Khoa học thần kinh giấc ngủ
Giấc mơ

Bài chi tiết: Giấc mơ
Hiện tượng mơ chính là hàng loạt các hình ảnh, suy nghĩ, cảm xúc, cảm giác vận hành một cách tương tục, và xuất hiện một cách không tùy ý trong tâm trí trong các giai đoạn giấc ngủ (chủ yếu là giai đoạn REM). Nội dung và mục đích của giấc mơ cho đến hiện tại vẫn hoàn toàn chưa được hiểu rõ, dù rằng đã có nhiều lý thuyết ra đời mang tính chất gợi ý. Khoa học nghiên cứu giấc mơ được biết đến qua thuật ngữ oneirology, tức môn mộng học.
Đã có nhiều lý thuyết cố gắng mô hình hóa dựa trên nền tảng thần kinh cho giấc mơ. Điều này bao gồm cả lý thuyết phát động tổng hợp — phát biểu rằng mơ là kết quả của quá trình hoạt hóa thân não trong giấc ngủ REM; lý thuyết hoạt hóa liên tục — ám chỉ rằng là dù ý thức có hay không sự hiện hữu, não bộ luôn luôn trong trạng thái hoạt động để duy trì các chức năng thích đáng và hoàn chỉnh. Việc tổng hợp nên giấc mơ và giai đoạn REM đều chịu sự chi phối của nhiều cấu trúc khác nhau trong não, khi đến thời điểm thích hợp sẽ được kích hoạt; và việc ngủ mơ sẽ kích thích sự hình thành ký ức dài hạn — lý thuyết này đã tuyên bố rằng quá trình truyền động cho sự lưu giữ ký ức dài hạn diễn ra ưu thế trong thời gian cá thể thức, tuy nhưng đối với giấc ngủ lại khác, các thay đổi này sẽ được kiểm soát và có được chuyển động biểu kiến của những phân tử nhớ.
Ngoài ra cũng có nhiều lý thuyết khoa học khác nhằm mô tả chức năng của mơ. Một số nghiên cứu khẳng định rằng chính giấc mơ sẽ tăng cường trí nhớ ngữ nghĩa. Lý luận này dựa trên thuộc tính truyền tin cho nhau giữa hồi hải mã và cấu trúc vỏ não mới, và cũng là do mối liên hệ cơ sở giữa ngủ và nhớ. Cũng có một nghiên cứu đưa ra giả thuyết là mơ sẽ xóa các dữ liệu tạp nham và phế thải trong bộ nhớ não. Hơn nữa các chức năng khác của mơ bao gồm có xử lý cảm xúc thích ứng với hoàn cảnh và điều chỉnh lại tâm trạng. Dựa trên dữ liệu thực nghiệm, sự trải nghiệm giấc mơ dữ không hoàn toàn là có hại, các vùng não chịu trách nhiệm cho việc kiểm soát cảm xúc đã phản ứng với các tình huống gây sợ hãi có hiệu quả hơn nhiều. Người ta cũng phát hiện ra là có mối tương quan đáng kể về các kích thích gây ra đáp ứng lo lắng và sợ hãi giữa trạng thái thức và ngủ, tức là con đường vận hành thần kinh diễn ra trong cùng một thể thức với cùng một cơ quan (thùy đảo và vỏ não đai giữa). Các nghiên cứu cũng chứng minh rằng các vùng thùy đảo, vỏ não đai, hạch hạnh nhân đóng vai trò trong việc quản lý cảm xúc sẽ bị ít kích hoạt hơn khi gặp những cảm xúc tiêu cực nhiều trong giấc mơ, trong khi đó vùng vỏ não trước trán trong (mPFC) có xu hướng hoạt động mạnh mẽ để áp đảo các xúc cảm như thế, giới chuyên gia cho rằng là vùng mPFC đóng vai trò điều hòa đáp ứng cho các kích thích mang tính đe dọa thông qua việc điều chỉnh hoạt động thể hạnh nhân. Cụ thể hơn, mPFC có tác dụng kiểm soát ức chế các biểu hiện sợ hãi bằng cơ chế giảm tải các tín hiệu đầu ra của hạnh nhân, vùng này được cho là gắn liền với dạng học tập dập tắt (extinction learning). Tất cả đều nhất quán với các tuyên bố trước rằng là vai trò của mơ có thể kiêm luôn cả việc điều hòa cảm xúc.
Đứng từ quan điểm tiến hóa, giấc mơ có thể mô phỏng và gợi lại các sự kiện được cho là nguy hiểm, điều này phổ biến ngay trong môi trường nguyên thủy mà khi đó tổ tiên của các sinh vật ngự trị, bằng những sự "tập dượt giả lập" trong mơ đó vì thế chúng sẽ có thể đối phó với các mối nguy hiểm một cách linh động. Nguyên nhân này đã dẫn đến các biến đổi mang tính di truyền qua các thế hệ, khi những sự kiện mang tính sống còn không còn nữa, thay vào đó toàn bộ diễn biến và hiện tượng được lưu trữ lại dưới dạng các gen ký ức. Lý thuyết này cũng có sự thống nhất với lời tuyên bố rằng giấc ngủ REM chính là biến đổi tiến hóa và ngày càng hoàn thiện, của một cơ chế phòng vệ đã được biết đó là phản xạ chết cứng.
