Sóng não thay đổi như thế nào trong khi ngủ

Các mẫu sóng não trong các giai đoạn giấc ngủ

Giấc ngủ được tổ chức thành các chu kỳ lặp đi lặp lại thay vì một trạng thái đồng nhất duy nhất. Giấc ngủ không chuyển động mắt nhanh (Non-REM) tiến triển từ giấc ngủ nông sang giấc ngủ sóng chậm sâu hơn, tiếp theo là các khoảng thời gian ngủ REM kéo dài hơn vào cuối đêm. Sóng não giúp phân biệt các giai đoạn này, nhưng việc phân chia giai đoạn giấc ngủ cũng xem xét chuyển động của mắt, trương lực cơ, nhịp thở và các tín hiệu khác.

Giai đoạn N1: Sóng não Alpha khởi đầu giấc ngủ

Giai đoạn N1 là bước chuyển tiếp ngắn từ trạng thái thức sang ngủ. Hoạt động alpha, điển hình của trạng thái thức tỉnh thư giãn, giảm dần khi hoạt động theta chậm hơn trở nên nổi bật hơn. Hoạt động của cơ bắt đầu thả lỏng, nhận thức về môi trường mờ nhạt dần, và mọi người có thể trải qua những suy nghĩ trôi dạt hoặc cảm giác rơi tự do ngắn ngủi.

N1 thường không được coi là giấc ngủ sâu phục hồi. Đó là một trạng thái ngưỡng, và những kích thích ngắn có thể đưa não trở lại trạng thái tỉnh táo. Do đó, sự hiện diện của hoạt động alpha gần thời điểm bắt đầu giấc ngủ không có nghĩa là não đã bước vào giai đoạn giấc ngủ sâu hoặc ổn định.

Giai đoạn N2: Sóng não tốt nhất cho giấc ngủ sâu

Giai đoạn N2 vẫn là giấc ngủ non-REM từ nông đến trung bình, mặc dù nó thường chiếm một phần lớn thời gian trong đêm. Bản ghi EEG cho thấy nền hoạt động theta bị ngắt quãng bởi thoi giấc ngủ và phức hợp K, hai đặc điểm đặc trưng được sử dụng trong phân giai đoạn giấc ngủ chính thức. Những sự kiện này phản ánh những thay đổi có tổ chức trong hoạt động của não hơn là một nhịp điệu liên tục duy nhất.

Giai đoạn N3: Giấc ngủ sâu (Giấc ngủ sóng chậm)

Giai đoạn N3 là giai đoạn non-REM sâu nhất và được đặc trưng bởi các sóng chậm nổi bật, biên độ cao, thường được mô tả là hoạt động delta. Việc thức dậy từ N3 khó hơn so với giấc ngủ nông hơn, và giai đoạn này tập trung nhiều hơn vào đầu đêm sinh học đối với nhiều người. Lượng và biểu hiện của giấc ngủ sóng chậm có thể thay đổi theo độ tuổi, giấc ngủ trước đó, thời gian sinh học và sức khỏe.

Giấc ngủ REM: Giai đoạn mơ

Giấc ngủ REM liên quan đến những giấc mơ sống động ở nhiều người, chuyển động mắt nhanh và sự giảm rõ rệt của trương lực cơ xương. Mô hình EEG của nó thường có biên độ thấp và tần số hỗn hợp, khiến nó giống với trạng thái thức hơn là giấc ngủ N3. Hoạt động theta và các nhịp điệu khác có thể xuất hiện, nhưng REM được xác định thông qua mô hình kết hợp của các tín hiệu não, mắt và cơ.

Cách não chuyển đổi từ trạng thái thức sang ngủ

Sự chuyển tiếp từ trạng thái thức sang ngủ là một sự dịch chuyển phối hợp trong cách vỏ não và đồi thị giao tiếp, một sự chuyển đổi trong chế độ hoạt động mặc định của não. Mạng lưới kết nối các vùng này, được gọi là hệ thống đồi thị - vỏ não, tạo ra phần lớn hoạt động điện nhịp nhàng được ghi lại ở da đầu.

