cyanic-selkie/wikianc huggingface dataset:
Khoa học thần kinh giấc ngủ
Biến đổi điện hóa trong giấc ngủ REM
Giai đoạn REM (giấc ngủ REM – chiếm 20–25% tổng lượng giấc ngủ của một người trưởng thành ): 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. Buổi sáng thức dậy thường là vào giấc ngủ này, pha REM tăng dần theo thời gian và đạt đỉnh lúc sáng sớm. Các dấu hiệu sinh tồn đã chỉ ra rằng động học não và mức độ tiêu thụ oxy thậm chí còn cao hơn cả lúc thức. 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.
Các mô hình điều hòa giấc ngủ
Vào năm 1982, Borbely đã đưa ra mô hình hai quá trình, 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. 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. 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. 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 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.
Hệ lưới hoạt hóa truyền lên
nhỏ|267x267px|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. 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: :336–338
Nhân xanh và hệ thống tiết norepinephrine
nhỏ|255x255px|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. 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.
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. 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.
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. 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. :136-153
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. 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.
Chức năng ngủ
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. 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%). 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. 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, 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
nhỏ|345x345px|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. 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, 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
nhỏ|260x260px|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 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). 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%. 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. 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.
Phục hồi chức năng sinh học
Sự chữa lành vết thương được cho là chịu ảnh hưởng bởi giấc ngủ. Và tình trạng thiếu ngủ sẽ dẫn đến các thay đổi của hệ miễn dịch. 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. 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.
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." Giấc ngủ sóng chậm được cho là gây ra những thay đổi về hormone, điển hình nhất là hormone tăng trưởng. 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.
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."
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. 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. 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. 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. 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.
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. 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).
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. 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. 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. 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) 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.
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. 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.
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. 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. 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.
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. 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). Những kết quả này càng củng cố thêm vai trò quan trọng của ngủ đối với trí nhớ quy nạp. 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.
Không chỉ dừng lại ở đó, việc ngủ ngắn cũng thể hiện ý nghĩa quan trọng đối với các chức năng nhận thức;      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, 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. 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. 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
nhỏ|263x263px|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. 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.
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. 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. 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).
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. 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, 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. 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). 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.
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. Thuộc tính mềm dẻo thần kinh giảm có thể gắn liền với sự suy giảm chức năng thụ thể NMDA hồi hải mã,  đình trệ sự hoạt hóa ERK/MAPK, kết hợp cùng quá trình tiêu hủy cấu trúc đuôi gai, sự hoại biến của các mRNA liên quan đến chức năng mềm dẻo và cả protein,  và nồng độ PDE4 và adenosine ngoại bào cũng đồng thời tăng lên theo đó.
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.
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).
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. 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. Chưa dừng lại ở đó, thiếu ngủ cũng ảnh hưởng đặc biệt đến mạng thần kinh điều khiển và kiểm soát sự chú ý, 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, 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). 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. Tuy rằng, vẫn còn một số chức năng nhận thức cấp cao dường như vẫn không chịu ảnh hưởng nhưng hoạt động chậm hơn. Những hệ quả như thế thay đổi tùy thuộc vào cá thể riêng biệt. 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.
Các rối loạn giấc ngủ
Rối loạn giấc ngủ về mặt y khoa là những bất thường sinh lý ảnh hưởng trên giấc ngủ bình thường ở người hay động vật. Trong đó, đo đa ký giấc ngủ (polysomnography) là một kỹ thuật phổ biến được dùng để chẩn đoán một số rối loạn giấc ngủ. Rối loạn giấc ngủ được phân loại một cách rộng rãi thành chứng khó ngủ (dyssomnias), bệnh mất ngủ giả (parasomnias), rối loạn giấc ngủ nhịp sinh học (CRSD), và các rối loạn khác bao gồm cả những bệnh tâm lý thần kinh, điển hình là bệnh mất ngủ do ký sinh trùng hay còn gọi là bệnh ngủ châu Phi (sleeping sickness). Một số rối loạn giấc ngủ thường gặp (và điển hình) bao gồm có chứng mất ngủ (thể mạn), hiện tượng ngưng thở khi ngủ (nhịp thở thấp một cách bất thường trong giấc ngủ), chứng ngủ rũ (tình trạng ngủ quá mức cần thiết trong những thời điểm không thích hợp), tê liệt nhất thời (sự mất trương lực và sức mạnh của cơ thoáng qua một cách đột ngột, nguyên nhân thường do kích thích xúc cảm mãnh liệt), và bệnh buồn ngủ (can thiệp và phá vỡ chu kỳ ngủ do các tác nhân ký sinh). Những rối loạn khác vẫn đang được nghiên cứu kỹ gồm có chứng mộng du, hội chứng giấc ngủ kinh hoàng, và đái dầm.
Việc nghiên cứu về các rối loạn giấc ngủ được xem là rất hữu ích, nhằm tìm hiểu vùng nào của não sẽ bị ảnh hưởng và các chức năng liên quan chuyển đổi như thế nào. Điều này được thực hiện bằng việc so sánh mẫu mô sinh thiết nhỏ và hình ảnh quét được từ não giữa đối tượng mang rối loạn thần kinh và nhóm đối chứng. Điều trị các rối loạn giấc ngủ điển hình với các phương pháp đặc trưng như là tâm lý liệu pháp hay trị liệu hành vi nhận thức, ngoài ra các phương pháp khác có thể cũng được dùng đến. Sự chọn lựa thấu đáo về phương pháp luận trong nghiên cứu khoa học cách thức điều trị, phù hợp với tình trạng cụ thể của bệnh nhân và phụ thuộc vào chẩn đoán xác định, tiền sử bệnh tâm thần, sở thích cá nhân, cũng như là khả năng chuyên môn của thầy thuốc điều trị. Việc sử dụng các loại thuốc để điều trị hay liệu pháp tâm lý hành vi được cho là có sự tương thích, và có thể kết hợp một cách hiệu quả để tối ưu hóa các lợi ích liệu pháp.