Slaap is een dagelijks terugkerende toestand van fysieke rust. Tijdens de slaap worden sensorische prikkels uit de omgeving geblokkeerd en zijn onze spieren ontspannen. Ook is ons bewustzijnsniveau tijdens de slaap over het algemeen 'lager' dan tijdens het waken.

Om die redenen werd slaap aanvankelijk als een passieve staat beschouwd. In het begin van de 20e eeuw werden slaap en waken voorgesteld als de twee uitersten van een continuüm. Waken werd geassocieerd met veel hersenactiviteit en bewustheid, slaap met weinig hersenactiviteit en onbewustheid.

Nu weten we dat onze hersenen allesbehalve passief zijn tijdens de slaap. Tijdens verschillende fasen van de slaap zijn verschillende hersenstructuren in verschillende mate actief. Ook heeft men ondertussen aangetoond dat bepaalde hersenactiviteit noodzakelijk is vooraleer slaap kán optreden. Mensen met schade aan de anterieure hypothalamus bijvoorbeeld zijn niet in staat om te slapen en lijden aan chronische insomnia. Dat alles wijst er op dat slaap een actieve staat is die actief opgewekt wordt door ons brein.

De evolutionaire functie van slaap is nog onbekend. Wel weten we dat alle zoogdieren slapen en dat sleep deprivation (slaaptekort) resulteert in sleep rebound. Wanneer zoogdieren worden verhinderd om te slapen, halen ze die in, zodra ze daar de kans toe krijgen. Hetzelfde geldt voor de REM-slaap, een specifieke soort slaap.

Gebrek aan slaap beïnvloedt vooral onze cognitieve vermogens. Zo is het moeilijk om onze aandacht erbij te houden of om ons te concentreren na een slapeloze nacht. Slaap is niet zomaar belangrijk, het is levensnoodzakelijk. Ratten die 2 tot 3 weken van hun slaap worden onthouden, gaan dood. Wanneer ze enkel van hun REM-slaap worden onthouden, leven ze nog ongeveer dubbel zo lang.

Hoewel neurowetenschappers dus nog niet helemaal achter de functie van slaap zijn, weten we dat het invloed heeft op onze cognitieve vermogens en dat we niet zonder slaap kunnen.

Slaap kent verschillende fasen. Iedere slaapfase wordt gedefinieerd op basis van de gemeten hersenactiviteit en die hersenactiviteit wordt gemeten door middel van een EEG of elektro-encefalogram.

Elektro-encefalografie is een methode om de elektrische activiteit van ons brein te meten. Bij een elektro-encefalogram, afgekort EEG, worden elektrodes door middel van een muts op verschillende locaties op de schedel geplaatst zodat de algemene elektrische activiteit van het brein kan worden gemeten. Ons brein heeft een grillige vorm waardoor het EEG niet in staat is om de elektrische ladingen in de diepe groeven van ons brein te meten. Wat met een EEG wordt gemeten, is de som van de activiteit van de hersengebieden die het dichtst bij de schedel liggen, namelijk de hersenschors.

Die opgetelde elektrische activiteit vormt een patroon. Dat patroon is afhankelijk van a) het aantal actieve neuronen, b) de snelheid waarmee de neuronen vuren en c) de synchroniciteit waarin de actieve neuronpopulaties vuren (= of neuronengroepen gelijktijdig vuren of niet).

a) het aantal actieve neuronen

Vroeger dacht men dat de hoeveelheid neuronen overeenkwam met de mate van bewustzijn of arousal. Men meende dat meer actieve neuronen meer bewustheid betekende en minder actieve neuronen overeenkwam met minder bewustheid.

Aangezien de EEG met elektroden aan de hoofdhuid wordt gevestigd, kan men enkel de activiteit van de neuronen aan het oppervlak van het brein meten. Activiteit in interne structuren zoals het limbische systeem en de basale ganglia worden niet opgepikt door de EEG.

b) de snelheid waarmee neuronen vuren

De snelheid waarmee neuronen vuren heeft invloed op de weergave van de algemene hersenactiviteit van de EEG. Wanneer neuronen snel vuren resulteert dat in snel opeenvolgende pieken en dalen. De frequentie is dan hoog. Wanneer neuronen traag vuren zijn er lange, golvende bewegingen te zien op de EEG. De frequentie is dan laag.

c) Synchronisatie en desynchronisatie

Tijdens het waken zijn verschillende neurale netwerken ieder afzonderlijk bezig met het verwerken van informatie. Verschillende neuronengroepen vuren dan op verschillende momenten (niet synchroon). Wanneer de hersenactiviteit op dat moment wordt gemeten, levert dit een patroon op van lage amplitudes, in hoge frequenties.

