Sömnfysiologi

Sömn är ett aktivt, cykliskt neurofysiologiskt tillstånd där NREM- och REM-sömn genereras av samverkande homeostatiska, cirkadiska och hjärnstamsbaserade nätverk. Stadierna skiljer sig avseende neuronal aktivitet, muskeltonus, autonom reglering och hormonell miljö, och normal variation i sömnarkitekturen måste beaktas vid klinisk tolkning.

Sömn som fysiologiskt tillstånd

Sömn definieras beteendemässigt som ett spontant återkommande tillstånd med relativ orörlighet, minskad respons på omgivningen och höjd retningströskel. Tillståndet är snabbt reversibelt, vilket skiljer det från koma och anestesi, och organiseras i karakteristiska elektrofysiologiska mönster. Sömn innebär inte generell neuronal inaktivitet: vissa nätverk minskar sin aktivitet, medan andra aktiveras selektivt eller uppvisar synkroniserade oscillationer.

Hos människan indelas sömnen i NREM-sömn, med stadierna N1, N2 och N3, samt REM-sömn. Vakenhet kännetecknas av relativt desynkroniserat EEG, bevarad viljemässig motorik och hög submental EMG-tonus jämfört med sömn. NREM innebär successivt ökande kortikal synkronisering och vanligen avtagande muskeltonus. REM-sömn kombinerar vakenhetsliknande EEG med snabba ögonrörelser och uttalad skelettmuskelatoni.

Ett uppvaknande innebär övergång till vakenhet, medan ett mikrouppvaknande, ofta benämnt arousal, är en kort EEG-aktivering som kan vara för kort för att personen ska minnas den. Upprepade mikrouppvaknanden fragmenterar sömnen trots att total sömntid förefaller normal. De är centrala vid exempelvis obstruktiv sömnapné, periodiska benrörelser och smärttillstånd.

Sömnen regleras på tre tidsnivåer. Den homeostatiska processen bygger upp sömntryck under vakenhet och reducerar det under sömn. Den cirkadiska processen anger när under dygnet sömn respektive vakenhet gynnas. Därutöver skapar en ultradian rytmik återkommande NREM–REM-cykler under natten.

Mätning och stadieindelning

Polysomnografi är referensmetoden för att beskriva sömnarkitektur och diagnostisera flera sömnrelaterade tillstånd. Kärnregistreringen omfattar EEG, bilateral elektrookulografi, EOG, och submentalt elektromyogram, EMG. EEG visar kortikal elektrisk aktivitet, EOG registrerar långsamma respektive snabba ögonrörelser och EMG avspeglar förändringar i tonus i hak- och käkmuskulatur.

Vid klinisk nattregistrering kompletteras dessa signaler vanligen med nasalt tryck och termistor för luftflöde, thorakala och abdominala band för andningsrörelser, pulsoximetri, EKG samt EMG från musculus tibialis anterior. Ljudregistrering, kroppsläge och synkroniserad video kan behövas vid snarkning, parasomni, epilepsimisstanke eller onormal REM-motorik.

Enligt AASM-baserad praxis delas registreringen in i konsekutiva 30-sekundersepoker. Varje epok tilldelas det stadium som dominerar enligt definierade EEG-, EOG- och EMG-kriterier.

Stadieklassificering är en modell av ett kontinuerligt biologiskt förlopp. Rörelse-, svett-, elektrod- och nätartefakter kan imitera eller dölja relevanta vågformer. Läkemedel kan förändra spolar, REM-andel och muskeltonus, och hög ålder eller neurologisk sjukdom kan göra klassiska kännetecken mindre tydliga. Interbedömarvariationen är störst vid övergångar mellan vakenhet och N1 samt mellan N1 och N2; automatisk analys bör därför kvalitetsgranskas manuellt.

Normal sömnarkitektur och ultradian rytmik

En normal vuxennatt innehåller vanligen 4–6 NREM–REM-cykler med en period på ungefär 90–110 minuter. Efter insomnandet följer typiskt N1, N2 och N3, varefter sömnen blir ytligare innan den första REM-perioden inträder. Korta uppvaknanden mellan cykler är vanliga och behöver inte vara patologiska eller ihågkomna.

