Giấc ngủ, nhịp sinh học của giấc ngủ

Cốt lõi suy nghĩ của con người, ít nhất là đối với đa số cá nhân ở các quốc gia phát triển, chúng ta không bị ràng buộc bởi những yêu cầu do sinh học đặt ra và chúng ta có thể làm những gì mình muốn, bất cứ lúc nào, chúng ta lựa chọn, trong khi trên thực tế, mọi khía cạnh sinh lý và hành vi của chúng ta đều bị hạn chế bởi nhịp 24 giờ phát sinh từ sâu bên trong quá trình tiến hóa của chúng ta. Nhịp sinh học hàng ngày và chu kỳ ngủ/thức của chúng ta cho phép chúng ta hoạt động tối ưu trong một thế giới năng động, điều chỉnh sinh học của chúng ta theo nhu cầu do chu kỳ ngày/đêm đặt ra. Nhận thức ngày càng tăng rằng chúng ta đang bỏ qua hệ thống sinh học và giấc ngủ trong tình trạng nguy hiểm, đồng thời bài viết này xem xét các cơ chế tạo ra và điều chỉnh hệ thống sinh học và giấc ngủ; điều gì xảy ra một cách máy móc khi những hệ thống này sụp đổ do áp lực xã hội và bệnh tật; sự gián đoạn giấc ngủ và căng thẳng có mối liên hệ như thế nào; tại sao gián đoạn giấc ngủ và bệnh tâm thần luôn xảy ra cùng nhau; và cách các cá nhân và người sử dụng lao động có thể cố gắng giảm thiểu một số vấn đề liên quan đến việc chống lại sinh học thời gian bên trong của chúng ta. Mặc dù một số chi phí sức khỏe do gián đoạn giấc ngủ có thể giảm bớt, nhưng ít nhất trong ngắn hạn, sẽ luôn có những hậu quả tiêu cực đáng kể liên quan đến làm việc theo ca và mất ngủ. Với suy nghĩ này, xã hội cần giải quyết vấn đề này và quyết định khi nào hậu quả của việc gián đoạn giấc ngủ là hợp lý tại nơi làm việc.

Hầu như tất cả sự sống trên trái đất đều sử dụng đồng hồ sinh học bên trong để dự đoán những thay đổi sâu sắc do Trái đất quay quanh trục của nó. Ở các sinh vật đa dạng như vi khuẩn quang hợp và con người, sinh lý và hành vi được điều chỉnh theo nhu cầu đa dạng nhưng có thể dự đoán được của chu kỳ ngày/đêm. Các sinh vật biết thời gian trong ngày một cách hiệu quả và những chu kỳ hàng ngày được tạo ra bên trong này được gọi là nhịp sinh học, xuất phát từ tiếng Latin circa (khoảng) và chết (ngày). Ngoài việc điều chỉnh ngày bên trong và bên ngoài, đồng hồ sinh học còn đảm bảo các quá trình sinh học diễn ra theo trình tự thời gian thích hợp. Để các tế bào hoạt động bình thường, chúng cần có đúng vật liệu, đúng nơi, đúng thời điểm. Hàng nghìn gen phải được bật và tắt theo một thứ tự cụ thể. Protein, enzyme, chất béo, carbohydrate, hormone, axit nucleic và các hợp chất khác phải được hấp thụ, phân hủy, chuyển hóa và sản xuất trong một khoảng thời gian chính xác. Năng lượng phải được thu thập, sau đó được phân chia trong nền kinh tế tế bào và phân bổ cho sự tăng trưởng, sinh sản, trao đổi chất, vận động và sửa chữa tế bào. Nếu không có sự phân chia theo thời gian bên trong này, sinh học của chúng ta sẽ bị tổn hại sâu sắc.

Nhịp sinh học cũng phải được đồng bộ hóa hoặc truyền vào môi trường bên ngoài bằng cách sử dụng các tín hiệu cung cấp thông tin về thời gian trong ngày (zeitgeber) và các mẫu ánh sáng do Trái đất quay 24 giờ tạo ra sẽ cung cấp tín hiệu cuốn theo chủ đạo. Tuy nhiên, ở nhiều loài, các yếu tố môi trường khác như nhiệt độ, nguồn thức ăn sẵn có, lượng mưa và thậm chí cả sự săn mồi có thể góp phần vào sự cuốn theo. Điểm mấu chốt là nhịp sinh học không được điều khiển bởi một chu kỳ bên ngoài mà được tạo ra bên trong và sau đó được đồng bộ hóa với thế giới 24 giờ bên ngoài.