Trong trạng thái thức, các tế bào thần kinh trong hệ thống này hoạt động không đều và phản ứng có chọn lọc với thông tin cảm giác truyền vào. Khi giấc ngủ bắt đầu, cùng một mạng lưới chuyển sang một mô hình đồng bộ hóa cao được chi phối bởi các dao động chậm của điện thế màng, điện áp trên màng của mỗi tế bào thần kinh.

Trong nhịp điệu này, một tế bào thần kinh vỏ não luân phiên giữa trạng thái cực hóa sâu (down-state), khi nó gần như im lặng, và trạng thái khử cực (up-state), khi nó hoạt động mạnh mẽ. Chu kỳ lặp lại ở tần số dưới 1 Hz.

Mô hình hóa quá trình chuyển đổi thần kinh từ thức sang ngủ

Hiểu được quá trình chuyển đổi này đòi hỏi phải chuyển từ các tế bào thần kinh đơn lẻ sang các mạng lưới lớn. Một mô hình máy tính quy mô lớn, được xây dựng từ hàng nghìn tế bào thần kinh với một số dòng điện nội tại và hàng triệu mối liên kết giữa vỏ não thị giác và các nhân đồi thị, đã tái hiện lại cả hai mô hình hoạt động lúc thức và lúc ngủ.

Trong chế độ thức, mô hình cho thấy hoạt động tự phát không đều và các phản ứng có chọn lọc đối với đầu vào thị giác. Trong chế độ ngủ, những thay đổi điều hòa thần kinh đẩy mạng lưới vào các dao động chậm giống hệt với các dao động được ghi lại trong mô sống.

Khảo sát hệ thống của mô hình này cho thấy sự gia tăng độ dẫn rò rỉ kali là đủ để kích hoạt quá trình chuyển đổi từ trạng thái thức sang ngủ. Khi mạng lưới đi vào chế độ ngủ, sự kích hoạt các dòng natri bền bỉ sẽ khởi đầu trạng thái up-state.

Sự kết hợp giữa các dòng điện nội tại và khớp thần kinh sau đó duy trì trạng thái up-state đó, trong khi các dòng kali được kích hoạt bởi khử cực và sự suy giảm khớp thần kinh sẽ chấm dứt nó. Các kết nối vỏ não-vỏ não sau đó đồng bộ hóa dao động chậm trên khắp vỏ não. Nhịp điệu tế bào này là một động cơ cơ bản của hoạt động não khi ngủ, một động cơ tổ chức các sóng não khác trong suốt đêm.

Sóng chậm lan truyền: Bản thiết kế không-thời gian cho giấc ngủ

Dao động chậm có thể bắt đầu như một sự kiện tế bào, nhưng nó không duy trì cục bộ. Sử dụng EEG mật độ cao, các nhà nghiên cứu Massimini và các đồng nghiệp đã chỉ ra rằng mỗi chu kỳ của dao động chậm là một sóng lan truyền. Thay vì kích hoạt toàn bộ vỏ não cùng một lúc, sóng bắt nguồn tại một vị trí xác định và di chuyển trên da đầu với tốc độ ước tính từ 1.2 đến 7.0 mét mỗi giây.

Hầu hết các sóng phát sinh ở các vùng phía trước, thường là ở vùng trước trán và vùng trán ổ mắt ngay phía sau trán, và lan truyền về phía sau não theo hướng từ trước ra sau. Khi giấc ngủ sâu hơn, các sóng này xảy ra thường xuyên hơn, cuối cùng đạt gần một lần mỗi giây. Nhịp điệu tăng tốc này bắt đầu đồng bộ với các sóng delta biên độ cao đặc trưng cho các giai đoạn sâu nhất của giấc ngủ NREM.