Tidigt under natten dominerar N3 eftersom det homeostatiska sömntrycket är högt. Långsamvågsaktiviteten avtar från cykel till cykel, medan REM-perioderna blir längre. Den första REM-perioden är ofta kort; under de sista cyklerna kan REM utgöra en betydande del av varje cykel.

Sömneffektivitet beräknas som total sömntid dividerad med tiden i sängen, multiplicerad med 100. Värden påverkas av ålder, laboratoriemiljö, kronotyp, tidigare sömn, sjukdom och läkemedel. En enskild natt kan därför avvika tydligt från personens habitualsömn.

Förkortas natten genom tidigt uppvaknande förloras framför allt de REM-rika morgontimmarna. Senarelagd insomning med oförändrad uppstigning kan dessutom reducera både total sömntid och delar av den första N3-rika perioden. Vilket stadium som minskar beror därför på var i sömnperioden restriktionen sker.

NREM-sömn: från insomning till djupsömn

Vid avslappnad vakenhet med slutna ögon dominerar ofta occipital alfaaktivitet, cirka 8–13 Hz. Under N1 minskar alfaaktiviteten och ersätts av lågvoltig blandfrekvent aktivitet, ofta med thetafrekvenser. Muskeltonus är lägre än under vakenhet men tydligt bevarad, och långsamma rullande ögonrörelser kan förekomma.

N2 identifieras genom sömnspolar och K-komplex. Spolar är korta, vaxande och avtagande rytmiska aktivitetsutbrott på cirka 11–16 Hz, genererade genom samspel mellan thalamiska retikulära neuron, thalamokortikala reläneuron och cortex. K-komplex är stora bifasiska potentialer som kan uppträda spontant eller utlösas av sensoriska stimuli och kan följas av spindelaktivitet.

N3, långsamvågssömn, kräver långsam aktivitet på 0,5–2 Hz i minst 20 procent av en 30-sekundersepok. De stora vågorna avspeglar synkroniserade växlingar mellan kortikala upp-tillstånd, med relativ neuronal depolarisering och aktivitet, och ned-tillstånd, med hyperpolarisering och neuronal tystnad. Den synkroniserade aktiviteten omfattar stora neuronpopulationer och ger hög EEG-amplitud.

Väckningströskeln är vanligen högst i N3. Muskeltonus avtar men försvinner inte, vilket möjliggör motoriska NREM-parasomnier såsom sömngång och konfusionella uppvaknanden. Autonom aktivitet är relativt stabil, puls och blodtryck sjunker, och sensorisk information filtreras i thalamokortikala nätverk utan att all omvärldsbevakning upphör.

REM-sömn: toniska och fasiska komponenter

REM-sömn kännetecknas av lågvoltigt blandfrekvent EEG, snabba ögonrörelser och kraftigt reducerad submental EMG-tonus. Sågtandsvågor kan ses frontocentralt, särskilt kring fasiska händelser. Den vakenhetsliknande EEG-bilden i kombination med beteendemässig sömn och motorisk paralys har gett benämningen paradoxal sömn.

Tonisk REM utgör den relativt kontinuerliga bakgrunden med kortikal aktivering och muskelatoni. Fasisk REM innehåller överlagrade utbrott av snabba ögonrörelser, korta muskelryckningar och autonom variation. I djurmodeller förekommer ponto-genikulo-occipitala vågor, PGO-vågor, som fortleds från pons via thalamiska visuella strukturer mot occipital cortex; jämförbara fasiska fenomen antas förekomma hos människa.

Hos vuxna utgör REM normalt omkring 20–25 procent av total sömntid, eller cirka 90–120 minuter under en full natt. Den första REM-perioden kommer vanligen efter ungefär 70–120 minuter och perioderna förlängs mot morgonen. Förkortad REM-latens kan förekomma bland annat vid sömnbrist, depression och narkolepsi, medan många antidepressiva förlänger latensen.

Drömmande är starkt associerat med REM men är inte identiskt med REM-sömn. Uppvaknande från REM ger oftare långa, visuella och emotionellt intensiva drömrapporter, men mentalt innehåll förekommer även under NREM. REM-stadium definieras därför polysomnografiskt, inte genom upplevd eller rapporterad dröm.

