ในปี ค.ศ.1953 Nathaniel Kleitman และลูกศิษย์ของเขาได้ศึกษาเกี่ยวกับการนอนหลับ ผลการวิจัย พบว่า การนอนหลับไม่ได้เป็นไปตามแนวคิดเดิมที่ว่า "การนอนหลับเกิดจากการหยุดการทำงานของสมองเป็นส่วนใหญ่" และคณะที่ทำการศึกษายังค้นพบว่า การนอนหลับนั้นจะถูกกำหนดโดยช่วง Rapid Eye Movement หรือที่เรียกกันว่า REM ซึ่งสามารถพบได้ในสัตว์ทุกชนิด ซึ่ง REM นี้จะสลับกันไปมาเป็นช่วงๆ กับ non-REM ซึ่งเป็นการหลับสนิท (quiet sleep)

                  ต่อมานักวิทยาศาสตร์มีความเจริญก้าวหน้าในการวิจัยการนอนหลับ โดยสามารถทำการศึกษาการทำงานของเซลล์ประสาทในสมองระหว่างการนอนหลับได้ โดยผ่านเส้นใยระดับไมโคร ที่มีขนาดเล็กเพียง 32 ไมครอน ซึ่งเทียบเท่ากับเส้นผมที่เล็กที่สุดของมนุษย์เท่านั้นเท่านั้นเข้าไปในส่วน ต่างๆ ของสมองทั้งในมนุษย์และสัตว์ทดลองในห้องปฏิบัติการ จากการศึกษาพบว่า ในช่วงการนอนหลับนั้น การทำงานของเซลล์ประสาทของสมองจะไม่คงที่ นั่นคือ สมองจะทำงานเป็น 2 ช่วงด้วยกันคือ

                  ในช่วง non-REM sleep ในช่วงนี้ เซลล์ประสาทบริเวณก้านสมองส่วนใหญ่จะทำงานน้อย ลงหรือแทบหยุดการทำงาน ในขณะที่เซลล์สมองส่วนใน cerebral cortex ที่อยู่ในสมองส่วนหน้าจะลดการทำงานลง จากปกติเพียงเล็กน้อยเท่านั้น การหายใจและอัตราการเต้นของหัวใจอยู่ในระดับปกติ และมักจะไม่เกิดการฝันในช่วงนี้

                  แต่ทว่าการทำงานของสมองในช่วงการนอนหลับแบบ REM นั้นจะแตกต่างจากแบบ non-REM อย่างสิ้นเชิง กล่าวคือการทำงานของสมองนั้นเกือบเท่ากับตอนที่เราตื่นอยู่ เซลล์ประสาททั้งในสมองส่วนหน้าและโคนสมองยังคงส่งกระแสประสาทในอัตราสูง เกือบเท่ากับเวลาตื่น ความฝันส่วนใหญ่มักเกิดในช่วงการนอนหลับช่วงนี้

                  การหลับแบบ REM จะมีผลกระทบต่อระบบสมองซึ่งควบคุมอวัยวะภายในของร่างกาย เป็นต้นว่า อัตราการเต้นของหัวใจและการหายใจจะไม่ดำเนินไปอย่างปกติในช่วงนี้ และการควบคุมอุณหภูมิของร่างกายได้น้อยลง นอกจากนี้ยังพบว่า ผู้ชายจะเกิดการแข็งตัวของอวัยวะเพศ ส่วนผู้หญิงจะเกิดการขยายตัวของคลิตอริสในช่วงนี้ด้วย ถึงแม้ว่าความฝันนั้นจะไม่เกี่ยวข้องกับเรื่องเพศก็ตาม

จากการศึกษาพบว่า การนอนหลับสามารถแบ่งเป็นระยะย่อยๆ ลงไปอีกตามการทำงานของคลื่นสมองในช่วงเวลาต่างๆ ดังรูป

                  โดยที่สภาวะที่สมองตื่นตัว สมองจะปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเบตาที่มีความถี่สูง ความต่างศักย์ต่ำ ขณะที่สภาวะร่างกายเริ่มเหนื่อยล้า คลื่นอัลฟาที่สมองปลดปล่อยจะชัดเจนมาก สำหรับขั้นที่ 1 ของการนอนหลับช่วงนี้จะกินเวลาประมาณ 1-5 นาที และคิดเป็นเวลา 2-5 เปอร์เซ็นต์ของการนอนหลับ ซึ่งเป็นรอยต่อระหว่างการตื่นและการนอนหลับ ในผู้ป่วยที่เป็นโรคนอนไม่หลับ จะมีช่วงนี้นานขึ้น ในขั้นที่ 2 ของการนอนหลับซึ่งเป็นขอบเขตล่าง (baseline) ของการนอนหลับจะใช้เวลาประมาณ 45-60 เปอร์เซ็นต์ของการนอนหลับทั้งหมด สำหรับขั้นที่ 3-4 ของการนอนหลับ (delta sleep) ถือว่าเป็นช่วงที่ร่างกายหลับลึกมากที่สุด โดยในช่วงนี้สมองจะทำงานด้วยคลื่นเดลตา ซึ่งเป็น slow sleep และจะมีแอมพลิจูดกว้าง