Liên quan điều này với loài người của chúng ta, sinh lý con người được tổ chức xung quanh chu kỳ hoạt động và ngủ hàng ngày. Trong giai đoạn hoạt động, khi năng lượng tiêu hao cao hơn và thức ăn và nước uống được tiêu thụ, các cơ quan cần được chuẩn bị để hấp thụ, xử lý và hấp thu chất dinh dưỡng. Hoạt động của các cơ quan như dạ dày, gan, ruột non, tuyến tụy và việc cung cấp máu cho các cơ quan này cần có sự đồng bộ bên trong mà một chiếc đồng hồ có thể cung cấp. Trong khi ngủ, mặc dù mức tiêu hao năng lượng và quá trình tiêu hóa giảm nhưng nhiều hoạt động thiết yếu vẫn diễn ra bao gồm sửa chữa tế bào, giải phóng độc tố, củng cố trí nhớ và xử lý thông tin của não. Việc phá vỡ mô hình này, như xảy ra với tình trạng lệch múi giờ hoặc làm việc theo ca (xem bên dưới), dẫn đến sự mất đồng bộ bên trong và không thể làm đúng việc vào đúng thời điểm.

Trung tâm của hệ thống sinh học của con người là một cấu trúc nằm sâu bên trong vùng dưới đồi của não được gọi là 'nhân siêu âm' hay SCN. Não của con người bao gồm khoảng 50.000 bộ dao động sinh học tế bào đủ ổn định để tạo ra nhịp sinh học khi bắn nơ-ron thần kinh trong ít nhất sáu tuần trong ống nghiệm. Điều này lần đầu tiên được thể hiện ở các tế bào thần kinh vùng dưới đồi của não phân tán từ chuột sơ sinh, được đưa vào môi trường nuôi cấy trên một lưới vi điện cực. Các tế bào thần kinh riêng lẻ biểu hiện nhịp sinh học mạnh mẽ khi bắn điện, nhưng các giai đoạn của các nhịp điệu riêng lẻ này đều khác nhau, cho thấy các tế bào thần kinh vùng dưới đồi của não hoạt động như những chiếc đồng hồ riêng lẻ và dao động cơ bản nằm trong từng tế bào chứ không phải là đặc tính nổi bật của một mạng lưới các cá thể. tế bào thần kinh.

Sự tạo ra phân tử dưới tế bào của dao động sinh học phát sinh từ sự tương tác phức tạp giữa các gen đồng hồ chủ chốt và các sản phẩm protein của chúng. Về cốt lõi, bộ máy đồng hồ phân tử bao gồm một vòng phản hồi phiên mã/dịch mã (TTFL), nhờ đó gen và các sản phẩm protein của chúng tương tác và phản hồi để ức chế quá trình phiên mã của chính chúng, tạo ra chu kỳ sản xuất và phân hủy protein 24 giờ.

Vùng dưới đồi của não chiếu trực tiếp vào khoảng 35 vùng não, hầu hết nằm ở vùng dưới đồi và đặc biệt là những vùng ở vùng dưới đồi điều chỉnh việc giải phóng hormone. Thật vậy, nhiều hormone được tuyến yên kiểm soát, như cortisol, được điều hòa sinh học chặt chẽ. Hơn nữa, vùng dưới đồi của não điều chỉnh hoạt động của hệ thống thần kinh tự trị, hoạt động để đánh dấu thời gian trên nhiều khía cạnh sinh lý, bao gồm cả độ nhạy cảm của các mô đích với tín hiệu nội tiết tố. Ngoài các kết nối thần kinh trực tiếp này, vùng dưới đồi của não còn giao tiếp với phần còn lại của cơ thể bằng các tín hiệu hóa học có thể khuếch tán. Điều này lần đầu tiên được thể hiện bằng cách cấy vùng dưới đồi của não có trong các viên nang bán thấm nhỏ vào động vật bị tổn thương. Viên nang ngăn chặn việc thiết lập lại các kết nối thần kinh nhưng cho phép liên lạc hóa học từ vùng dưới đồi của não được cấy ghép khuếch tán ra ngoài. Ngay cả khi không có kết nối thần kinh, một số nhịp sinh học vẫn được phục hồi. Trong những năm gần đây, danh tính của các tín hiệu hóa học này đã bắt đầu xuất hiện.