Nhiều lý thuyết về chức năng mơ đã mâu thuẫn nhau và nảy sinh tranh cãi, nhưng nhìn chung là các chức năng ngắn hạn có thể tác động qua lại, phối hợp để tạo ra thay đổi sinh lý dài hạn. Đáng lưu ý rằng vẫn chưa có các bằng chứng nào đủ sức thuyết phục nhằm chứng minh các lý thuyết này là đúng.
Sự tổ chức các sự kiện nhớ trong lúc thức vào giấc mơ cũng được nghiên cứu tích cực, và nhiều nhà khoa học họ đã cố gắng chứng minh chức năng mơ có thể bao gồm cả việc củng cố trí nhớ tình tiết.
Các nhà khoa học cũng nghiên cứu cơ sở thần kinh của những ác mộng. Những cuộc nghiên cứu xác nhận sự tăng tần suất các cơn ác mộng có mối tương quan nhất định với mức độ stress cao. Nhiều mô hình mô tả quá trình hình thành ác mộng bao gồm mô hình tân Freud, và các mô hình khác chẳng hạn mô hình bối cảnh hóa hình ảnh, mô hình ranh giới ảo, mô hình giả lập mối đe dọa,... Tình trạng mất cân bằng các hóa chất dẫn truyền điện năng cũng được xem như là gây ra các giấc mơ đáng sợ, cũng như có sự loạn năng trong hệ thống mạng thần kinh- một mô hình mà khẳng định rằng giấc mơ xấu là kết quả của sự rối loạn các chức năng bình thường của mạch nơron liên quan đến việc mã hóa và kiến tạo giấc mơ. Cũng giống như thế, các mô hình này không đưa ra được các bằng chứng cụ thể nào, cũng như đưa ra các kết luận đáng tin cậy, và cần thêm nhiều cuộc nghiên cứu hơn nữa trong tương lai để giải đáp cho những thắc mắc mà giới khoa học hiện đang phải đối mặt.
Các sợi trục cholinergic đã được đánh dấu với sự hiện diện của nhiều cúc thần kinh trong mỗi sự phân nhánh của cấu trúc lồi não dưới (IC, hay còn gọi là gò não dưới). (A–C) các nhân trần cuống cầu não (PPT) với các sợi cholinergic biểu hiện protein mCherry trong (A) nhân xám trung tâm của vùng IC (ICc), (B) phần vỏ bên của lồi não dưới (IClc), (C) phần vỏ sau của lồi não dưới (ICd). (D–F) các sợi cholinergic của PPT biểu hiện protein EYFP trong (D) vùng ICc, (E) vùng IClc, (F) vùng ICd. Vạch trắng hình (F) ước lượng khoảng cách là 25 μm, và cũng áp dụng cho từ hình (A–F). (G) Mô phỏng các sợi cholinergic đánh dấu bằng EYFP trong cả vùng ICc và vùng IClc (phân chia qua đường đứt nét), bao gồm cả các sợi trục xuyên ranh giới (dấu hoa thị), nhằm cho các cúc tận cùng lên cả hai vùng này. Các nhân trần cuống cầu não này cho các nhánh đến đồi thị, thực hiện việc điều hòa chu kỳ ngủ - thức, và các sợi cholinergic được xem là các nơron "REM-on".
Một con hổ đang ngủ tại vườn bách thú nước Australia
Một loài Passer domesticus đang trong giấc ngủ sóng chậm một bên bán cầu đại não (USWS).
Những thay đổi đáng kể trong mật độ chất xám giữa người ngủ đủ giấc (RW) và người thiếu ngủ (SD). Có hiệu chỉnh TFCE và p < 0.05. Trong đó những vùng não quan sát được đó là cực trán phải (FP, hình A), hồi trán trên phải (SFG, hình B), và hồi trán giữa phải (MFG, hình C). Khung màu vàng đánh dấu những vùng não quan trọng. Các chỉ số x, y, z ở dưới bức hình tương ứng tọa độ không gian MNI.
Hình ảnh minh họa cho thấy một đứa trẻ đang ngủ.
Điện não đồ của giấc ngủ sóng chậm
Điện não đồ của giấc ngủ REM
Biểu đồ ngủ (hypnogram) mô tả cơ cấu giấc ngủ từ khoảng thời gian nửa đêm đến 6:30 sáng, cho thấy giấc ngủ sóng chậm chủ yếu ở trong giai đoạn đầu của giấc ngủ, sau đó càng về sau cho đến khi thức giấc thì giai đoạn REM nhiều hơn. (Hiện tại NREM 3 và 4 đã gộp chung lại thành giai đoạn NREM 3.)
PSG quan sát được trong 30 giây của giấc ngủ REM. Khung đỏ đánh dấu thể hiện các chuyển động mắt trên các đối tượng.
Một epoch 30 giây ghi lại được giấc ngủ sâu giai đoạn N3.
Cấu trúc nhân trên chéo (SCN, màu đỏ) - nhìn từ mặt bên
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.
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.
Một con sư tử đang ngủ tại vườn bách thú Melbourne, thuộc thủ đô nước Úc.
Các tế bào hình sao (màu lục) và kênh aquaporin-4 (màu tím).
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).
Minh họa phân tử BDNF điển hình.
"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.
"Chàng kỵ sĩ mộng mơ", bức tranh với phong cách vanitas được vẽ vào khoảng những năm 1650 bởi người Tây Ban Nha Antonio de Pereda.