Chức năng của giấc ngủ và sự cần thiết của một quá trình như vậy đối với sinh vật; là những thứ mơ hồ trong giới nghiên cứu khoa học giấc ngủ. William C. Dement, nhà sáng lập nên Trung tâm Nghiên cứu về Giấc ngủ của Đại học Stanford, trải qua 50 năm nghiên cứu cũng như có đầy đủ tầm hiểu biết sâu rộng về lĩnh vực này, khi ông được hỏi những lý do vì sao con người phải ngủ, thì ông điềm nhiên trả lời rằng là: "Trong phạm vi kiến thức mà tôi có được, thì duy chỉ có một nguyên nhân giải thích cho sự cần thiết của ngủ đối với chúng ta thực sự, thực sự đến nỗi không thể chối cãi được đó là bởi vì chúng ta buồn ngủ."[189] Khả năng mà giấc ngủ đã tiến hóa không chỉ để thực hiện một số chức năng nguyên thủy bản năng, mà còn phát triển và cải biến thêm nhiều chức năng sinh học hơn nữa theo thời gian[190] (cũng giống như thanh quản là cấu trúc kiểm soát sự lưu thông của thức ăn và không khí, theo thời gian cơ quan này tiến hóa (di chuyển xuống cổ) để phát triển những năng lực ngôn ngữ).

Nhiều giả thuyết đưa ra nhằm giải thích chức năng ngủ, nhưng chỉ là phản ánh cái biết mang tính chủ quan và không hoàn toàn đúng. Trong khi một số chức năng ngủ đã được khám phá ra, thì nhiều chức năng liên quan khác lại chưa thể chứng minh được như vậy không thể thấu hiểu một cách trọn vẹn. Sớm có sự nảy sinh cho một vài ý tưởng rằng là hầu hết (nếu không muốn nói là tất cả) các đáp ứng của sinh vật đối với môi trường ngoài đã dừng lại trong quá trình ngủ. Ban đầu, người ta cho rằng việc ngủ chỉ đơn giản là cơ chế giúp cơ thể có cơ hội "nghỉ giải lao" và làm giảm đi sự hao mòn của các cơ quan. Những quan sát có được trong trạng thái ngủ sau đó, đã phát hiện ra rằng các hoạt động chuyển hóa vẫn diễn ra trong não với tốc độ chậm, dường như ngụ ý rằng có sự chuyển hóa xảy ra trong quá trình ngủ.[191] Lý thuyết này không hoàn toàn đầy đủ, bởi các nghiên cứu sau đó chứng minh giấc ngủ làm giảm chuyển hóa cơ sở đến 15% (chứ không chỉ 5–10%).[192][193] Cùng với sự phát triển của kỹ thuật EEG, thật đáng ngạc nhiên là hầu như các xung điện năng mô não nội sinh vẫn tiếp tục vận hành trong quá trình ngủ, dẫn đến khái niệm rằng chức năng của nó chính là tái tổ chức hay chuyên hóa các mạch nơron, hoặc là gia tăng sự nối kết giữa các nơron thêm vững chắc.[194][195] Những giả thuyết như thế này hiện vẫn đang được khảo sát và đi tìm các chứng cứ xác thực. Người ta cũng đề ra những chức năng quan trọng khác của giấc ngủ đó là giữ cân bằng hệ thống hormone, điều hòa nhiệt độ và duy trì nhịp tim.

Theo như y văn nghiên cứu đã qua hệ thống bình duyệt về sự mất ngủ và các yếu tố cản trở giấc ngủ,[194][195] trong đó những đối tượng tham gia nghiên cứu có thể đối mặt với các hậu quả tiêu cực ngắn hạn và dài hạn. Hậu quả ngắn hạn bao gồm có đáp ứng với stress tăng lên, và nảy sinh các vấn đề tâm lý xã hội, chẳng hạn như là tổn thương nhận thức, hiệu suất học thuật giảm và trầm cảm. Thực nghiệm đã chỉ ra rằng là ở trẻ em và người lớn khỏe mạnh bình thường, chính sự gián đoạn của giấc ngủ hay mất ngủ sẽ làm tăng hoạt tính giao cảm, điều mà được cho là có thể phá vỡ tâm trạng và hủy hoại nhận thức. Đặc biệt khi vấn đề tiến triển dài hạn sẽ làm rối loạn quá trình chuyển hóa, làm sụp đổ hệ cân bằng glucose máu hay thậm chí nghiêm trọng hơn là kết tập khối u và tăng nguy cơ ung thư.

Sự bảo toàn

Một con sư tử đang ngủ tại vườn bách thú Melbourne, thuộc thủ đô nước Úc.

Lý thuyết "Bảo toàn và Phòng vệ" nói rằng giấc ngủ là một trong số các chức năng giúp sinh vật thích nghi với môi trường. Nó bảo vệ loài động vật khỏi các mối đe dọa tự nhiên, vì nguy cơ bị ăn thịt (hay tấn công) sẽ là cao nhất nếu như con vật thức không ngủ và đi lang thang khắp nơi.[196] Sinh vật không thể nào dành 24 tiếng hoàn toàn chỉ cho việc ăn hay những tập tính khác. Dựa trên sự thích nghi này sinh vật sẽ an toàn trong phạm vi cho phép nhằm tránh mọi tác nhân có hại cho chúng, khi khả năng chúng sẽ trở thành con mồi "béo bở" đối với các sinh vật khác mạnh hơn. Chúng sẽ ngủ trong khoảng thời gian nhất định để tối ưu hóa sự an toàn tự chúng, đồng thời là khôi phục các năng lực thể trạng trong giới hạn lãnh thổ.