Chu kỳ ngủ và thức đều đặn là mô hình 24 giờ rõ ràng nhất trong hành vi của chúng ta và chu kỳ ngủ/thức bao gồm một tập hợp tương tác rất phức tạp liên quan đến nhiều mạch thần kinh, chất dẫn truyền thần kinh và hormone, không có loại nào trong số đó chỉ dành riêng cho việc tạo ra giấc ngủ. Các cấu trúc não chính và hệ thống dẫn truyền thần kinh liên quan đến chu kỳ ngủ/thức được tóm tắt trong.

Trạng thái ngủ/thức phát sinh từ các mạch kích thích và ức chế lẫn nhau dẫn đến hai trạng thái hành vi riêng biệt là thức (ý thức) và ngủ. Trong quá trình thức dậy, các tế bào thần kinh orexin (còn được gọi là hypocretin) ở vùng dưới đồi bên sẽ hoạt động và kích thích (+) các quần thể tế bào thần kinh thúc đẩy sự thức giấc khác nhau ở não sau và não giữa bao gồm các tế bào thần kinh monoaminergic giải phóng histamin, dopamine, noradrenaline và serotonin; tế bào thần kinh cholinergic ở não sau giải phóng acetylcholine; và một nhóm quan trọng gồm các tế bào thần kinh phân bố rộng rãi giải phóng glutamate. Những chất dẫn truyền thần kinh này điều khiển sự tỉnh táo và ý thức trong vỏ não. Ngoài ra, việc kích hoạt cấp tính trục căng thẳng  cũng sẽ góp phần điều hòa giấc ngủ/thức, thúc đẩy sự thức giấc và ức chế giấc ngủ. Trong quá trình hoạt động, các tế bào thần kinh monoaminergic chiếu tới (đường chấm) và ức chế (-) nhân tiền sản vùng bụng bên (VLPO). Trong khi ngủ, các yếu tố điều khiển giấc ngủ sinh học và cân bằng nội môi kích hoạt nhân tiền sản vùng bụng bên giải phóng các chất dẫn truyền thần kinh gamma-aminobutyric acid (GABA) và galanin để ức chế các tế bào thần kinh orexin ở vùng dưới đồi bên và các quần thể tế bào thần kinh monoaminergic, cholinergic và glutamatergic (-) trực tiếp. Hơn nữa, một quần thể tế bào thần kinh trung gian trong vỏ não phóng khoảng cách xa đến vỏ não và giải phóng chất dẫn truyền thần kinh ức chế chất dẫn truyền thần kinh gamma-aminobutyric acid trong khi ngủ. Những tế bào thần kinh này được kích hoạt trong khi ngủ theo cách tỷ lệ thuận với khả năng cân bằng nội môi cho giấc ngủ. Các biện pháp chính được sử dụng để xác định giấc ngủ ở động vật có vú là điện não đồ (EEG), đặc trưng của giấc ngủ là trạng thái chuyển động mắt nhanh (REM) hoặc chuyển động mắt không nhanh (NREM). Công tắc NREM-REM xảy ra khoảng 60–90 phút một lần và được điều khiển bởi mạng lưới các tế bào thần kinh ở não giữa và não sau. Trong giấc ngủ trạng thái chuyển động mắt nhanh, tế bào thần kinh monoaminergic vẫn bị ức chế, nhưng tế bào thần kinh cholinergic được kích hoạt (+). Các tế bào thần kinh trạng thái chuyển động mắt nhanh -on chiếu tới tủy sống và gây tê liệt cơ (atonia). Nếu con đường mất trương lực không được kích hoạt, các tình trạng gọi là rối loạn hành vi giấc ngủ REM (RBD) có thể phát sinh. Hơn nữa, mức độ mất trương lực cơ có thể dự đoán sự phát triển của bệnh Parkinson. Điều đáng nhấn mạnh là chúng ta chỉ có hiểu biết sơ bộ về chức năng thực sự của giấc ngủ trạng thái chuyển động mắt nhanh so với giấc ngủ chuyển động mắt không nhanh.

