Khoa học thần kinh giấc ngủ
Sự vận hành của não bộ trong quá trình ngủ > Diễn biến giấc ngủ NREM

Giấc ngủ NREM đặc trưng bởi sự suy giảm lưu lượng dòng máu đến toàn bộ não. Nó cấu thành xấp xỉ khoảng 80% tổng thời gian ngủ ở người trưởng thành. Thoạt đầu, người ta cho rằng cấu trúc thân não – cơ quan tập hợp nhiều nhân xám với chức năng duy trì dòng chảy của ý thức – sẽ bị bất hoạt hoàn toàn trong lúc quá trình ngủ diễn ra, nhưng sau đó đã có các nghiên cứu dùng kỹ thuật ghi hình bằng bức xạ positron (PET) với độ phân giải còn thấp, giúp ghi lại các hoạt động chuyển hóa ở mức độ tế bào, phân tử. Kết quả cho thấy rằng là vẫn còn ngấm ngầm hoạt động sóng chậm diễn ra tại thân não. Tuy nhiên là, những phần khác của não bộ, bao gồm có hồi trước chêm (precuneus), nền não trước (basal forebrain), các nhân nền (basal ganglia) đều bị bất hoạt trong trạng thái ngủ. Nhiều địa hạt vỏ não cũng đồng thời bị bất hoạt, nhưng với mức độ khác nhau. Ví dụ như là, vùng vỏ não trước trán dưới trong (vmPFC) hay còn gọi là vùng vỏ thùy giữa trán, được xem là bị bất hoạt mạnh nhất, trong khi đó đối với vùng vỏ não sơ cấp thì ngược lại.
Giấc ngủ NREM đặc trưng bởi tính chất dao động chậm, những đợt sóng nhanh tự phát (spindle) và sóng delta. Dựa trên các quan sát thực nghiệm, sự xuất hiện của những bước sóng chậm được cho là bắt nguồn từ vỏ não, và khi có những tổn thương xảy ra từ những vùng khác như các cấu trúc dưới vỏ thì không ảnh hưởng đáng kể lắm đến hoạt động điện não này. Sóng delta được tạo nên bởi những vùng nơron giữa cấu trúc đồi thị và lớp vỏ, trong đó có thể hiện sự liên kết của các mạch nơron tương ứng. Trong quá trình ngủ, đồi thị ngừng chuyển giao thông tin cảm giác cho não bộ, tuy nhiên là nó vẫn có thể tự sản sinh ra các xung động thần kinh thông qua các sợi chiếu truyền thẳng lên vỏ não. Những dạng sóng này được tạo ra trong đồi thị ngay cả khi vỏ não không hiện diện, nhưng dưới các luồng xung gai ly tâm từ vỏ não, các dao động như thế này có thể diễn ra một cách đồng thời bởi sự đốt cháy của các cụm nơron lớn, điều này có nghĩa rằng là chính sự hiện diện của vỏ não đã làm cho các sóng do cấu trúc đồi thị phát ra trở nên mạnh hơn và có tính đồng bộ cao hơn. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, chỉ bằng việc phá hủy vỏ não một bên, không chỉ hủy hoại các chức năng của đồi thị trong việc tạo ra dao động thoi (spinde), mà còn "san bằng" sự mạch lạc của các dao động với quy mô lớn. Trong đó nhân lưới của cấu trúc đồi thị được coi là bộ máy tạo nhịp (pacemaker), và chịu trách nhiệm cho việc tạo ra các thoi ngủ trong giai đoạn ngủ NREM. Thật vậy điều này đã được chứng minh bằng cách kích thích xung điện vào đồi thị, sẽ dẫn đến sự phát sinh thứ phát và tăng cường quá trình khử cực của các nơron vùng vỏ, và hơn nữa là làm tăng biên độ các xung thần kinh, kết quả là các điện thế hoạt động này tự duy trì chính nó thông qua cơ chế điều hòa ngược dương tính giữa vỏ não và đồi thị. Những nhà khoa học cho rằng đợt sóng thoi giai đoạn NREM là thiết yếu trong việc ngắt các luồng tín hiệu cảm giác hướng tâm lên vỏ não, và đồng thời là cho phép dòng chảy của các ion calci đi vào bên trong tế bào thần kinh, chính vì lẽ đó nên khả năng đóng vai trò quan trọng trong xây dựng Tính tạo hình thần kinh (neuroplasticity).