Τι είναι ο ύπνος και γιατί τον χρειαζόμαστε; Μια προφανής απάντηση στο δεύτερο ερώτημα είναι ότι ο επαρκής ύπνος είναι απαραίτητος για να μένουμε ξύπνιοι και σε εγρήγορση. Ομως, αυτή η απάντηση στην ουσία παρακάμπτει το ερώτημα, αφού είναι ισοδύναμη με το να λέμε ότι τρώμε για να μην πεινάμε και αναπνέουμε για να μην έχουμε το αίσθημα του πνιγμού. Η πραγματική λειτουργία της διατροφής είναι η προμήθεια του οργανισμού με θρεπτικά συστατικά και η λειτουργία της αναπνοής είναι η μεταφορά οξυγόνου και η αποβολή διοξειδίου του άνθρακα. Ανάλογη απάντηση για τον ύπνο δεν υπάρχει. Ωστόσο, η έρευνα γύρω από την οργανική λειτουργία του ύπνου (με ηλικία μόλις ενός αιώνα σαν διακεκριμένη επιστημονική αναζήτηση) έχει αρχίσει να δίνει κάποια στοιχεία που επιτρέπουν τη διατύπωση μη αποδεδειγμένων - προς το παρόν - θεωριών γύρω από αυτή την κατάσταση του οργανισμού, που καταναλώνει το ένα τρίτο της ζωής μας.

Παρά τη δυσκολία ακόμη και στον ορισμό της κατάστασης του ύπνου, ένας παρατηρητής συνήθως μπορεί να καταλάβει αν κάποιος κοιμάται η όχι: απομόνωση από το περιβάλλον και ακινησία είναι τα βασικά χαρακτηριστικά. (Τα δελφίνια και άλλα θαλάσσια θηλαστικά κολυμπούν ενόσω κοιμούνται, ενώ και μερικά πουλιά μπορεί να αποκοιμηθούν κατά τη διάρκεια των μεγάλων μεταναστευτικών τους πτήσεων). Ως το 1953 οι ερευνητές πίστευαν ότι ο ύπνος ήταν η απουσία του μεγαλύτερου μέρους της εγκεφαλικής δραστηριότητας. Τότε ανακαλύφθηκαν οι περίοδοι της «γρήγορης κίνησης των ματιών», ονομασία από τα αρχικά των λέξεων της οποίας (στα αγγλικά) ο ύπνος αυτού του είδους ονομάστηκε ύπνος REM. Η ύπαρξη του ύπνου REM έδειχνε ότι μόνο έλλειψη εγκεφαλικής δραστηριότητας δεν υπάρχει κατά τη διάρκειά του. Ολα τα θηλαστικά της ξηράς που έχουν εξεταστεί παρουσιάζουν περιόδους ύπνου REM, που εναλλάσσονται με περιόδους ήσυχου (μη REM) ύπνου.

Πιο πρόσφατα, υπήρξε σημαντική πρόοδος στον τομέα, με το χαρακτηρισμό του είδους ύπνου στο επίπεδο των νευρώνων του εγκεφάλου. Διαπιστώθηκε ότι, όπως ήταν αναμενόμενο, οι περισσότεροι νευρώνες παρουσιάζουν το μέγιστο της δραστηριότητάς τους κατά την περίοδο της εγρήγορσης. Κατά τη διάρκεια του μη REM ύπνου, τα εγκεφαλικά κύτταρα σε διαφορετικές περιοχές του εγκεφάλου συμπεριφέρονται διαφορετικά. Μερικοί νευρώνες στο εγκεφαλικό στέλεχος (αμέσως πάνω από το νωτιαίο μυελό) σταματούν να πυροδοτούν, ενώ οι περισσότεροι νευρώνες στο φλοιό του εγκεφάλου μειώνουν τη δραστηριότητά τους ελάχιστα. Εκείνο που αλλάζει είναι ο τρόπος που πυροδοτούν. Στην εγρήγορση ο κάθε νευρώνας λειτουργεί με βάση το συγκεκριμένο ρόλο του στο εγκεφαλικό κύκλωμα. Ομως κατά τη διάρκεια του μη REM ύπνου, οι γειτονικοί νευρώνες πυροδοτούν συγχρονισμένα, με ένα σχετικά αργό ρυθμό. (Παραδόξως, αυτή η συγχρονισμένη ηλεκτρική δραστηριότητα έχει ως αποτέλεσμα την ανάπτυξη μεγαλύτερων διαφορών δυναμικού απ' ό,τι κατά την εγρήγορση. Ωστόσο, όπως και σε ένα αυτοκίνητο που δουλεύει στο «ρελαντί», ο εγκέφαλος καταναλώνει λιγότερη ενέργεια απ' ό,τι όταν είναι ξύπνιος.) Η αναπνοή και οι παλμοί της καρδιάς είναι αρκετά σταθεροί και σπάνια βλέπει κανείς έντονα όνειρα κατά τη διάρκεια του μη REM ύπνου.

