Bản chất giấc ngủ

Năm 1953, Nathaniel Kleitman và người học trò Eugene Aserinsky, Đại học Chicago, phát hiện giấc ngủ được đánh dấu bằng các giai đoạn cử động mắt nhanh, viết tắt là REM trong tiếng Anh. Đó là giấc ngủ REM. Mọi động vật có vú sống trên cạn đều có giấc ngủ REM xen giữa giấc ngủ thường, được gọi là giấc ngủ yên tĩnh, theo một chu kì đều đặn.

(Ảnh: sonnosleepcenter)

Vài chục năm qua, khoa học đi sâu khám phá bản chất giấc ngủ ở mức tế bào thần kinh. Hiện đã có kỹ thuật định hướng cho các dây dẫn rất nhỏ (khoảng 32 micron, nhỏ hơn sợi tóc nhỏ nhất) vào các vùng não khác nhau. Chúng không gây đau, ghi được hoạt động của não khi thức và khi ngủ.

Đúng như mong đợi, chúng cho thấy hầu hết neuron đạt hay gần đạt mức hoạt động cực đại khi thức. Nhưng khi ngủ thì hoàn toàn khác. Mặc dù tư thế bất động hay sự ít đáp ứng như nhau, nhưng bộ não hành xử hoàn toàn khác nhau trong hai giấc ngủ REM và không REM.

Trong giấc ngủ yên tĩnh, hầu hết tế bào thân não (vùng não tiếp nối với tủy sống) giảm hay ngừng phóng lực,trong khi hầu hết tế bào vỏ não và các vùng não trán chỉ giảm hoạt động chút ít. Tuy nhiên, hình thái hoạt động chung mới đáng chú ý nhất. Khi thức, neuron thường hoạt động đơn lẻ, theo sự phân công chức năng chung.

Đặc biệt, một nhóm nhỏ tế bào, khoảng 100 ngàn ở người, ở đáy não trán chỉ hoạt động mạnh nhất trong giấc ngủ yên tĩnh. Đó là các neuron tạo giấc ngủ. Tín hiệu chính xác hoạt hóa neuron tạo giấc ngủ chưa được biết đầy đủ, nhưng tăng thân nhiệt khi đang thức sẽ hoạt hóa một số tế bào. Đó là lý do ta thấy buồn ngủ khi tắm nước nóng hay vào buổi trưa hè nực nội.

Hoạt tính não trong giấc ngủ REM lại giống khi thức. Các sóng não cũng có điện thế thấp do tế bào hoạt động riêng lẻ. Và hầu hết tế bào não trán và thân não hoạt động bình thường, truyền tín hiệu cho nhau với nhịp độ thậm chí cao hơn khi thức. Năng lượng não tiêu thụ cũng cao như khi thức. Hoạt tính tế bào mạnh đi kèm với cử động mắt khiến giấc ngủ được gọi là REM. Một số tế bào thân não tạo ra tình trạng đó và được gọi là tế bào giấc ngủ REM.

Hầu hết các giấc mơ rõ ràng (mà ta kể lại được khi thức giấc) xuất hiện trong giấc ngủ REM, và mơ thường đi kèm với hoạt hóa hệ vận động của não, mà lúc thức chỉ hoạt động khi ta đi lại. May mắn là mộng du ít xảy ra trong REM nhờ hai cơ chế bổ sung nhau. Não ngừng tiết các chất hoạt hóa hệ tế bào vận động (loại tế bào điều khiến chức năng vận động) và giải phóng chất ức chế các tế bào này. Nhưng hai cơ chế này không tác động các tế bào điều khiển cơ mắt, nên mắt vẫn cử động trong giấc ngủ REM.