Điều làm cho mô hình không gian này có ý nghĩa quan trọng là tính lặp lại của nó. Các vị trí bắt nguồn và con đường lan truyền của các dao động chậm có thể tái lập qua các đêm khác nhau và thậm chí giữa những người khác nhau. Sự nhất quán đó gợi ý rằng sóng lan truyền hoạt động giống như một bản đồ về khả năng kết nối và hưng phấn của vỏ não từng cá nhân, phản ánh hệ thống dây thần kinh cơ bản của mỗi bộ não khi ngủ.

Hơn nữa, cùng một làn sóng phối hợp đó cũng có thể đóng một vai trò trong việc học tập. Tính mềm dẻo của khớp thần kinh phụ thuộc vào thời gian phát xung là một cơ chế thần kinh trong đó thời gian chính xác giữa các sự kiện phát xung quyết định khớp thần kinh mạnh lên hay yếu đi.

Khi một làn sóng hoạt động tương quan lan truyền qua các tế bào thần kinh được kết nối, nó có thể tạo ra các mối quan hệ thời gian thúc đẩy dạng tính mềm dẻo này trong khi ngủ. Do đó, dao động chậm lan truyền được cho là cung cấp một khuôn khổ không gian và thời gian để tổ chức lại các kết nối vỏ cortex trong suốt đêm.

Cách các thoi giấc ngủ và gợn sóng củng cố trí nhớ

Một trong những chức năng chính của sóng dao động chậm dường như là tổ chức các nhịp điệu giấc ngủ nhanh hơn, đặc biệt là thoi giấc ngủ và gợn sóng sắc nhọn.

Thoi giấc ngủ là các đợt bùng phát ngắn của hoạt động dao động trong một băng tần số riêng biệt, và các gợn sóng sắc nhọn là những sự kiện thậm chí còn nhanh hơn, các dao động ngắn gần 200 Hz được tạo ra bởi hoạt động phát xung đồng bộ chặt chẽ trong hồi hải mã. Dao động chậm cung cấp một cấu trúc thời gian lặp đi lặp lại, và trong cấu trúc đó, các sự kiện nhanh hơn tìm thấy thời điểm của chúng.

Khi các nhịp điệu nhanh hơn này lồng vào các pha cụ thể của dao động chậm hơn, não đang thực hiện một hình thức ghép nối chéo tần số, một mối quan hệ thời gian trong đó các nhịp điệu chậm hơn áp đặt trật tự lên các nhịp điệu nhanh hơn. Sự ghép nối này được coi là trung tâm của cách giấc ngủ hỗ trợ trí nhớ.

Bằng chứng trực tiếp đến từ các bản ghi ghi lại tế bào thần kinh hồi hải mã trong giấc ngủ sóng chậm ở chuột. Hồi hải mã đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi trải nghiệm thành các dấu vết thần kinh ổn định, và trong giấc ngủ sóng chậm, nó tự phát kích hoạt lại các mô hình hoạt động từ hành vi thức trước đó.

Một cách để đo lường sự tái kích hoạt này là theo dõi các mối tương quan tỷ lệ phát xung theo cặp, xu hướng các cặp tế bào hình tháp CA1 phát xung cùng nhau. Sự phân bố của các mối tương quan này trong một trải nghiệm quen thuộc giải thích một phần đáng kể sự biến thiên trong các mô hình phát xung trong giấc ngủ sóng chậm tiếp theo và trạng thái thức yên tĩnh.

Sự phục hồi mạnh mẽ nhất được báo cáo là xảy ra trong các dao động gợn sóng sắc nhọn. Thời gian đó gợi ý các gợn sóng có thể là những thời điểm mạng lưới hồi hải mã hội tụ vào các trạng thái hút (attractor states), các mô hình hoạt động ổn định tương ứng với các trải nghiệm trước đó.

Tại sao nhịp điệu não bộ ban đêm lại quan trọng đối với trí nhớ và sự tỉnh táo

Giấc ngủ là một quá trình thần kinh tích cực, có cấu trúc cao được thúc đẩy bởi một chuỗi các nhịp điệu điện chính xác. Sự chuyển tiếp liền mạch từ hoạt động phát xung đồi thị - vỏ não lúc thức sang các dao động chậm, đồng bộ dưới 1 Hz khởi đầu một sự dịch chuyển toàn cầu phối hợp toàn bộ vỏ não.

