Khoa học thần kinh giấc ngủ
Chức năng ngủ > Xử lý thông tin và đưa vào kho nhớ

Bài chi tiết: Giấc ngủ và trí 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.