Khi con người ngủ, họ cảm thấy các hoạt động của mắt nhanh chóng rơi vào thế nghỉ ngơi. (Ảnh: sfn.org)

Giấc ngủ REM, tác động tới các cấu trúc não điều khiển các cơ quan nội tạng. Vì thế, trong giấc ngủ REM nhịp tim và hô hấp cũng không đều đặn như khi thức. Thân nhiệt kém điều hòa và có xu hướng dịch về nhiệt độ môi trường, như các loài rắn. Thường thấy cương dương ở nam và hoạt tính tương ứng ở nữ, mặc dù ít gặp giấc mơ về tình dục.

Chức năng của giấc ngủ

Trong một hội nghị quốc tế năm 2003, đa số học giả nhất trí giấc ngủ vẫn còn là bí ẩn. Và một cách để khám phá bí ẩn là theo dõi những thay đổi sinh lý và hành vi khi thiếu ngủ. Hơn 10 năm trước các nghiên cứu đã cho thấy chuột mất ngủ hoàn toàn sẽ chết do mất quá nhiều nhiệt (chúng sút cân dù ăn nhiều hơn). Chúng chết trong vòng 10 - 20 ngày, nhanh hơn chết đói nhưng ngủ bình thường. ở người, một bệnh thoái hóa não rất hiếm gặp gây mất ngủ có tiền sử gia đình cũng dẫn đến cái chết sau vài tháng.

Nghiên cứu cho thấy, nhu cầu ngủ tăng lên ngay cả khi giấc ngủ ban đêm giảm không đáng kể. Ngủ khi lái xe hay làm việc cũng nguy hiểm như uống rượu. Và tăng thời gian ngủ bằng thuốc ngủ không mang lại lợi ích rõ rệt nào mà còn giảm thọ.

Nghiên cứu thói quen ngủ ở các loài khác nhau cũng đưa ra một gợi ý thú vị. Một giống đại thử ở Australia ngủ đến 18 giờ, trong khi voi chỉ ngủ 3 - 4 giờ hàng ngày; các loài gần gũi về mặt tiến hóa lại không có thời gian ngủ như nhau. Điều đó dẫn tới một kết luận khác thường: kích thước chính là yếu tố quyết định. Động vật càng lớn ngủ càng ít. Voi, hươu cao cổ, linh trưởng ngủ ít; chuột, mèo, sóc ngủ nhiều. Từ đó bí ẩn đầu tiên về bản chất giấc ngủ bắt đầu phát lộ.

Động vật máu nóng càng nhỏ thì tốc độ chuyển hóa và thân nhiệt càng cao (do thể tích cơ thể trên một đơn vị diện tích da nhỏ hơn ở động vật lớn). Mà chuyển hóa là quá trình tạo nhiều gốc tự do - các hóa chất hoạt tính rất cao gây thương tổn, thậm chí giết chết tế bào. Như vậy, tốc độ chuyển hóa cao làm tăng tổn thương tế bào và các thành phần cơ bản của nó. Tế bào tổn thương sẽ được thay thế bằng tế bào tân tạo, trừ neuron. Vậy tốc độ chuyển hóa và nhiệt độ não thấp hơn trong giấc ngủ yên tĩnh có thể là cơ hội để sửa chữa các tổn thương neuron do thức.

Nhưng giả thuyết sửa chữa tế bào không đúng với giấc ngủ REM, vì nó có mức chuyển hóa thậm chí cao hơn khi thức. Vậy có nhóm tế bào não nào đi ngược xu thế đó? Hãy nhớ lại các tín hiệu hóa học (noradrenalin, serotonin và histamine, gọi chung là đơn amine) ức chế chức năng vận động trong giấc ngủ REM.

Tế bào não tạo ra chúng hoạt động mạnh mẽ và liên tục khi thức, nhưng ngưng hoạt động hoàn toàn trong giấc ngủ REM, theo một khám phá năm 1973. Và bí ẩn thứ hai của giấc ngủ phát lộ: Ngưng phóng thích các chất nói trên sẽ giúp các thụ thể của chúng được nghỉ ngơi và tái sinh khí hóa trong giấc ngủ REM, khiến chúng hoạt động thuận lợi khi thức.

