在脑电图上看到的电活动代表脑电波。特定频率的脑电波振幅对应于睡眠-觉醒周期中的各个点,例如入睡、醒着或入睡。 阿尔法波、贝塔波、θ波、伽马波和德尔塔波都出现在睡眠的不同阶段。每个波形保持不同的频率和幅度。当一个人处于静止状态但仍完全清醒时,就会看到阿尔法波。他们的眼睛可能是闭着的,他们整个身体都在休息,相对静止,身体开始放慢速度。当一个人处于注意力状态时,β波会接管α波,因为他们可能正在完成一项任务或专注于某事。β波由最高频率和最低振幅组成,当一个人完全警觉时就会发生。当一个人高度专注于一项任务或全神贯注时,就会看到伽马波。θ波发生在一个人清醒的时期,它们继续过渡到睡眠的第一阶段和第二阶段。当一个人处于最深的睡眠状态时,在睡眠的第 3 阶段和第 4 阶段可以看到 Delta 波。
睡眠时间很大程度上取决于来自生物钟的荷尔蒙信号,或过程C,这是一个复杂的神经化学系统,它使用来自生物体环境的信号来重建内部的昼夜节律。过程C抵消了白天(在昼夜动物中)睡眠的稳态驱动力,并在晚上增强了稳态驱动力。 视交叉上核 (SCN) 是视交叉正上方的大脑区域,目前被认为是该过程最重要的连接;然而,已经在整个身体中发现了二级时钟系统。
生物钟的生物钟表现出与外部信号相对应的规律节律的生物体被称为夹带;即使外部信号突然消失,夹带的节奏也会持续存在。如果一个被夹带的人被隔离在一个有恒定光明或黑暗的掩体中,他或她将继续经历体温和褪黑激素的有节奏的升高和降低,时间略高于 24 小时。科学家将这种情况称为昼夜节律的自由运行。在自然条件下,光信号会定期向下调整这个周期,以便它与地球日的确切 24 小时更好地对应。
生物钟对身体施加持续的影响,影响体温在大约 36.2 °C 和 37.2 °C 之间的正弦振荡。 视交叉上核本身表现出明显的振荡活动,这种活动在主观白天(即与白天相对应的节律部分,无论准确与否)增强,在主观夜间几乎为零。 视交叉上核中的昼夜节律起搏器与松果体有直接的神经连接,松果体在夜间释放褪黑激素。 皮质醇水平通常在夜间上升,在醒来时达到峰值,并在白天下降。 昼夜节律催乳素分泌始于傍晚,尤其是在女性中,随后因睡眠诱导的分泌而增加,在半夜达到高峰。昼夜节律对夜间分泌生长激素有一定的影响。
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