Lý thuyết này đã thất bại trong việc giải thích rằng là tại sao não trở nên độc lập với môi trường ngoại vi trong lúc hành vi ngủ diễn ra. Tuy nhiên điều này có thể do thứ cơ quan tư duy này tiêu tốn một lượng năng lượng với tỷ lệ lớn ở bất cứ thời điểm nào, và sự bảo toàn năng lượng chỉ xảy ra trong trường hợp các tín hiệu cảm giác bị hạn chế dẫn truyền và đáp ứng. Lý thuyết này cũng vấp phải sự phản biện lại với lý lẽ rằng là, giấc ngủ không thể chỉ đơn giản là nguyên do thụ động ép con vật phải rời khỏi môi trường chỉ vì sự an toàn, mà còn là "động cơ"; con vật sẽ thay đổi các hành vi để có thể đạt được giấc ngủ.

Vì thế nên nếu chính sự điều chỉnh sinh học đến độ quá mức cần thiết chỉ để giải thích rằng là phù hợp với quy luật âm dương, tức là sự hoạt động và nghỉ ngơi phải cân bằng phù hợp với từng loại sinh vật nhất định thì vẫn chưa thực sự đủ, mà nói lên rằng còn có sự chuyên biệt hóa đặc thù đối với trạng thái ngủ, tức là những mối liên quan đến các chức năng khác hay cả về những thuộc tính hữu cơ ẩn đằng sau mà giới khoa học vẫn chưa được biết. Không chỉ dừng lại ở đó, lý thuyết bảo toàn này cũng cần phải giải quyết các "hạt sạn" khác, đó là tại sao các loài động vật ăn thịt đầu bảng chẳng hạn như sư tử dành phần lớn thời gian cho việc ngủ đến tận 20 tiếng,[197] mặc dù các mối nguy hại của chúng là không đáng kể. Điều này được cho là giảm sự thất thoát năng lượng đến mức tối thiểu khi chúng không thực hiện hành vi săn mồi.

Tiến trình quét sạch chất thải ra khỏi não bộ

Các tế bào hình sao (màu lục) và kênh aquaporin-4 (màu tím).

Trong quá trình ngủ, các sản phẩm chuyển hóa của cơ thể, chẳng hạn như là immunoglobulin, các mảnh vỡ protein, hoặc là các protein nguyên vẹn như phân tử amyloid beta, có thể được đào thải từ khoang dịch kẽ thông qua hệ thống làm sạch chất thải cho hệ thần kinh trung ương (glymphatic system) với các kênh giống như bạch huyết là aquaporin 4 (AQP4), các kênh này chính là cầu nối cho phép liên thông khoang cận mạch với mạng lưới các tế bào hình sao, nhờ đó tạo hiện tượng đối lưu của dòng chảy CSF qua nhu mô não (khi CSF đã thoát khỏi tế bào hình sao).[198][199][200] Giới khoa học thần kinh đã bắt đầu tiến hành các thí nghiệm về giấc ngủ trên chuột. Khi những con chuột này rơi vào trạng thái ngủ, thì những quan sát họ có được đó là các tế bào não của chúng co lại, làm tăng khoảng không giữa các tế bào não khoảng 60%.[201] Đó là thời điểm dịch não tủy (CSF) tràn vào và làm sạch các tế bào thần kinh. Theo như mô hình này thì, các ống rỗng giữa mạch máu não và tế bào hình sao chúng hoạt động như một đập tràn cho phép dẫn lưu dịch não tủy mang các chất thải độc hại đi vào hệ thống tuần hoàn.[199][200] Những cơ chế như vậy, vẫn còn nằm trong phạm vi nghiên cứu sơ bộ cho đến thời điểm năm 2017, và là như những cơ chế tiềm năng trong đó giấc ngủ chính là thời khoảng giúp duy trì và điều hành các chức năng miễn dịch của não, đồng thời có vai trò dọn dẹp những đám phân tử amyloid beta, khi mà chúng được xem là một trong những yếu tố nguy cơ gây ra căn bệnh Alzheimer.[199]

Phục hồi chức năng sinh học

Sự chữa lành vết thương được cho là chịu ảnh hưởng bởi giấc ngủ.[202] Và tình trạng thiếu ngủ sẽ dẫn đến các thay đổi của hệ miễn dịch.[203] Cho đến hiện tại, các công trình nghiên cứu cũng làm sáng tỏ thêm nhiều điều, một trong số đó là "tình trạng mất ngủ sẽ tàn phá hệ thống miễn dịch thảm hại và ngược lại," quá trình ngủ không chỉ đơn giản chỉ là một đáp ứng sinh lý bình thường, người ta đã khám phá ra rằng là nó làm tăng cả số lượng bạch cầu tuần hành trong máu.[204] Một nghiên cứu vào năm 2014 đã chứng minh rằng sự mất ngủ diễn ra trên con chuột thí nghiệm có thể làm tăng sinh các tế bào ung thư, cũng như là suy yếu đi năng lực miễn dịch vốn thực hiện việc kiểm soát tiến trình ung thư.[205]

Việc giấc ngủ tác động như thế nào đến sự phát triển cơ thể vẫn chưa hoàn toàn được hiểu rõ. Trong một nghiên cứu tiến hành ghi lại và đo đạc các chỉ số như là cân nặng, chiều cao, và có sự tương quan với thời điểm khai báo của cha mẹ, ở 305 đứa trẻ trong khoảng thời gian là 9 năm (tuổi từ 1 đến 10). Kết quả thu được là "sự sai biệt về thời gian ngủ của các đứa trẻ này dường như không có ảnh hưởng nào đến sự phát triển."[206] Giấc ngủ sóng chậm được cho là gây ra những thay đổi về hormone, điển hình nhất là hormone tăng trưởng.[15] Trong vòng 8 tiếng của một giấc ngủ, Van Cauter, Leproult, và Plat đã phát hiện rằng người nào có tỷ lệ SWS cao hơn (trung bình khoảng 24%) thì sẽ có sự bài tiết các hormone sinh trưởng nhiều hơn. Trong khi những đối tượng nào có tỷ lệ thấp hơn (trung bình 9%) tương ứng ít giải phóng các nội tiết tố này.[58]

