị cũng như bổ sung cho nhau, trong đó có một lý thuyết nói rằng là REM đã ức chế đi NREM, và sự ức chế như vậy có thể mang ý nghĩa nhất định.[149] Trong bất cứ trường hợp nào, cả hai quá trình sinh lý này và các cơ chế ẩn đã góp phần tạo dựng khả năng thích ứng của nhịp sinh học (tưởng chừng như đơn giản), và đồng thời là trong tương lai sẽ có thể phát triển hơn nữa phù hợp với các kỹ thuật công nghệ vi mô của giới khoa học.

Đồi thị và sự điều hòa hoạt động thần kinh

Các hoạt động điện não trong tiến trình ngủ được cho là do đồi thị gây ra, như vậy những nhà nghiên cứu họ đề xướng rằng cấu trúc này có thể nắm giữ vai trò quyết định đối với SWS. Hai loại điện dao động chủ yếu có trong giấc ngủ sóng chậm, đó là dao động delta và dao động chậm, cả hai đều có thể được tạo ra bởi đồi thị và vỏ não. Tuy nhiên, các thoi ngủ chỉ được tạo ra từ đồi thị, điều này mang ý nghĩa quan trọng trong cấu trúc này. Giả thuyết đồi thị tạo nhịp[150] phát biểu rằng đồi thị chính là nơi tạo ra những dao động sóng não này, nhưng còn vấn đề đồng bộ hóa sự phóng xung điện của nhiều nhóm nơron một cách đồng thời; thì lại phụ thuộc vào sự tương tác giữa đồi thị và vỏ não. Đồi thị cũng đóng vai trò tiến trình khởi động giấc ngủ, khi nó chuyển đổi từ điện thế động sang điện thế tĩnh, và được coi như là "chiếc gương" phản chiếu cả đồng thời các con đường điều hòa ngủ trung ương và ngoại vi, liên kết với nhiều vùng vỏ não ở xa để có thể phối hợp và thống nhất các hoạt động thần kinh.[151][152][153]

Hệ lưới hoạt hóa truyền lên

Tập hợp các nhân ở cuống não liên quan đến sự điều hòa chu kỳ ngủ - thức. (A) nhìn từ mặt bên và (B) nhìn từ mặt trước. DR, nhân đường giữa phần sau; LC, nhân xanh; LDT, nhân trần sau bên; Mb, trung não; MR, nhân đường giữa phần giữa; P, cầu não; PAG, vùng xám quanh cống não; PBC, phức hợp nhân cận cánh tay; PPN, nhân cuống cầu não; VTA, vùng trần trước. Để tối ưu hóa khả năng quan sát các cấu trúc trên, hình minh họa không thể hiện chất đen và nhân của bó đơn độc.

Hệ lưới hoạt hóa truyền lên chính là hệ thống hormone thần kinh ở não người, trong đó có nhiều nhân xám trung ương cho các sợi chiếu hướng lên, điển hình như là các nhân đồi thị, và nhiều nhân xám khác tiết ra các chất dẫn truyền thần kinh đặc hiệu như là dopamine, noradrenaline, serotonin, histamine, acetylcholine, glutamate.[154][155][156][157] Khi tỉnh thức, thì nó tiếp nhận tất cả các loại thông tin cảm giác không chuyên biệt và chuyển giao lên vỏ não. Hệ này đồng thời cũng điều chỉnh các đáp ứng đánh hay tránh, vì thế có sự liên lạc với hệ vận động. Trong giai đoạn khởi động giấc ngủ, nó vận hành thông qua hai con đường: con đường cholinergic đi qua đồi thị hướng tới vỏ não, và nhiều con đường monoaminergic qua vùng dưới đồi hướng vỏ não. Trong giấc ngủ NREM, hệ thống này bị tê liệt bởi tác động ức chế của các nơron GABAergic nằm trong khu vực trước thị đáy ngoài và khu vực cạnh mặt (PZ), cũng như cộng hưởng tác động với các nơron thúc đẩy quá trình ngủ diễn ra ở nhiều vùng não khác.