Μια μικρή ομάδα νευρώνων (στους ανθρώπους γύρω στους 100.000) στη βάση του μετωπιαίου λοβού είναι εξαιρετικά δραστήριοι κατά τον μη REM ύπνο. Φαίνεται ότι πρόκειται για τους νευρώνες που προκαλούν αυτού του είδους τον ύπνο. Ο ακριβής μηχανισμός που γίνεται αυτό δεν είναι γνωστός, αλλά η αυξημένη θερμοκρασία σώματος όσο το άτομο είναι ξύπνιο, δείχνει να ενεργοποιεί τη συγκεκριμένη ομάδα κυττάρων. Ισως έτσι εξηγείται η υπνηλία μετά από ένα ζεστό μπάνιο ή μια καλοκαιρινή μέρα στην παραλία.

Από την άλλη μεριά, η εγκεφαλική δραστηριότητα κατά τη διάρκεια του ύπνου REM μοιάζει με εκείνη της εγρήγορσης. Τα εγκεφαλικά κύματα παραμένουν σε χαμηλά βολτ και οι νευρώνες αντιδρούν μη συγχρονισμένα, ενώ και η κατανάλωση ενέργειας παραμένει σε ανάλογα επίπεδα. Οι μικρές ακούσιες κινήσεις και η κίνηση των ματιών δείχνουν την εκτεταμένη εγκεφαλική δραστηριότητα. Σκανδάλη ενεργοποίησης του ύπνου REM φαίνεται να είναι μια ομάδα νευρώνων στο στέλεχος του εγκεφάλου που είναι εξαιρετικά ενεργοί κατά τη διάρκειά του.

Τα πιο έντονα όνειρα τα βλέπουμε στον ύπνο REM και συνοδεύονται από την παράλληλη ενεργοποίηση του συστήματος ελέγχου κινήσεων. Ωστόσο, η πραγματοποίηση των κινήσεων εμποδίζεται από δύο συμπληρωματικές βιοχημικές δράσεις που σχετίζονται με τους νευροδιαβιβαστές, τις χημικές ουσίες που μεταφέρουν τα ηλεκτρικά σήματα μεταξύ των νευρώνων στις συνάψεις (τα σημεία επαφής των νευρώνων). Ο εγκέφαλος σταματά να παράγει τους νευροδιαβιβαστές που λειτουργούν στις συνάψεις των κινητικών νευρώνων, ενώ επιπλέον παράγει άλλους νευροδιαβιβαστές που αδρανοποιούν αυτούς τους νευρώνες. Από το μηχανισμό αυτό δεν επηρεάζονται οι νευρώνες που ελέγχουν την κίνηση των ματιών και γι' αυτό κατά τη διάρκεια του ύπνου REM υπάρχει γρήγορη κίνησή τους.

Αυτή η σύντομη περιγραφή του ύπνου στο μακροσκοπικό και στο νευρωνικό επίπεδο είναι μεν ακριβής, αλλά μη ικανοποιητική. Το βασανιστικό ερώτημα παραμένει: τι μας χρειάζεται ο ύπνος; Για να βρουν απάντηση οι επιστήμονες, εξέτασαν τον ύπνο από διάφορες σκοπιές. Διαπίστωσαν ότι οι αρουραίοι στους οποίους δεν επιτρεπόταν να κοιμηθούν πέθαιναν μέσα σε 20 το πολύ ημέρες (νωρίτερα απ' ό,τι αν δεν τους δινόταν καθόλου φαγητό), παρουσιάζοντας, καθώς πλησίαζαν στο μοιραίο, μεγάλη απώλεια βάρους, παρά την αυξημένη κατανάλωση τροφής, δεδομένα που οδηγούν στο συμπέρασμα ότι είχαν μεγάλη απώλεια θερμότητας. Παρατήρησαν, επίσης, ότι η ανάγκη ύπνου είναι μεγαλύτερη για τα μικρόσωμα ζώα απ' ό,τι για τα μεγαλόσωμα. Ετσι το οπόσουμ κοιμάται 18 ώρες την ημέρα, ενώ ο ελέφαντας μόλις 3 (ο άνθρωπος έχει ανάγκη 7-8 ώρες ύπνου το 24ωρο). Ετσι άρχισαν να συσχετίζουν τον ύπνο με την ανάγκη κυτταρικών επισκευών των βλαβών που προκαλούν οι ελεύθερες ρίζες που παράγονται κατά το μεταβολισμό (τα μικρόσωμα ζώα έχουν πιο έντονο μεταβολισμό από τα μεγαλόσωμα).

Για τον ύπνο REM, όπου η έντονη εγκεφαλική δραστηριότητα δεν επιτρέπει τέτοιου είδους επισκευές, διαπιστώθηκε μια άλλη ευεργετική επίδραση που σχετίζεται με την ανάκτηση της ευαισθησίας ορισμένων υποδοχέων νευροδιαβιβαστών στον εγκέφαλο. Αυτή η διαδικασία μπορεί να γίνει μόνο την περίοδο που σταματά η παραγωγή των νευροδιαβιβαστών, δηλαδή στον ύπνο REM.