                  ในวัยเด็กการนอนจะกินเวลาถึง 40 เปอร์เซ็นต์ของวงจรสำหรับการนอน ในขณะที่ผู้ใหญ่จะใช้เวลาประมาณ 15-30 นาทีเท่านั้น และในขั้นที่ 5 REM sleep ใช้เวลาประมาร 20 เปอร์เซ็นต์ ของวัฎจักรการนอน ในช่วงนี้ร่างกายจะไวต่อความรู้สึกมากความฝันส่วนใหญ่มักจะปรากฏในช่วงการ นอนในขั้นที่ 5 นี้ จึงเรียกการนอนหลับในช่วงนี้ว่า Rapid Eye Movement; REM ซึ่งเราสังเกตเห็นคนที่กำลังหลับอยู่ในช่วงนี้ได้ โดยจะมองเห็นดวงตาของเขากลอกกลับไปกลับมาอย่างรวดเร็วนั่นเอง

หน้าที่ของการนอนหลับ
                  วิธีหนึ่งที่สามารถตรวจหน้าที่ของการนอนหลับก็คือ สังเกตได้จากการเปลี่ยนแปลงทางร่างกาย และพฤติกรรมที่เกิดขึ้นจากการอดนอน โดยการศึกษาการอดนอนของหนูทดลองในห้องปฏิบัติการ พบว่า เป็นสาเหตุหนึ่งที่ทำให้ตายได้ ซึ่งการศึกษาในหนูทดลองกลุ่มหนึ่งที่ได้กินอาหารเต็มที่แต่ไม่ให้นอน ส่วนกลุ่มที่สองให้นอนเต็มที่แต่ไม่ให้รับประทานอาหาร พบว่า หนูในกลุ่มที่หนึ่งตายเร็วกว่าหนูในกลุ่มที่สอง ประมาณ 10-20 วัน

                  นักวิจัยทำการศึกษาการนอนหลับในสิ่งมีชีวิตหลายชนิดด้วยกัน พบว่า สัตว์ที่มีขนาดเล็ก เช่น หนู เฟอร์เร็ต (Ferret) จะใช้เวลานอนมากกว่าสัตว์ที่มีขนาดใหญ่ (เช่น แมว 12 ชั่วโมง, สุนัข 10 ชั่วโมง, คน 8 ชั่วโมง) โดยอธิบายว่า สิ่งมีชีวิตขนาดเล็กจะมีกระบวนการเมทาบอลิซึมที่สูงกว่าสัตว์ที่มีขนาด ใหญ่ และกระบวนการเมทาบอลิซึมแต่ละครั้งจะก่อให้เกิดอนุมูลอิสระ ซึ่งอนุมูลอิสระดังกล่าวจะทำลายเซลล์สมองส่วนต่างๆ ของร่างกาย จึงต้องนอนเป็นเวลามากขึ้นเพื่อซ่อมแซมส่วนที่สึกหรอไปให้กลับมาเป็นปกติ จากการศึกษา พบว่า การนอนหลับในช่วง non-REM จะทำหน้าที่ในการซ่อมแซมส่วนที่สึกหรอของร่างกาย

                  ส่วนหน้าที่ของ REM นั้นกลับยังคงเป็นปริศนาที่ยังลึกลับซ่อนเงื่อนอยู่อีกมาก สมมติฐานที่ว่า การนอนหลับนั้นเป็นไปเพื่อซ่อมแซมร่างกาย ไม่อาจใช้ได้กับการหลับแบบ REM ขอทบทวนกันก่อนว่า การนอนหลับแบบ REM นี้เป็นการหยุดการส่งกระแสประสาทของสมองบางส่วน ซึ่งทำให้ร่างกายไม่สามารถเคลื่อนไหวได้ และจะลดการตอบสนองต่อสิ่งแวดล้อม เซลล์สมองที่สำคัญของกลุ่มนี้ ได้แก่ norepinephrine, serotonin และ histamine จึงจัดอยู่ในกลุ่ม monomine จากการศึกษาพบว่า การส่งกระแสประสาทออกมาอย่างต่อเนื่องของกลุ่มเซลล์เหล่านี้ จะทำให้การไวต่อสัญญาณของตัวรับสัญญาณเสื่อมถอยลง ดังนั้น การหยุดทำงานชั่วขณะของเซลล์เหล่านี้ จึงเป็นการทำให้ตัวสัญญาณไวต่อสัญญาณเท่าเดิมอีกครั้ง ซึ่งการรับสัญญาณของเซลล์เหล่านี้อาจมีผลสำคัญต่อการควบคุมอารมณ์ในยามตื่นได้ด้วย

                  นอกจากนั้นยังพบว่า การหลับใน REM นี้ยังอาจมีส่วนที่ทำให้มนุษย์และสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมมีปฏิกิริยาตอบสนอง ต่อสภาวะแวดล้อมได้ดียิ่งขึ้น ซึ่งจากการสังเกตคนที่ถูกปลุกให้ตื่นจากช่วง REM จะตื่นตัวมากกว่าคนที่ตื่นในช่วง non-REM ซึ่งเป็นการสนับสนุนแนวคิดนี้

                  การศึกษาในเรื่องของการนอนยังคงต้องศึกษาต่อไป ด้วยพัฒนาความรู้ในเรื่องถึงกลไกการนอนหลับ วิวัฒนาการของการนอนในวันข้างหน้า เราคงจะได้ศึกษาว่า ส่วนใดของร่างกายที่ถูกซ่อมแซมในระหว่างการนอน ส่วนใดที่ได้พักผ่อน และทำไมกระบวนการเหล่านี้จึงเกิดได้ดีในช่วงการนอนหลับ ...