Phần lớn các tín hiệu đi lên tiếp hợp với đồi thị, và được phân phối tới tất cả các vùng của vỏ não, mặc dù số khác đi tới tiếp hợp ở những cấu trúc dưới vỏ khác ngoài đồi thị. Tín hiệu thần kinh tiếp hợp ở đồi thị gồm hai loại:[158]:336–338

• Một loại tín hiệu xuất phát từ thân tế bào thần kinh có kích thước rất lớn, có điện thế động truyền nhanh, kích thích đại não trong vòng vài miligiây, cúc tận cùng tiết ra acetylcholine, có tác dụng trong vài giây trước khi bị phá hủy, có lẽ có vai trò tạo ra giấc ngủ cử động mắt nhanh.
• Loại tín hiệu thứ hai xuất phát từ số lượng lớn những tế bào thần kinh rất nhỏ, phần lớn sợi thần kinh có kích thước nhỏ, dẫn truyền rất chậm đến tiếp hợp với nhân trong lá và nhân lưới ở bề mặt của đồi thị, sau đó cho ra thêm những sợi thần kinh rất nhỏ, đi tới tất cả mọi nơi ở vỏ não. Tác dụng kích thích bởi hệ thống này có thể kéo dài liên tục trong nhiều giây tới một phút hay hơn nữa, hệ thống này có nhiệm vụ quan trọng trong việc điều hòa mức độ kích thích cơ bản kéo dài của não.

Nhân xanh và hệ thống tiết norepinephrine

Lát cắt dọc phần cầu não sau bên đã cho thấy mối liên hệ không gian giữa vùng tiền nhân xanh (pre-LC) và nhân xanh (LC). Các nhân tại vùng tiền nhân xanh được đánh dấu bằng màu lục (FoxP2), và nằm trước nhân xanh đánh dấu màu đỏ (tyrosine hydroxylase, viết tắt là TH). "4V" chính là cấu trúc não thất bốn. Nhân này chứa các sợi noradrenergic, đồng thời phân bổ các nhánh đến nhiều vùng não khác, thực hiện các chức năng đáp ứng stress, sự tập trung và ký ức, duy trì thức tỉnh và điều hòa ngủ - thức.

Cấu trúc nhân xanh (locus coeruleus) là một vùng nhỏ nằm ở hai bên và phía sau chỗ tiếp nối giữa cầu não và não giữa. Sợi thần kinh từ nhân xanh phân bổ khắp não bộ và tiết norepinephrine.[159][160] Một cách tổng quát, norepinephrine kích thích não bộ làm tăng hoạt động, tuy nhiên nó có tác dụng ức chế ở vài nơi trên não, vì có những thụ thể ức chế ở một số synap. Hệ thống này có vai trò quan trọng trong việc tạo ra giấc mơ trong giai đoạn cử động mắt nhanh của giấc ngủ và sự thức tỉnh.[161][162][163]

Chất đen và hệ thống tiết dopamine

Chất đen (substantia nigra) nằm ở phía trước của phần trên não giữa, cho sợi thần kinh tận cùng chính yếu ở nhân đuôi (caudate nucleus) và nhân bèo sẫm (putamen), nơi đó tiết ra dopamine.[164][165] Những tế bào thần kinh ở vùng lân cận cũng tiết dopamine điển hình là vùng trần trước (ventral tegmental area), nhưng sợi thần kinh đi tới các vùng ở gần vùng bụng hơn của não bộ, đặc biệt là tới vùng dưới đồi và hệ viền. Dopamine hoạt động như là chất ức chế ở nhân nền, và ở vài vùng khác của não bộ, nó có thể là chất kích thích. Dopamine cũng đóng vai trò trong sự điều hòa chu trình ngủ - thức.[166][167][168][169][170][171][172][173]

Nhân đường giữa và hệ thống tiết serotonin

Nhân vách (raphe nuclei) hay còn gọi là nhân đường giữa, gồm nhiều tế bào thần kinh phóng thích serotonin, cho nhiều sợi thần kinh tới gian não (diencephalon), và một vài sợi thần kinh tới vỏ não, còn nhiều sợi khác đi xuống tủy sống.[174][175] Những sợi thần kinh tới tủy sống làm giảm đau. Serotonin tiết ra ở gian não và đại não chắc chắn đóng vai trò chủ yếu trong việc ức chế và tạo ra giấc ngủ.[12][175][176]:136-153[177][178]

Nhân đại tế bào của hệ lưới hoạt hóa và hệ thống tiết acetylcholine

Các tế bào thần kinh khổng lồ có sợi thần kinh chia ngay làm hai nhánh, nhánh đi lên vùng cao hơn của não và nhánh khác qua bó lưới - tủy vào tủy sống, đầu tận cùng tiết ra acetylcholine.[179][179][180][181][182][183][184][185] Ở phần lớn nơi, acetylcholine là chất kích thích ở những synap chuyên biệt, kích thích các tế bào thần kinh này gây ra trạng thái tinh thần thức tỉnh và phấn kích.[186][187][188]