Giả thuyết tái sinh khí hóa thụ thể có nhiều bằng chứng ủng hộ. Chẳng hạn, xóa giấc ngủ REM sẽ giảm nhẹ chứng trầm cảm trong các bệnh tâm thần. Giấc ngủ REM ngưng giải phóng serotonin, nên xóa nó sẽ tăng phóng thích serotonin. Điều đó làm giảm trầm cảm, giống tác dụng của thuốc ức chế tái hấp thu serotonin như Prozac hay Paxil thường dùng trong ngành tâm thần.

Đơn amine cũng có vai trò trong tái kết nối neuron trong não bộ để đáp ứng với những kinh nghiệm mới. Ngưng hoạt hóa chúng trong giấc ngủ REM là cách để ngăn ngừa những thay đổi có thể vô tình xảy ra trong mạng neuron do hoạt tính cao của não trong giấc ngủ này.

Những khả năng khác

Giấc ngủ REM còn có chức năng gì? Nhiều nhà khoa học như Snyder hay Wehr giả thuyết hoạt tính cao của neuron cho phép động vật phản ứng tốt hơn đối với các hiểm nguy, nhất là khi thức giấc trong môi trường lạnh. Ta tỉnh táo hơn khi đánh thức trong giấc ngủ REM cho thấy giả thuyết này đáng tin cậy.

Một số nhà khoa học theo đuổi ý tưởng giấc ngủ REM có vai trò củng cố trí nhớ, nhưng bằng chứng khá yếu và mâu thuẫn. Chẳng hạn, người mất giấc ngủ REM do tổn thương não hay do dùng thuốc vẫn có trí nhớ bình thường, nếu không nói là hơn. Và cá heo có khả năng nhận thức ấn tượng, dù hầu như không có giấc ngủ REM.

Michel Jouvet, người phát hiện thân não tạo ra giấc ngủ REM 40 năm trước (Ảnh: publihelp.fr)

Thực tế là khả năng học tập không liên quan với thời gian ngủ REM. Chúng ta chỉ có thời gian ngủ REM ngắn, 90 - 120 phút mỗi tối, so với các động vật khác. Và chỉ số IQ cao hay thấp cũng không quan hệ với thời gian giấc ngủ REM. Nhưng ở từng loài và mỗi cá thể, thời gian này giảm dần theo tuổi.

Một chức năng khác của giấc ngủ REM có thể liên quan với mức độ trưởng thành khi mới sinh của loài vật. Năm 1999, giới khoa học thấy thú mỏ vịt, loài động vật có vú ít tiến hóa, là nhà vô địch với kỉ lục ngủ REM 8 giờ một ngày.

Khi mới sinh, loài vật này mù và hoàn toàn không có khả năng tự vệ, điều nhiệt hay kiếm thức ăn nên phải bám chặt mẹ trong nhiều tuần lễ. Ngược lại, cá heo mới sinh đã có thể điều hòa thân nhiệt, bơi theo mẹ hay tránh kẻ thù. Và khi trưởng thành thì chúng hầu như không cần giấc ngủ REM.

Michel Jouvet, người phát hiện thân não tạo ra giấc ngủ REM 40 năm trước, đưa ra giả thuyết hấp dẫn về giấc ngủ REM dài ở động vật chưa trưởng thành. Trong giai đoạn đầu đời, hoạt tính neuron cao trong giấc ngủ này giúp thiết lập các kết nối tế bào được chương trình hóa trong gien, tạo nên cái gọi là hành vi bản năng.

Ở động vật không trưởng thành khi sinh, giấc ngủ REM có thể thay thế các kích thích ngoài, vốn có vai trò quyết định cho sự phát triển neuron ở động vật đã trưởng thành khi sinh. Đúng như mong đợi, xóa giấc ngủ REM trong thí nghiệm đã khiến thị giác mèo phát triển bất thường.

Đỗ Kiên Cường