Có một vài bằng chứng về chức năng hồi phục của quá trình ngủ. Khi ngủ sự thải trừ các chất thải chuyển hóa diễn ra với tốc độ nhanh hơn nhiều so với khi thức.[207] Trong lúc tỉnh táo, các biến đổi hóa học nhằm duy trì sự sống đã tạo ra những phân tử mang nguyên tử oxy với khả năng phản ứng mạnh (reactive oxygen species), tiếp theo đó, những phân tử này sẽ phá hủy tế bào. Trong trạng thái ngủ, tốc độ biến dưỡng giảm hẳn và các ROS độc hại bị lấy đi, như vậy giúp khôi phục trạng thái sinh lý của cơ thể trở về bình thường. Ngoài ra, giấc ngủ tạo điều kiện thuận lợi cho việc tổng hợp các phân tử giúp sữa chữa và bảo vệ não khỏi những yếu tố có hại sản sinh ra trong trạng thái thức.[208] Giai đoạn chuyển hóa trong quá trình ngủ là đồng hóa; và những hormone đồng hóa chẳng hạn như là hormone tăng trưởng (như đã đề cập ở trên) được phóng thích mạnh mẽ trong lúc ngủ.

Trong điều kiện sinh vật đó nghỉ ngơi, chúng có thể bảo toàn và tiết kiệm năng lượng mà không phải phân tách ý thức của chúng ra khỏi môi trường xung quanh, và như vậy có thể đối mặt với sự nguy hiểm hơn nhiều. Các loài động vật nếu chúng không ngủ và chỉ ở yên một chỗ, hiển nhiên khả năng sống sót trước những loài ăn thịt lớn hơn sẽ cao, trong khi đó sự bảo toàn năng lượng vẫn cứ tiếp diễn. Vì thế nên để giải thích cho vấn đề trái ngược này, việc ngủ có vẻ là quan trọng hơn nhiều cho rất nhiều mục đích khác, chứ không thể chỉ đơn giản là tiết kiệm năng lượng để có thể sống sót trong sinh giới. Điều muốn nói đến ở đây là năng lực của thần kinh, giấc ngủ sẽ khôi phục các thay đổi có được bởi sự kích hoạt synap trong trạng thái thức về mức "ngưỡng," đưa mức điện thế trở về cơ bản như trước lúc kích thích, làm giảm độ mạnh của synap, làm yếu đi những kết nối không cần thiết khác (thông qua một quá trình có tên gọi là Ức chế hóa dài hạn), tạo điều kiện cho việc thực hiện chức năng học và nhớ (hay còn gọi là quá trình Điều kiện hóa) tiếp tục diễn ra trong ngày kế tiếp; điều này có ý nghĩa rằng là não bộ buộc phải quên một số thứ trong quá trình học mỗi ngày. Tất cả những điều trên đều được kiểm duyệt, chứng minh và thể hiện qua một nghiên cứu có tên là "Có lẽ để cắt bớt những thứ thừa thãi. Trong giấc ngủ, não nó làm suy yếu dần những kết nối vô nghĩa giữa các tế bào thần kinh, hình như là để bảo toàn năng lượng và, nghịch lý thay, là để cấu thành trí nhớ."[209]

Chức năng nội tiết

Chu kỳ ngủ-thức đã ảnh hưởng lên sự giải phóng của nhiều nội tiết tố. Chẳng hạn như là, melatonin, một hormone quan trọng trong đồng bộ hóa đồng hồ sinh học, có vai trò duy trì đồng hồ sinh học và điều chỉnh nhịp điệu cơ thể, sự phóng thích của chất này tăng khi có ánh sáng lờ mờ và đạt đỉnh trong giấc ngủ vào ban đêm, và bị ức chế mạnh mẽ trong điều kiện ánh sáng mạnh.[210] Ở một số sinh vật, quá trình tiết ra melatonin phụ thuộc vào giấc ngủ, nhưng đối với loài người thì độc lập và chỉ phụ thuộc vào cường độ ánh sáng. Dĩ nhiên rằng, ở người và những loài động vật khác, một loại hormone như thế có thể thuận hóa quá trình ngủ sơ khai mới diễn ra, tức là thúc đẩy việc ngủ dễ dàng hơn và nhanh hơn. Tương tự như vậy, hormone cortisol và TSH cũng quy theo nhịp sinh học, hoạt động mạnh vào ban ngày, và gần như là độc lập với giấc ngủ.[211] Trái lại, hormone tăng trưởng (GH) và prolactin lại rất phụ thuộc vào việc ngủ, chính vì vậy chúng sẽ bị ức chế khi thiếu ngủ.[212] Trong SWS, GH sẽ được phóng thích tối đa, trong khi đó prolactin được giải phóng sớm ngay sau giai đoạn ngủ nông, và tăng dần xuyên suốt cả đêm. Trong một vài nội tiết tố nhất định, khi sự giải phóng của chúng chịu sự kiểm soát bởi cường độ ánh sáng, thì giấc ngủ dường như sẽ làm tăng sự phóng thích đó. Và trong hầu hết mọi trường hợp, thiếu ngủ sẽ gây ra những tác động tai hại. Chẳng hạn lấy ví dụ điển hình là cortisol, được cho là thật sự cần thiết đối với sự chuyển hóa vật chất và năng lượng (rất quan trọng bởi con vật có thể chết trong vòng 1 tuần nếu thiếu hoạt chất này), và cực kỳ mật thiết với khả năng chống chọi lại với các kích thích độc hại, trong giấc ngủ REM hay lúc thức thì đều làm tăng cortisol vốn bản chất là corticosteroid này.[213] Tương tự như thế, TSH sẽ được tăng tiết trong giấc ngủ ban đêm, suy giảm khi thời lượng của giấc ngủ giảm, nhưng lại tăng trong mất ngủ thể cấp.[214][215]