Khi những sóng chậm lan truyền này truyền đi dọc theo những con đường nhất quán, chúng lập bản đồ kết nối thần kinh cá nhân và thiết lập một sân khấu không-thời gian cho tính mềm dẻo của khớp thần kinh. Trong khuôn khổ sóng chậm này, việc lồng ghép các thoi giấc ngủ nhanh hơn và các gợn sóng sắc nhọn của hồi hải mã—được gọi là ghép nối chéo tần số—cho phép não tái hiện và củng cố ký ức về các trải nghiệm lúc thức.

Cuối cùng, việc hiểu được các dao động đồng bộ, phức tạp này tiết lộ cách giấc ngủ hoạt động như một động cơ quan trọng cho sự tái tổ chức thần kinh, củng cố trí nhớ và duy trì nhận thức tổng thể.

Tài liệu tham khảo

1. Hill, S., & Tononi, G. (2005). Modeling sleep and wakefulness in the thalamocortical system. Journal of neurophysiology, 93(3), 1671-1698. https://doi.org/10.1152/jn.00915.2004

2. Massimini, M., Huber, R., Ferrarelli, F., Hill, S., & Tononi, G. (2004). The sleep slow oscillation as a traveling wave. The Journal of Neuroscience, 24(31), 6862-6870. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.1318-04.2004

3. Kudrimoti, H. S., Barnes, C. A., & McNaughton, B. L. (1999). Reactivation of hippocampal cell assemblies: effects of behavioral state, experience, and EEG dynamics. The Journal of Neuroscience, 19(10), 4090-4101. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.19-10-04090.1999

4. Prerau, M. J., Brown, R. E., Bianchi, M. T., Ellenbogen, J. M., & Purdon, P. L. (2017). Sleep neurophysiological dynamics through the lens of multitaper spectral analysis. Physiology, 32(1), 60-92. https://doi.org/10.1152/physiol.00062.2015

Các câu hỏi thường gặp

Điều gì xảy ra trong não khi chúng ta ngủ thiếp đi?

Sự chuyển tiếp từ trạng thái thức sang ngủ là một sự dịch chuyển phối hợp trong cách vỏ não và đồi thị—hệ thống đồi thị - vỏ não—giao tiếp. Các tế bào thần kinh thay đổi từ việc phát xung không đều để phản ứng với đầu vào cảm giác sang phát xung theo một mô hình đồng bộ hóa cao được chi phối bởi các dao động chậm.

Dao động chậm là gì?

Dao động chậm là một nhịp điệu trong đó một tế bào thần kinh vỏ não luân phiên giữa trạng thái cực hóa sâu (down-state) gần như im lặng và trạng thái khử cực (up-state) hoạt động, lặp lại ở tần số dưới 1 Hz. Nó hoạt động như một động cơ cơ bản tổ chức các nhịp điệu não khác trong đêm.

Sóng chậm lan truyền là gì?

Mỗi chu kỳ của dao động chậm là một sóng lan truyền bắt nguồn tại một vị trí cụ thể, thường là ở các vùng phía trước của não, và truyền về phía sau. Các vị trí bắt đầu và con đường lan truyền có thể tái lập qua các đêm và các cá nhân khác nhau, cho thấy chúng phản ánh hệ thống dây thần kinh và kết nối cơ bản của não.

Giấc ngủ giúp củng cố trí nhớ như thế nào?

Trong giấc ngủ sóng chậm, hồi hải mã tái kích hoạt các mô hình hoạt động từ các trải nghiệm thức trước đó, với sự tái kích hoạt mạnh nhất xảy ra trong các gợn sóng sắc nhọn. Dao động chậm tổ chức các nhịp điệu nhanh hơn như thoi giấc ngủ và gợn sóng, và sự ghép nối này là trung tâm của việc củng cố trí nhớ.