Trong các trường hợp bình thường, các tương tác phức tạp liên quan đến việc tạo ra giấc ngủ/thức được điều chỉnh bởi hai yếu tố nội sinh, được gọi là quá trình cân bằng nội môi, tăng lên như một chức năng của sự tỉnh táo và quá trình sinh học. Đây được gọi là mô hình giấc ngủ 'Hai quá trình' giải thích một cách rộng rãi cách chu kỳ ngủ/thức được điều chỉnh phù hợp với chu kỳ đêm/ngày.

Ở người, một số tác nhân có liên quan đến việc điều khiển cân bằng nội môi trong giấc ngủ và adenosine nổi lên như một ứng cử viên nặng ký. Adenosine tăng lên trong não khi thức và sau khi bị thiếu ngủ. Hơn nữa, việc truyền adenosine vào não của loài gặm nhấm di chuyển tự do sẽ làm giảm sự tỉnh táo và kích hoạt các tế bào thần kinh liên quan đến việc thúc đẩy giấc ngủ. Caffeine là một chất kích thích và cảnh báo mạnh, và dường như hoạt động bằng cách ngăn chặn các thụ thể adenosine. Các yếu tố thúc đẩy giấc ngủ khác bao gồm prostaglandin . 

Melatonin thường bị gọi một cách khó hiểu là 'hormone ngủ' và điều này gây hiểu nhầm. Melatonin được tổng hợp chủ yếu ở tuyến tùng, mặc dù võng mạc và các vùng khác của cơ thể cũng có thể sản xuất một lượng nhỏ. Tuyến tùng được cấu trúc vùng dưới đồi của não điều chỉnh để tạo ra mô hình giải phóng melatonin theo chu kỳ sinh học, với mức tăng vào lúc hoàng hôn, đạt cực đại trong máu vào khoảng 02:00–03:00 và sau đó giảm dần trước bình minh. Ánh sáng, được phát hiện bởi pRGC, cũng có tác dụng ức chế sản xuất melatonin một cách sâu sắc. Kết quả là melatonin hoạt động như một dấu hiệu sinh học của bóng tối. Liên quan đến giấc ngủ, các thụ thể melatonin nằm trên tế bào thần kinh cấu trúc vùng dưới đồi của não được cho là có chức năng phát hiện melatonin về đêm để cung cấp thêm một zeitgeber cho sự điều khiển đồng hồ, củng cố các tín hiệu dẫn ánh sáng từ mắt. Tuy nhiên, mặc dù một số nghiên cứu cho thấy dùng melatonin có thể rút ngắn độ trễ của giấc ngủ (thời gian đi vào giấc ngủ) và tăng tổng thời gian ngủ, tác dụng của và chất chủ vận của melatonin đối với giấc ngủ là rất khiêm tốn. Trong khi việc sản xuất melatonin xảy ra vào ban đêm trong khi ngủ ở động vật hoạt động ban ngày như con người, thì động vật sống về đêm như chuột cũng sản xuất melatonin vào ban đêm khi chúng hoạt động. Chắc chắn, xu hướng giấc ngủ ở người có mối tương quan chặt chẽ với cấu hình melatonin nhưng đây có thể là mối tương quan chứ không phải quan hệ nhân quả. Thật vậy, những người không sản xuất melatonin (ví dụ như những người bị liệt tứ chi, những người dùng thuốc chẹn beta hoặc những bệnh nhân bị suy giảm trí thông minh) vẫn biểu hiện nhịp sinh học/ngủ với chỉ những thay đổi rất nhỏ trong giấc ngủ .

Quá trình sinh học dường như thúc đẩy cả hành vi thúc đẩy việc thức và thúc đẩy giấc ngủ, thúc đẩy việc duy trì sự tỉnh táo vào ban ngày, chống lại động lực cân bằng nội môi ngày càng tăng đối với giấc ngủ, trong khi vào ban đêm, Quá trình thúc đẩy giấc ngủ. Tương tác cơ bản giữa hệ thống sinh học và các yếu tố cân bằng nội môi điều hòa giấc ngủ, nhưng trên thực tế, việc điều hòa giấc ngủ có thể phức tạp hơn nhiều. Ít nhất, giấc ngủ ở con người và các động vật khác thường không phải là một khối giấc ngủ thống nhất mà có thể là 'hai pha' hoặc thậm chí 'đa pha' với hai hoặc nhiều khoảng thời gian ngủ cách nhau bởi những khoảng thời gian thức ngắn. 

BS. Phạm Thị Hồng Vân (Thọ Xuân Đường)