Bởi vì là các hormone đóng vai trò chủ yếu trong sự cân bằng năng lượng, các quá trình chuyển hóa và trao đổi chất, và trạng thái ngủ sẽ mang tính quyết định cả về thời gian và biên độ của sự giải phóng các nội tiết tố này. Như vậy rõ ràng việc ngủ không hề đơn giản hóa được, nó có những tác động đáng kể đối với sự biến dưỡng của sinh vật. Chính điều này có thể là lời giải thích và củng cố cho những học thuyết sơ khai về chức năng của ngủ, khi dự đoán tiến trình ngủ cũng mang nhiệm vụ trong việc điều hòa sự chuyển hóa với các cơ chế nào đó.

Xử lý thông tin và đưa vào kho nhớ

Theo như Plihal và Born, giấc ngủ có vai trò tăng cường khả năng gọi ra các thông tin đã được tiếp nhận và những kinh nghiệm quá khứ, điều này tùy thuộc vào giai đoạn của giấc ngủ và loại hình trí nhớ.[216] Chẳng hạn, các nghiên cứu thực nghiệm dựa trên các nhiệm vụ liên quan đến trí nhớ quy nạp (declarative memory) và trí nhớ thường trực (procedural memory), đã được vận dụng trong nhiều điều kiện khác nhau, thực hiện trước khi đi vào giấc ngủ ban đêm, và có đối chứng với nhóm không ngủ. Kết quả đã chỉ ra rằng là trí nhớ quy nạp cải thiện hơn nhiều trong giấc ngủ giai đoạn đầu (đa số là SWS), trong khi trí nhớ thường trực lại được củng cố trong giai đoạn sau (đa số là giấc ngủ REM).[217][218]

Đối với trí nhớ quy nạp, người ta quan sát được trong giai đoạn SWS ở cấu tạo hải mã có sự tuần hoàn lặp đi lặp lại các xung động thần kinh ở những nơron đã mã hóa từ trước đó, chính sự dội đi dội lại đều đặn của các tín hiệu thần kinh đã củng cố và thành lập trí nhớ dài hạn.[217][218] Giả định này dựa trên giả thuyết củng cố hệ thống hoạt động, phát biểu rằng là quá trình tái hoạt hóa các thông tin mới mã hóa diễn ra liên tục không ngừng nghỉ trong hồi hải mã, thể hiện ra dưới dạng các sóng não dao động chậm trong giấc ngủ NREM, dòng tín hiệu chạy trên các mạch nơron dần ổn định và tích hợp các thông tin đã có được vào mạng lưới vỏ não tạo thành trí nhớ quy nạp.[219] Các nhà khoa học tin rằng hồi hải mã có thể nắm giữ thông tin tạm thời và xử lý nhanh chóng, trong khi tốc độ đưa thông tin mới học được vào vùng vỏ não mới là chậm, nhưng bù lại thông tin được lưu giữ dài hạn.[217][218][220][221][222] Dòng chảy thông tin qua lại này giữa hồi hải mã và vỏ não mới biểu hiện ra với các gợn sóng nhọn hải mã (SWR, xuất hiện thoáng qua và phóng ra cực nhanh với tần số <300 Hz)[223][224] và thoi ngủ đồi-vỏ, với sự đồng bộ hóa các sóng não này sẽ tạo thành sự kiện thoi-gợn cũng chính là điều kiện tiên quyết cho sự tạo lập nên ký ức dài hạn thông qua việc xây dựng lại cơ cấu thần kinh.[218][220][222][225]

Cần phải nói thêm rằng là khả năng hoạt hóa lại con đường mòn dấu vết nhớ cũng diễn ra trong lúc thức, với chức năng tăng cường biến đổi cấu trúc synap gắn liền với sự tăng giải phóng các chất truyền đạt, tăng số lượng bọc đựng chất trung gian, tăng mật độ diện tích sau synap, bằng những thông tin mới mã hóa. Trong khi đó, thì tái vận hành lại các mạch thần kinh trong SWS cũng quan trọng không kém trong việc ổn định hóa những ký ức mới.[218] Hoạt động củng cố nhớ trong trạng thái thức là một quá trình cần thời gian để hoàn thành. Ở lâm sàng nếu có các biến cố gây gián đoạn động học não như chấn thương sọ não, gây mê, sốc điện,... thì như vậy sẽ phá vỡ tiến trình bình thường của việc đưa thông tin vào kho nhớ. Thời gian trung bình cho sự củng cố lấy thông tin ở người là từ khoảng 10–60 phút theo dữ liệu quan sát được trên lâm sàng. Thực nghiệm của Heriot và cộng sự năm 1962 trên chuột cũng chứng minh được rằng thời gian củng cố trung bình của loài này là khoảng 26–180 phút, càng nhấn mạnh rằng chính yếu tố thời gian là vô cùng quan trọng trong sự thay đổi mang tính tổ chức cao. Dựa trên những thí nghiệm tái hoạt hóa trí nhớ mục tiêu (TMR), họ đã sắp xếp cho ra các tín hiệu kích thích nhớ để gây ra những luồng xung động chạy theo các con đường synap đặc hiệu cho những loại tín hiệu này trong giấc ngủ. Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm xác nhận lại sự thiết yếu của quá trình tái hoạt hóa thần kinh vào thời điểm ban đêm, chính là sự hình thành ký ức bền vững theo thời gian trong mạng lưới tân vỏ não, cũng như tăng cường trí nhớ quy nạp.[217][221][222][225][226]