REM-atoni och fasisk motorik

Den generaliserade motoriska hämningen under REM genereras i hjärnstammen. Glutamaterga REM-on-neuron i sublaterodorsala pons aktiverar neuron i ventromediala medullan. Därifrån rekryteras GABA- och glycinproducerande premotoriska neuron och spinala interneuron, vilka hämmar alfa-motoneuron i ryggmärgens framhorn.

GABA och glycin ökar motoneuronens inhibitoriska konduktans och hyperpolariserar membranet, så att excitatoriska kortikospinala signaler inte kan framkalla normal postural eller viljemässig motorik. Hämningen omfattar framför allt axial, proximal och antigravitatorisk muskulatur. Submentalt EMG blir därför lågamplitudigt och fungerar som ett centralt kriterium för REM-klassificering.

Atonin är inte absolut. Diafragma måste fortsätta arbeta, extraokulär muskulatur genererar ögonrörelser och sfinkterfunktion är i huvudsak bevarad. Korta fasiska ryckningar kan uppträda i ansikts- och extremitetsmuskulatur, särskilt under fasisk REM.

Vid REM sleep behavior disorder, RBD, föreligger REM-sömn utan normal atoni, vilket kan ge slag, sparkar, rop och skaderisk. Omvänt kan REM-atoni tränga in i vakenhet som sömnparalys eller kataplexi. Kataplexi är emotionellt utlöst tonusförlust vid narkolepsi typ 1 och betraktas som en REM-lik motorisk komponent som uppträder under vakenhet.

Den homeostatiska sömnregleringen

Den homeostatiska processen, process S, beskriver hur sömnbehovet stiger under vakenhet och minskar under sömn. Ju längre föregående vakenhet, desto större tendens till snabb insomning, mer N3 och högre långsamvågsaktivitet. Under sömn avtar trycket ungefär exponentiellt, snabbast under den tidiga, N3-rika delen av natten.

Adenosin är en viktig men inte ensam mediator. Vid neuronal aktivitet och energiförbrukning omsätts ATP, och extracellulärt adenosin ansamlas bland annat i basala framhjärnan. Adenosin hämmar vakenhetsfrämjande neuron och underlättar sömnfrämjande nätverk. Även förändringar i synaptisk styrka, genexpression, jonbalans och gliacellsfunktion bidrar till homeostasen.

EEG:s långsamvågsaktivitet, framför allt effekt i deltaområdet under NREM, används som fysiologiskt mått på process S. Efter sömnbrist ses högre deltaeffekt och ökad N3 tidigt under återhämtningssömnen. Sömnregleringen är delvis lokal: intensiv användning av ett kortikalt nätverk under vakenhet kan följas av starkare lokal långsamvågsaktivitet.

Koffein antagoniserar främst adenosinreceptorer och minskar därmed den subjektiva sömnigheten och delar av adenosinets hämmande verkan. Det eliminerar däremot inte det underliggande sömnbehovet. Sen konsumtion kan förlänga insomningslatens, reducera total sömntid och försämra sömnkontinuiteten även när personen inte upplever sig tydligt stimulerad.

Cirkadisk reglering och ljusets entrainment

Process C är den cirkadiska signal som ordnar sömnighet och vakenhetsbenägenhet över dygnet. Ljuskänsliga retinala ganglieceller som innehåller melanopsin registrerar framför allt omgivningens irradians. Signalen fortleds genom den retinohypothalamiska banan till nucleus suprachiasmaticus, SCN, i främre hypotalamus.

SCN genererar en endogen rytm som hos människan i genomsnitt ligger nära men inte exakt på 24 timmar. Daglig synkronisering, entrainment, krävs därför. SCN påverkar autonoma centra, hypotalamiska hormonaxlar, kroppstemperatur, aktivitet, födointag och melatoninsekretion genom multisynaptiska förbindelser till epifysen.

Ljusets effekt beror på tidpunkten. Ljus på kvällen och tidig natt tenderar att senarelägga dygnsrytmen, medan ljus under sen natt och morgon tenderar att tidigarelägga den. Denna fasresponskurva förklarar varför morgonljus används vid försenad sömnfas och varför starkt kvällsljus från miljö och bildskärmar kan försvåra tidig insomning.