Tijdens het slapen vuren verschillende neuronengroepen gelijktijdig (synchroon) maar minder snel. Dat levert een patroon op van hoge amplitudes met een lagere frequentie.

Omdat neuronengroepen tijdens diepe slaap gelijktijdig vuren, spreekt men van gesynchroniseerde hersenactiviteit. Omdat verschillende neuronengroepen op verschillende momenten vuren tijdens het waken (en tijdens de REM-slaap) noemt men deze hersenactiviteit desynchroon.

De grafiek interpreteren

De amplitude is de grootste afwijking ten opzichte van de tijd-as. De frequentie is het aantal malen per seconde dat een cyclus wordt doorlopen. De frequentie wordt uitgedrukt in Herz. Op basis van de frequenties worden er verschillende patronen van elkaar onderscheiden.

Golven met een frequentie van 1-4 Herz worden deltagolven genoemd. Golven met een frequentie van 4-7 Herz zijn thètagolven. Golven met een frequentie van 8-13 Herz noemen we alfagolven. Golven met een frequentie van 14-40 Herz worden bètagolven genoemd en golven met een frequentie van 40-60 Herz zijn gammagolven.

De alfabetische volgorde van de namen is niet logisch, dat komt door historische redenen. Alfagolven werden als eerste ontdekt, daarna ontdekte men de bètagolven enzovoort. (De grenswaarden die de naam van de golfsoort bepalen, zijn gebaseerd op afspraken tussen vakgenoten. Verschillende onderzoekers gebruiken soms andere grenzen dus het aantal Herz dat als grenswaarde wordt gekozen kan in sommige boeken of bronnen een paar Herz verschillen.)

De uitvinding van de EEG is heel nuttig geweest voor slaaponderzoek en de definities van de verschillende slaapfasen zijn op de resultaten van de elektro-encefalografie gebaseerd. Op basis van de patronen die de EEG tijdens de slaap weergeeft, worden er vier slaapfasen van elkaar onderscheiden: drie niet-REM-fasen en één REM-fase. REM staat voor rapid eye movement en verwijst naar de snelle oogbewegingen die tijdens deze fase van de slaap worden waargenomen. Tijdens de niet-REM-fases zijn de snelle oogbewegingen er (zoals de naam al doet vermoeden) niet.

De eerste slaapfase, NREM-1, is een korte periode tussen waken en slapen en duidt de overgang aan van waken naar lichte slaap. Tijdens NREM-1 worden de oogbewegingen trager en vermindert de algemene hersenactiviteit. Meer dan 50% van de gemeten hersengolven bestaat uit theta-activiteit (hersengolven van met een frequentie van 4 tot 7 Hz).

Tijdens de tweede slaapfase, NREM-2, is de slaap nog licht, maar zijn we al moeilijker wakker te maken. De hersenactiviteit wordt nog iets langzamer en bestaat voornamelijk uit ritmische theta-activiteit (4-7 Hz), die af en toe wordt onderbroken door korte periodes van snellere activiteit.

Die uitbarstingen van snellere activiteit worden spindles genoemd. Spindles zijn korte uitbarstingen met frequenties van 7 tot 14 Herz. De spindles zijn afkomstig van de oscillerende interactie tussen cellen van de thalamus en cellen van de cortex.

Een ander fenomeen dat typisch is voor de tweede slaapfase zijn K-complexen. Dat zijn elektronegatieve golven met een hoge amplitude en een lage frequentie gevolgd door elektropositieve golven. K-complexen kunnen ook in andere slaapfasen voorkomen, maar worden het meest gezien in NREM-2.

Tijdens de derde slaapfase, gaat de lichte slaap over in diepe slaap. Tijdens de diepe slaap zijn onze ademhaling, onze hartslag en onze hersenactiviteit het laagst en worden we nog maar moeilijk wakker.

Er wordt door sommige onderzoekers een onderscheid gemaakt tussen NREM-3 en NREM-4. NREM-3 wordt gedefinieerd door de aanwezigheid van minstens 20% delta-activiteit (dat zijn hersengolven met een frequentie van 0-4 Herz). NREM-4 wordt gedefinieerd door de aanwezigheid van minstens 50% delta-activiteit. De achtergrondactiviteit bestaat dan uit theta-golven. Zowel NREM-3 als NREM-4 worden onder de derde slaapfase gerekend en zijn vormen van diepe slaap.