Hơn nữa, người ta đã phát hiện ra rằng không có sự khác biệt đáng kể về quá trình tái hoạt hóa điện thế khi sinh vật ngủ và thức, tức là có cùng tần số và biên độ dao động, và có thể kèm theo với sóng não theta.[227] Trong trạng thái tỉnh, khi hoàn thành các công việc liên quan đến trí nhớ, tương ứng EEG biểu hiện ra các dao động điện theta, điều này đã được chứng minh bằng nhiều công trình nghiên cứu, và khi thực hiện các kích thích (âm thanh hay mùi) ngay trong trạng thái ngủ, dẫn đến sự tái hoạt hóa các tín hiệu thần kinh con đường synap gấp bội, kết quả sau đó đã chỉ ra rằng hoạt động sóng theta mạnh hơn đáng kể, điều này mang ý nghĩa rằng con đường mòn dấu vết nhớ đã được tăng cường và sự tích hợp thông tin về từ vựng và ngôn ngữ vẫn diễn ra vô cùng thuận lợi khi cá thể ngủ.[228] Tuy rằng, những ảnh hưởng tích cực của quá trình TMR cho sự củng cố nhớ dường như là chỉ xảy ra với điều kiện tín hiệu nhớ đó có sự liên quan với tiền tri thức (prior knowledge), sự nhận thức sơ bộ của chủ thể.[229]

Những cuộc nghiên cứu khác cũng khảo sát những tác động đặc hiệu của từng giai đoạn giấc ngủ khác nhau lên nhiều loại trí nhớ. Chẳng hạn như, tình trạng thiếu ngủ không ảnh hưởng nghiêm trọng lắm đến sự nhận diện khuôn mặt đối tượng, nhưng có thể làm phá hủy đáng kể đến loại hình trí nhớ thời gian (ước lượng các sự kiện hiện tượng diễn ra khi nào). Những khám phá này đã đi ngược lại với cách ngôn của Wilkinson (1991), nói lên rằng mất ngủ không đơn giản là làm giảm mức độ tỉnh táo một cách tổng thể, mà còn gây ra những méo mó và biến dạng về nhận thức thời gian.[230] Đặc biệt là trong cuộc thử nghiệm, các đối tượng mất ngủ đã phát triển niềm tin mù quáng rằng là họ đã đúng, thực tế cho thấy là họ sai (chứng tỏ rằng đã ảnh hưởng đến các chức năng cao cấp của vỏ não). Các nghiên cứu khác cũng cho thấy rằng hiệu suất nhớ lại các danh từ đã học được suy giảm một cách trầm trọng khi thiếu ngủ (trung bình 2.8 ± 2 từ) khi đối chiếu với nhóm có giấc ngủ đầy đủ và bình thường (4.7 ± 4 từ).[231] Những kết quả này càng củng cố thêm vai trò quan trọng của ngủ đối với trí nhớ quy nạp.[232][233][234][235][236][237][238][239][240][241][242][243] Sự mất ngủ toàn phần (TSD) cũng ảnh hưởng và tạo những hậu quả đáng gờm lên các chức năng não, cụ thể khi vùng não trước trán (PFC) chịu trách nhiệm cho phương thức học tập thời gian, và thùy thái dương và thùy đỉnh đối với dạng học từ ngữ. Những tác động của TSD đã được chứng minh với dữ kiện quan sát được là hoạt động chuyển hóa có sự giảm xuống rõ ở những vùng này. Phân tích dữ liệu cũng cho thấy rằng bằng sự so sánh các mẫu mô thần kinh lấy từ thực nghiệm, trong SWS đã diễn ra sự tổ hợp lại các nơron thần kinh (kết quả có sự tương quan mạnh) hơn nhiều so với lúc thức hay cả giai đoạn REM. Quá trình học vật thể mới của những con chuột khoảng 1 tiếng đồng hồ, nhưng sau đó các tín hiệu thần kinh dội lại như tiếng vang dội lại chạy liên tục trên các mạng nơron kéo dài đến tận 48 giờ, và như thế đã gợi ý rằng quá trình điện thế hóa dài hạn đang diễn ra.[244]

Không chỉ dừng lại ở đó, việc ngủ ngắn cũng thể hiện ý nghĩa quan trọng đối với các chức năng nhận thức;[245][246][247][248][249][250][251] các nghiên cứu về những nhân viên làm việc theo ca, cho thấy rằng dù nhân viên đó thực hiện một giấc ngủ bình thường vào ban ngày với thời lượng tương đương ban đêm thì kết quả vẫn không khả quan,[252] bởi vì đó là sự can thiệp vào chu kỳ ngủ-thức và nhịp sinh học, các thay đổi như vậy có thể làm hư hại tế bào và phá vỡ hằng định nội môi.[253] Hiện nay các cuộc nghiên cứu nhằm mục đích thiết lập nền tảng phân tử và sinh lý học của quá trình tăng cường các engram trong giấc ngủ. Cùng với đó là những khám phá về gen có thể giải mã các hiện tượng này, tất cả đều đưa đến bức tranh tổng thể về vai trò của giấc ngủ trong sự hình thành ký ức.

Tái chuẩn hóa độ mạnh của synap

Trạng thái ngủ có thể làm yếu các nối kết synap khi mà chúng không còn cần thiết cho việc thực hiện chức năng tối ưu. Trong trường hợp các mạch vô nghĩa đó nếu cứ tồn tại, nguồn nguyên liệu có thể bị cạn kiệt, bởi vì là quá trình bảo dưỡng và củng cố cho các khớp thần kinh cần các cơ chất, không gian và năng lượng cực lớn, ngoài ra còn có các cơ chế tế bào khác chẳng hạn như là tổng hợp protein cho các kênh mới.[209][254] Giả sử rằng không có cơ chế điển hình như thế này xảy ra trong lúc ngủ, tương đương là mức chuyển hóa cần thiết trong não sẽ phải tăng theo cấp số nhân khi các synap không ngừng được tăng cường lên, cho đến vượt ngưỡng giới hạn gây nên hiện tượng vụn vỡ cho các tế bào thần kinh.