Melatonin stiger normalt under kvällen i dämpat ljus, når höga nivåer under den biologiska natten och sjunker mot morgonen. Kortisol är vanligen lägst kring nattens första del och stiger under de tidiga morgontimmarna inför uppvaknandet. Kärntemperaturen sjunker under natten, når sitt minimum nära den sena biologiska natten och stiger inför morgonen.

Skiftarbete innebär konflikt mellan cirkadisk fas och önskad sömntid. Jetlag uppstår när den interna rytmen inte hunnit anpassas till lokal tid; östlig resa kräver vanligen fasförskjutning åt tidigare tid, västlig åt senare. Felriktad ljusexponering kan bromsa anpassningen, medan strategiskt ljus, mörker och ibland melatonin kan styra fasen.

Neurala vakenhets- och sömnkretsar

Vakenhet upprätthålls av ett distribuerat uppåtstigande aktiveringssystem. Kolinerga neuron i pedunculopontina och laterodorsala tegmentala kärnor aktiverar thalamus och cortex. Noradrenerga neuron i locus coeruleus, serotonerga neuron i raphekärnorna, histaminerga neuron i nucleus tuberomammillaris och dopaminerga system bidrar till uppmärksamhet, motivation och cortical aktivering.

Basala framhjärnan innehåller både kolinerga och GABAerga populationer som påverkar kortikal aktivitet. Orexin-, eller hypokretin-, producerande neuron i laterala hypotalamus har omfattande projektioner till monoaminerga och kolinerga vakenhetscentra. Orexin fungerar framför allt stabiliserande och hjälper hjärnan att bibehålla vakenhet trots variation i metabol, emotionell och cirkadisk belastning.

Sömnfrämjande neuron i ventrolaterala preoptiska området, VLPO, och närliggande preoptiska regioner frisätter GABA och galanin. De hämmar locus coeruleus, raphekärnor, nucleus tuberomammillaris och andra vakenhetsnätverk. Vakenhetssystemen hämmar i sin tur de sömnaktiva neuronen.

Den ömsesidiga hämningen kan beskrivas som en flip-flop-omkopplare: mellanlägen blir instabila, vilket gynnar relativt snabba övergångar mellan sömn och vakenhet. Orexin förstärker vakenhetssidan och minskar oavsiktliga övergångar. Vid narkolepsi typ 1 har orexinneuronen till stor del gått förlorade, vilket ger dagtrötthet, fragmenterad sömn och intrång av REM-komponenter såsom kataplexi, hallucinationer och sömnparalys.

Neurokemisk reglering av NREM–REM-växlingen

NREM–REM-växlingen regleras av samverkande populationer i pons, mesencefalon, medulla och hypotalamus. REM-on-neuron aktiveras inför och under REM, medan REM-off-neuron är aktiva under vakenhet och delar av NREM men tystnar vid REM-debut. GABAerg ömsesidig hämning bidrar till att övergången blir snabb snarare än gradvis.

Den klassiska reciprok-interaktionsmodellen betonade växlingen mellan kolinerga REM-on-neuron och monoaminerga REM-off-neuron. Acetylkolin främjar cortical aktivering och REM-fenomen, medan noradrenalin och serotonin motverkar REM under vakenhet. När monoaminaktiviteten sjunker under NREM kan REM-on-systemen aktiveras.

Modernare modeller beskriver flera parallella, delvis GABAerga och glutamaterga bistabila nätverk snarare än en enda kolinerg–monoaminerg oscillator. Modellerna kan förklara att EEG-aktivering, ögonrörelser, atoni och autonom labilitet är samordnade men inte oupplösligt bundna. Vid RBD saknas exempelvis fullgod atoni trots kvarvarande REM-EEG.

Efter selektiv REM-suppression ökar tendensen till REM-inträde och andelen REM under återhämtningssömn, så kallad REM-rebound. Utsättning av REM-supprimerande läkemedel kan ge livliga drömmar och förkortad REM-latens. Patologiska REM-intrusioner uppstår när omkopplingen destabiliseras, tydligast vid orexinbrist.