Na de diepe slaap volgen opnieuw lichtere slaapfasen, en die worden gevolgd door een vierde slaapfase: de REM-slaap. REM-slaap wordt ook wel droomslaap genoemd. Dromen komen ook in de overige slaapfasen voor maar tijdens de REM-slaap zijn de visuele cortexgebieden en de gebieden die instaan voor emotie extra actief, waardoor de meest intense en levendige dromen zich in deze slaapfase voordoen.

Iedere opeenvolging van lichte naar diepe naar lichte naar REM-slaap wordt een slaapcyclus genoemd. Tijdens een nacht worden ongeveer vijf slaapcycli van elk 90 á 100 minuten doorlopen.

De opeenvolging van de verschillende slaapfasen in een nacht wordt traditioneel voorgesteld door middel van een slaaphypnogram, maar omdat die weergave voor veel mensen verwarrend is, geven wij ze hier weer als een tijdlijn.

Meestal komen alfagolven (frequenties tussen 8 en 13 Herz) voor van zodra we onze ogen sluiten. Vanuit die ontspannen staat komen we in de eerste NREM-fase terecht. NREM-1 doet zich voor tijdens de overgang van waken naar slapen. We zijn dan nog niet echt aan het slapen maar we voelen ons slaperig worden en ons lichaam ontspant. Bij wie sterk is in fantaseren, kunnen er levendige beelden voorbijkomen, en soms kan je geluiden horen. De beelden en geluiden behoren tot de imaginatie en worden hypnagogia of hypnagoge hallucinaties genoemd.

Na ongeveer 20 minuten komen we in NREM-2 terecht. Tijdens deze fase kunnen korte dromen voorkomen. De dromen zijn niet zo levendig en emotioneel als de meeste REM-dromen en worden daardoor minder vaak herinnerd.

Na zo’n 40 minuten komen we in NREM-3 of diepe slaap terecht en even later zakken we nog dieper weg in NREM-4. Diepe slaap is vooral aanwezig in het begin van de nacht. In de loop van de ochtend worden de periodes van diepe slaap korter en aan het einde van de slaap, komt er (zoals je op de tijdlijn kan zien) bijna geen diepe slaap meer voor.

Vanuit diepe slaap wordt er stapsgewijs weer opgeklommen naar NREM-3-2-1 tot er een episode van REM-slaap aanbreekt. De REM-fase is de fase van de slaap waarin we de meest levendige en emotioneel intense dromen beleven. Dat komt doordat bepaalde hersengebieden zoals de amygdala, de parahippocampale gyrus, de anterieure en de posterieure cingulate cortex (allemaal limbische gebieden) op dat moment veel actiever zijn dan tijdens het waken. Die gebieden worden geassocieerd met emotie en seksueel gedrag, wat de hevige emoties en de extra doorbloeding van de geslachtsdelen tijdens de REM-slaap verklaart.

Andere gebieden zoals de dorsolaterale prefrontale cortex, zijn tijdens de REM-slaap net minder actief dan tijdens het waken. De dorsolaterale prefrontale cortex staat in voor uitvoerende functies zoals het controleren van gedrag. Dat die gebieden tijdens de REM-slaap verminderd actief zijn, verklaart wellicht waarom we vaak zo impulsief handelen in dromen, of waarom we ons zo weinig vragen stellen bij wat er gebeurt.

Na de REM-fase is de eerste slaapfase voltooid en kan de cylcus opnieuw beginnen. Iedere cyclus duurt ongeveer 90 minuten, en we halen gemiddeld zo’n 5 cycli per nacht, wat overeenkomt met 7,5 uur slaap.

Ons slaappatroon verandert in de loop van ons leven. Baby's slapen gemiddeld zo'n 17 á 18 uren per dag. Het aantal uren slaap vermindert tot 10 á 12 per dag bij vierjarigen en zakt vervolgens verder af tot de normale hoeveelheid van 7 á 9 uren bij jongvolwassenen. Bij pasgeborenen bestaat zo'n 50% van de slaap uit REM-slaap. Ook dat percentage daalt tot 20 á 25% bij jongvolwassenen en zakt gradueel verder af tot 15 á 20% bij ouderen.

Ouderen worden ook vaker wakker tijdens de slaap, inslapen duurt meestal wat langer en de slaap wordt minder diep. Dat zijn normale gevolgen van het ouder worden, ook al kunnen ze onprettig zijn.

Daarnaast kan het slaappatroon ook individueel verschillen, sommige mensen hebben nood aan 9 of 10 uur slaap terwijl anderen zich al na 6 uur uitgerust voelen.

Afwijkingen van het normale patroon wijzen dus niet noodzakelijk op een slaapstoornis. Sommige mensen hebben nu eenmaal meer of minder slaap nodig dan anderen.