Sự nảy sinh tế bào thần kinh, hệ quả của thiếu ngủ đối với học và nhớ

Ảnh cùng tiêu điểm cho thấy các tế bào dương tính với doublecortin (màu xanh lá) trong vùng DG não chuột trưởng thành. Các tế bào hình sao dương tính với GFAP (màu đỏ).

Hồi hải mã là vị trí quan trọng với chức năng tạo tác tế bào nơron ở tuổi trưởng thành (neurogenesis), trong đó chủ yếu là trung khu dưới não thất (SVZ) và trung khu dưới hạt (SGZ) của hồi răng (dentate gyrus, DG). Các tế bào thần kinh mới được tạo ra, tăng sinh, và cuối cùng sẽ tích hợp vào vành đai mạng thần kinh trong cấu trúc hải mã. Vùng hải mã bụng và hải mã lưng được cho là có chức năng điều hòa quá trình tân tạo thần kinh và cả nhận thức.[255] Quá trình này chịu sự vận hành của nhiều yếu tố, chẳng hạn như là các neurotrophin (phân tử thúc đẩy cho sự thực hiện các chức năng sinh tồn và dinh dưỡng cho nơron), các chất truyền đạt, cytokine và thuốc,... thông qua các con đường truyền tín hiệu cho thụ thể (bởi do kích thích ngoại sinh) và những yếu tố phiên mã. Có mối liên kết mạnh mẽ giữa quá trình tạo mới nơron giai đoạn trưởng thành và tiến trình xử lý thông tin trong hải mã. Sự tổng hợp cơ cấu thần kinh mới ở loài chuột trưởng thành có sự tương quan dương tính với năng lực học. Bằng chứng đã quá rõ ràng: khi tiến hành tiêu hủy các nơron của giai đoạn này, sẽ phá hỏng các chức năng học bình thường như học liên tưởng (associative learning) và điều kiện hóa sợ (fear conditioning). Trong cuộc thực nghiệm khác, thực hiện cắt bỏ các đoạn gen mã hóa cho những tế bào gốc trên chuột, là tiền đề cho sự xây dựng mạng lưới dẫn điện mới, kết quả là suy giảm đáng kể mật độ chất xám vùng DG, điều mà được cho là gây ra các bất thường về hành vi liên quan những biến đổi giải phẫu hải mã. Nói cách khác, chính các tế bào gốc của giai đoạn trưởng thành đã tạo điều kiện cho khả năng mềm dẻo hóa tại cấu trúc này.[256]

Tương quan về giấc ngủ và quá trình neurogenesis là vô cùng mạnh mẽ. Gần đây, các nhà nghiên cứu tập trung xoay quanh nhiều về vấn đề này. Giấc ngủ được xem là không thể thiếu đối với quá trình tân tạo nơron, và bất kỳ tổn thương nào ảnh hưởng đến giấc ngủ đều tạo ra sự nghịch biến về lượng của quá trình này. Mất ngủ thể cấp không có tác động nào lên vùng dưới hạt ở hồi hải mã; ngoại trừ nếu tổng lượng thời gian bị mất ngủ lớn hơn 24 giờ.[257] Thiếu giai đoạn REM sẽ làm giảm số nơron đang phát triển trong vùng DG, khi thiếu cả REM và NREM sẽ ảnh hưởng luôn các tế bào chưa trưởng thành. Các nghiên cứu trước đó cũng báo cáo rằng quá trình tăng sinh thần kinh giảm đi trong điều kiện mất ngủ 48 tiếng, khi họ dùng chất BrdU để nhuộm mô thần kinh phát hiện các protein Doublecortin (DCX, "dấu hiệu" đặc trưng khi có quá trình sản sinh tế bào diễn ra) trong vùng DG ở hải mã. Không có sự thay đổi nào về chất NeuN, là protein và là dấu ấn sinh học cho sự tồn tại của nơron, phản ánh quá trình neurogenesis có diễn ra hay không.[258] Hơn nữa tương quan này càng có giá trị hơn, khi có nhiều nghiên cứu sử dụng các phương thức khác nhau, chẳng hạn như phương pháp mặt phẳng, máy chạy bộ (cho chuột), hay phương pháp đĩa trên nước (disk-over-water method).[257]

Các báo cáo cũng nói lên vai trò bảo vệ thần kinh của caffeine hay modafinil. Caffeine gây ra tác động vào quá trình tăng sinh thần kinh phụ thuộc liều lượng: việc điều trị với liều thấp trong khoảng thời gian ngắn không có ảnh hưởng nào, và liều cấp trên mức sinh lý sẽ thúc đẩy tăng tạo nơron, trong khi dùng với liều rất cao và liên tục thì dẫn tới hậu quả ngược lại và đồng thời tổn hại đến nhận thức. Liệu pháp caffeine hoặc modafinil được chứng minh là không cho quá trình tiêu hủy đi các tế bào dương tính BrdU diễn ra, trong thời gian mất ngủ 48 tiếng. Sự kìm hãm tiến độ phát triển của các tế bào dương tính với DCX, được cho là chỉ cải thiện khi dùng caffeine để điều trị, trong khi số tế bào dương tính với DCX trong giai đoạn trung gian biến đổi tích cực khi dùng modafinil. Mặt khác, tế bào dương tính với DCX sau giai đoạn gián phân cũng có sự phát triển có lợi khi dùng cả caffeine hay modafinil để đối phó với tình trạng mất ngủ.[258] Như thế rút ra kết luận rằng, việc dùng caffeine hay modafinil cũng cần thiết và quan trọng trong sự cải thiện quá trình này dưới các điều kiện stress khác nhau.[259]

Minh họa phân tử BDNF điển hình.