Kardiovaskulär, respiratorisk, endokrin och termisk fysiologi

Under stabil NREM-sömn minskar sympatikusaktiviteten och parasympatisk påverkan blir relativt mer framträdande. Hjärtfrekvens, blodtryck, hjärtminutvolym och cerebral metabolism sjunker jämfört med vakenhet. Hos många friska individer minskar det nattliga blodtrycket med ungefär 10–20 procent, vilket benämns dipping.

REM innebär större autonom labilitet. Puls och blodtryck varierar med fasiska sympatikuspåslag, och cerebral metabolism närmar sig nivån vid vakenhet. Frånvaro av normal nattlig blodtryckssänkning kan ses vid bland annat sömnapné, autonom dysfunktion, njursjukdom och hypertoni, men är inte specifik för någon enskild diagnos.

Ventilationen minskar under sömn, och responsen på hypoxi och hyperkapni är svagare än i vakenhet. Under REM blir andningen mer oregelbunden och aktiviteten i accessoriska andningsmuskler reduceras genom atonin, medan diafragma bevaras. Detta ökar den respiratoriska sårbarheten vid neuromuskulär sjukdom, kronisk lungsjukdom och obstruktiv sömnapné; REM-relaterade apnéer kan bli längre och ge djupare desaturation.

Tillväxthormon frisätts pulsativt och den största sekretionen är nära kopplad till tidig N3. Kortisol stiger mot morgonen under påverkan av den cirkadiska rytmen. Sömnbrist och fragmentering kan försämra insulinkänslighet och glukostolerans samt förändra aptit- och stressrelaterade hormonsystem.

Termoregleringen fungerar under NREM men med förskjutna trösklar och lägre metabol värmeproduktion. Under REM är regleringen kraftigt reducerad: svettning, huttring och andra kompensatoriska svar är otillräckliga. Extrem omgivningstemperatur kan därför undertrycka REM och fragmentera sömnen.

Sömnens funktioner på cell-, nätverks- och systemnivå

Sömnens funktion kan inte reduceras till att ett visst stadium utför en enda uppgift. Evidens talar för samverkande roller inom energihushållning, immunreglering, metabol återställning, plasticitet och minnesbearbetning. Flera processer pågår genom hela sömnen men med olika tyngdpunkt under olika stadier.

Under sömn förändras cerebrospinalvätskans och interstitiella vätskans dynamik, vilket kan underlätta clearance av metabola restprodukter. Sömn påverkar också medfödd och adaptiv immunitet, medan sömnbrist kan öka proinflammatorisk signalering. Dessa samband är dubbelriktade: infektion och cytokiner förändrar i sin tur sömnighet och sömnarkitektur.

Hypotesen om synaptisk homeostas innebär att synapser förstärks selektivt under vakenhet och därefter omkalibreras under sömn. En sådan nedskalning kan minska energikostnad och brus utan att radera relevanta minnesspår. Samtidigt förekommer lokal förstärkning, omorganisation och ny plasticitet, vilket gör en renodlad global nedskalningsmodell otillräcklig.

Vid deklarativ minneskonsolidering samverkar NREM-sömnens kortikala långsamma oscillationer, thalamiska sömnspolar och hippocampala sharp-wave ripples. Långsamma oscillationer skapar tidsfönster där spolar och hippocampala reaktiveringar kan kopplas samman. Därigenom kan ny information gradvis integreras i neokortikala nätverk.

REM-sömnens hippocampala thetaaktivitet och förändrade kolinerga–monoaminerga miljö kan gynna emotionell bearbetning, procedurinlärning och integration mellan avlägsna associationer. Evidensen stödjer dock ett sekventiellt samspel mellan NREM och REM snarare än exklusiva minnesfunktioner. Att antidepressiva kan supprimera REM utan generell minnesförlust illustrerar att sambanden inte är enkla eller absoluta.