Trong thời gian gần đây, nhiều nghiên cứu cũng xác minh tầm quan trọng của ngủ đối với yếu tố tăng trưởng thần kinh nguồn gốc từ não (brain-derived neurotrophic factor, BDNF). Báo cáo cho thấy rằng là khi giấc ngủ bắt đầu diễn ra, lớp vỏ não tăng biểu hiện BDNF. Và BDNF đóng vai trò như là phân tử tín hiệu làm tăng cường hoạt động sóng chậm (SWA) thông qua hiện tượng điện thế hóa synap trong giai đoạn ngủ ở bộ gặm nhấm.[260] Tình trạng mất ngủ sẽ làm giảm mức độ biểu hiện BDNF trong hồi hải mã, và sẽ cải thiện khi đưa caffeine vào mô não. BDNF được biết đến thông qua khả năng tăng cường các chức năng hải mã, bằng cách tăng sinh các tế bào thần kinh giai đoạn trưởng thành, cũng như là các quá trình liên quan khác.[261] Bất hoạt các gen liên quan BDNF trong hồi hải mã bằng nhiều cách khác nhau, có thể có những tác động tiêu cực lên trên quá trình tổng hợp nơron thần kinh.[262] Hơn nữa cũng có các bằng chứng về tác động có lợi của caffeine trong việc duy trì BDNF phù hợp với mức sinh lý, các chức năng nhận thức dưới các yếu tố căng thẳng, chẳng hạn như là béo phì và lão hóa.[263] Các nhà khoa học cũng tuyên bố rằng, sự mất ngủ trong thời gian 48 tiếng sẽ làm giảm biểu hiện BDNF vùng DG trong hồi hải mã một cách rõ rệt. Điều này có thể thay đổi nhờ sử dụng caffeine hay modafinil. Đã quá rõ ràng rằng caffeine, modafinil có tác dụng tốt đối với quá trình neurogenesis thông qua sự tăng cường nồng độ protein BDNF trong hải mã khi thiếu ngủ. Vì vậy, có thể khắc phục các tổn hại thần kinh nhờ những chất này qua việc tăng biểu hiện BDNF.[258]

"Rừng ký ức", hình ảnh cho thấy vùng DG hồi hải mã ở con chuột với các tế bào gốc thần kinh (neural stem cells, nhuộm màu xanh lá), và bao quanh chúng chính là những tế bào hình sao (astrocyte) có màu đỏ.

Vai trò của giấc ngủ về tính mềm dẻo của não (brain plasticity) cũng được nghiên cứu kỹ, thông thường liên quan đến quá trình học phụ thuộc hải mã (hippocampal-dependent learning), cụ thể hơn là cơ chế LTP (điện thế hóa dài hạn) và cả cơ chế LTD (ức chế hóa dài hạn). Các cuộc thực nghiệm đi thẳng vào vấn đề, đó là quan sát tác động và ảnh hưởng của ngủ, thiếu ngủ lên nhiều dạng học tập, hoặc sẽ cảm ứng LTP hay LTD. Nhìn chung, mất ngủ sẽ cản trở quá trình học phụ thuộc hải mã và củng cố nhớ trên bộ gặm nhấm.[264]:37–45, 1–18[265][266] Điều này bao gồm cả những công việc kích động trí nhớ của loài vật, chẳng hạn điều kiện hóa sợ theo bối cảnh (contextual fear conditioning), nhận diện vật thể trong không gian (spatial object recognition), và mê cung nước Morris (Morris water maze). Trong những cuộc thực nghiệm này, để việc mất ngủ tàn phá sự tạo lập trí nhớ sau khi đã tiếp xúc với kích thích, và đã diễn ra các hoạt động điện ẩn trong thần kinh (tức là con vật thực hiện những nhiệm vụ mà nó phải làm), phải có một khoảng thời gian nhất định. Khoảng thời gian này thay đổi đáng kể phụ thuộc vào nhiệm vụ và chủng loài.[267] Các công trình nghiên cứu sớm từ những năm 1970 và 1980 thường hứng chịu các chỉ trích, là bởi mất ngủ là hiện tượng stress, và có các hormone "căng thẳng" tác động trực tiếp lên chức năng hải mã và tính khả biến thần kinh. Tuy nhiên, trong vòng 20 năm qua, các nhà khoa học vẫn tiếp tục hành trình khám phá tình trạng này, ngay cả khi stress không phải là yếu tố gây mất ngủ.[268] Vì thế nên đã làm sáng tỏ ra nhiều điều, đó là sau kinh nghiệm, giấc ngủ sẽ hoạt hóa quá trình mềm dẻo lần hai, chính là sự củng cố nhiều dạng trí nhớ. Mở rộng ra là khám phá về sự tổng hợp protein, khi bộ máy dịch mã trong hồi hải mã bị ức chế bởi tình trạng mất ngủ, và ngủ đủ giấc sau đó sẽ khôi phục trở lại bình thường.[269]

Để nhất quán với hiện tượng hoạt hóa các cơ chế mềm dẻo trong giấc ngủ, người ta đã phát hiện ra rằng giai đoạn REM có cơ chế LTP diễn ra ở hồi hải mã, trong khi đó đối với giấc ngủ NREM là LTD, hoặc cả hai.[267][270] Mất ngủ cũng có những tác động đáng chú ý lên quá trình cảm ứng (điện thế hóa tần số cao) và duy trì (hoạt hóa enzyme bền vững) LTP quan sát được dựa trên cơ thể sinh vật (in vivo) và trong mô sinh thiết (in vitro). Chẳng hạn như, việc thiếu ngủ như vậy sẽ hủy hoại cơ chế LTP trong hải mã cả khi loài gặm nhấm bị gây mê hay thức tỉnh,[271][272] nhưng nó lại được tăng cường trong pha dài hạn (late-phase) ở vùng mPFC. Điều này đã đặt ra giả thuyết rằng quá trình xử lý thông tin ở vùng mPFC và hải mã là khác nhau.[273] Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng quá trình LTP sẽ suy giảm, khi mất ngủ với nhiều mức độ khác nhau (REM, toàn phần, hay chỉ là ngắn hạn).[274][275][276][277][278][279][280][281][282][283][284][285][286] Thú vị là, khi giấc ngủ REM được khôi phục trở lại hoặc thậm chí là tăng ở bộ gặm nhấm, cơ chế này sẽ vận hành một cách bình thường.[225][287]

Nền tảng phân tử điều hành các tác động của quá trình mất ngủ gây ra trên LTP và LTD vẫn chưa thể hoàn toàn nắm rõ. Những hệ quả mà nó sinh ra cũng không hề đơn giản bởi còn xét đến các ảnh hưởng gián tiếp khác nữa. Cụ thể hơn là, mất ngủ làm rối loạn các hormone đặc biệt liên quan đến stress.[274][282][287] Thuộc tính mềm dẻo thần kinh giảm có thể gắn liền với sự suy giảm chức năng thụ thể NMDA hồi hải mã,[274][286][288][289] đình trệ sự hoạt hóa ERK/MAPK,[282] kết hợp cùng quá trình tiêu hủy cấu trúc đuôi gai,[290] sự hoại biến của các mRNA liên quan đến chức năng mềm dẻo và cả protein,[287][291][292] và nồng độ PDE4[285] và adenosine ngoại bào cũng đồng thời tăng lên theo đó.[275][284]

Sự mất ngủ và những thay đổi về hành vi

Tình trạng thiếu ngủ khá phổ biến và thỉnh thoảng cần thiết trong xã hội hiện đại. Bởi do tính chất của nghề nghiệp hay các công việc nội địa ví dụ như dịch vụ toàn thời gian, tin tức truyền thông và an ninh, các dự án xuyên múi giờ,... Như vậy nghiên cứu đến khía cạnh mất ngủ là cần thiết cũng như hiểu rõ các cơ chế tác động lên hành vi.[293]

Nhiều công trình nghiên cứu đã sớm hoàn thành từ những năm 1900 để cung cấp tài liệu khoa học về các rối loạn giấc ngủ. William C. Dement là người tiên phong trong việc nghiên cứu những biến đổi sinh lý khi thiếu hụt giai đoạn REM từ hơn 50 năm trước. Ông đã chỉ đạo và điều hành dự án nghiên cứu giấc ngủ và giấc mơ trên 8 đối tượng tất cả đều là đàn ông. Trong khoảng thời gian 7 ngày, ông đã can thiệp vào giai đoạn REM của tất cả những người tham gia nghiên cứu, bằng cách đánh thức họ khi điện não đồ có những dấu hiệu ám chỉ rằng sắp bước tới giai đoạn này. Trước đó, ông tiến hành đặt những điện cực nhỏ lên vùng da đầu và nơi thái dương để có thể ghi lại các hoạt động điện và theo dõi quan sát. Cuộc nghiên cứu vẫn đang tiếp tục diễn ra, điều đáng ngạc nhiên là ông nhận ra rằng càng "tước đoạt" đi giấc ngủ REM, thì ông càng gặp khó khăn trong việc đánh thức họ, tức là phải đánh thức nhiều lần hơn. Sau đó, những thay đổi hiện rõ và giấc ngủ REM áp đảo hơn so với tiêu chuẩn bình thường, chủ thể đó mất ít thời gian hơn bình thường để đạt được trạng thái REM, và đây là cơ chế khôi phục REM tái thiết lập sự cân bằng sinh học (REM rebound).[294][295]

Nền tảng khoa học thần kinh hành vi của thiếu ngủ cũng được nghiên cứu và phát hiện trong khoảng thời gian gần đây. Tình trạng thiếu ngủ có sự tương quan mạnh mẽ với xác suất xảy ra những tai nạn lao động và nghề nghiệp.[296][297] Nhiều cuộc nghiên cứu đã chỉ ra rằng có sự trì hoãn và chậm trễ trong hoạt động trao đổi chất ở não, khi đối tượng "nợ ngủ" nhiều tiếng.[214] Chưa dừng lại ở đó, thiếu ngủ cũng ảnh hưởng đặc biệt đến mạng thần kinh điều khiển và kiểm soát sự chú ý,[298] và mặc dù những hoạt động thể chất (như đứng hoặc đi bộ) hay tiêu thụ caffeine có thể duy trì phần nào khả năng loại bỏ các tín hiệu nhiễu với mức độ nhất định,[299] nhưng tình trạng thiếu tập trung vẫn không hoàn toàn tránh khỏi.

Thiếu ngủ còn gây ra ảnh hưởng tiêu cực tới các chức năng nhận thức, điển hình là bao gồm các công việc liên quan đến sự phân tán chú ý (đa nhiệm).[296][300][301] Nó cũng tác động lên trên tâm trạng và xúc cảm, và những báo cáo cho thấy rằng "khoản nợ ngủ" có xu hướng làm tăng hoạt tính tình cảm và kích động các trạng thái tâm thần như cơn cuồng nộ, sợ hãi và trầm cảm.[302][303] Tuy rằng, vẫn còn một số chức năng nhận thức cấp cao dường như vẫn không chịu ảnh hưởng nhưng hoạt động chậm hơn.[300] Những hệ quả như thế thay đổi tùy thuộc vào cá thể riêng biệt.[304] Các cơ chế chính xác cho những hiện tượng này vẫn còn bí ẩn và các cuộc nghiên cứu tiếp tục phải được tiến hành cho sự khai thác thêm ý nghĩa mới của sự thiếu ngủ này.