Utveckling, åldrande och fysiologisk variation

Hos prematura barn dominerar omogna sömnformer, och aktiv sömn kan uppta en mycket stor del av sömntiden. Hos fullgångna nyfödda motsvarar aktiv sömn ungefär 50 procent av total sömn. Tillståndet har REM-liknande ögonrörelser, oregelbunden andning och motoriska ryckningar, men stadiegränserna är mindre mogna än hos vuxna.

Under spädbarns- och barndomsåren konsolideras sömnen, NREM-stadierna blir tydligare och REM-andelen sjunker. I vuxen ålder ligger REM vanligen kring 20–25 procent. Barn och ungdomar har mer N3 än äldre vuxna, vilket avspeglas i högre långsamvågsamplitud och starkare homeostatisk respons.

Med stigande ålder minskar ofta total sömntid och N3, medan nattliga uppvaknanden och ytlig sömn ökar. Sömneffektiviteten sjunker och den cirkadiska fasen tenderar att tidigareläggas. Förändringarna är fysiologiska men förstärks ofta av smärta, nokturi, depression, neurodegeneration, läkemedel och respiratorisk sjukdom.

Individvariationen är betydande. Kronotyp påverkar föredragen sömnfas, medan genetiska och beteendemässiga faktorer påverkar sömnbehov och förmågan att ta tupplurar. Tupplurar minskar process S och kan förbättra vakenhet men samtidigt försvåra kvällsinsomning, särskilt om de är sena eller långa.

Fysisk aktivitet förbättrar ofta sömnkontinuitet, medan hög kroppstemperatur, olämplig ljusexponering och nattlig träning hos vissa kan försena insomning. Menstruationscykel, graviditet och menopaus påverkar temperatur, andning och uppvaknandefrekvens. Under graviditet kan reflux, nokturi, restless legs och ökad risk för sömnapné fragmentera sömnen utan att förändringen kan hänföras till ett enskilt stadium.

Sömnstörning, läkemedel och klinisk tolkning

Akut total eller partiell sömnbrist ger sömnighet, långsammare reaktionstid, nedsatt uppmärksamhet och mikrosömn. Affektreglering och exekutiv kontroll försämras, även om individen ofta underskattar funktionsnedsättningen. Kronisk sömnrestriktion kan ge kumulativa kognitiva och metabola effekter trots viss subjektiv tillvänjning.

Efter generell sömnbrist prioriteras ofta N3 genom förkortad insomningslatens och ökad långsamvågsaktivitet. Selektiv REM-deprivation ökar antalet REM-inträdesförsök och följs av REM-rebound. Återhämtningen ersätter inte nödvändigtvis varje förlorad minut, vilket visar att regleringen främst gäller sömnens intensitet och organisation.

Vid insomni kan stadieandelarna vara normala trots uttalad subjektiv sömnstörning; kontinuitet, hyperarousal och upplevelsen av sömn är centrala. Vid obstruktiv sömnapné orsakar upprepade luftvägskollapser desaturationer och arousals, ofta med störst fysiologisk konsekvens under REM. Behandlingen bedöms därför inte enbart efter total sömntid utan efter respiratoriskt index, saturation och fragmentering.

NREM-parasomnier uppkommer typiskt ur N3 och ska skiljas från RBD, som uppträder under REM med utebliven atoni. Narkolepsi kännetecknas av instabila gränser mellan vakenhet och REM, ofta med kort REM-latens. Vid misstänkt RBD krävs videopolysomnografisk demonstration av REM-sömn utan atoni och kliniskt förenligt beteende.

Avvikande stadieandelar är ospecifika. Låg REM-andel kan bero på läkemedel, alkohol, första-natten-effekt, fragmentering eller kort registrering; låg N3-andel kan bero på ålder, smärta, sömnapné eller sederande läkemedel. Polysomnografi måste därför tolkas tillsammans med anamnes, dygnsrytm, läkemedelslista, registreringskvalitet och klinisk frågeställning.

Källor

• Rapid eye movement sleep
• REM-sömn
• Rapid eye movement sleep
• Bild: File:REM-Mon.png — Borainmonzel, CC BY-SA 4.0
• Bild: File:Rapid eye movement sleep behavior disorder.png — Uguccioni G, Pallanca O, Golmard J, Dodet P, Herlin B, Leu-Semenescu S, Arnulf I, CC BY 4.0