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Lo stato di sonno molto difficile da studiare. Dai risultati degli studi finora compiuti si è definitivamente stabilito che il nostro sonno si compone di quattro fasi principali distinte fra loro e aventi una durata complessiva di circa 90 minuti. Queste quattro fasi si ripetono ciclicamente durante tutto il corso del nostro sonno. La prima e la seconda fase sono definite fasi di sonno leggero mentre la terza e la quarta di sonno pesante. Le fasi di sonno pesante sono particolarmente importanti dal punto di vista della buona qualità del nostro sonno. Tutte e quattro queste fasi costituiscono quello che è conosciuto come sonno non-REM. Oltre a queste quattro fasi ne esiste una quinta chiamata di sonno REM. REM (rapid eye movements) in riferimento al fatto che durante questa fase l'individuo compie inconsci movimenti oculari che testimoniano l'attività del nostro cervello. Questa fase del sonno-REM è contraddistinta anche da un abbassamento generale del tono muscolare. Pur essendo molto breve questa quinta fase è talmente importante dal punto di vista della qualità del sonno che una sua mancanza non permette al soggetto di recuperare la piena efficienza fisica. Fino a poco tempo fa si credeva che si potesse sognare solo durante la fase REM ma ultime ricerche hanno dimostrato che è possibile sognare anche durante le fasi di sonno profondo. Mentre dormiamo il nostro cervello attraversa queste diverse fasi (o stadi), ognuna delle quali è contraddistinta da un'onda cerebrale diversa, cioè da un impulso elettrico particolare che si origina nella nostra mente. Queste onde cerebrali possono essere rilevate e registrate mediante particolari esami elettrici chiamati elettroencefalogrammi (EEG). L'elettroencefalogramma è stato inventato soltanto da circa sessant'anni, ma le sue prime utilizzazioni sono state determinanti per confermare, attraverso un documento registrato, che il sonno è più profondo e ristoratore nelle prime ore e poi pian piano diventa più superficiale e poco ristoratore.

La fase 1 è caratterizzata da un sonno molto leggero durante il quale si compie l' effettiva transizione dallo stato di veglia a quello di sonno. Durante questa fase i processi fisiologici sono ridotti al minimo, i nostri muscoli si rilassano, la pressione del sangue e il polso diminuiscono, il battito cardiaco e la digestione rallentano, così come awiene anche per la respirazione. A livello cerebrale inizia la produzione di ormoni specifici quali la serotonina e la melatonina (associati alla propensione al sonno). All'inverso gli ormoni prodotti invece, durante la giornata, dallo stress e provenienti dalla corteccia surrenale diminuiscono. Queste alterazioni ormonali portano, come conseguenza, ad un'attivazione dei processi di crescita del metabolismo. Siamo in un momento di veglia rilassata. Questa fase rappresenta circa il 5% del tempo che dedichiamo al nostro sonno, si ripete ciclicamente nel corso della notte e può durare da uno fino a oltre dieci minuti.
Nella fase 2 si evidenziano onde di tipo teta, chiamate anche onde "a fusi", e sono più ampie, profonde e lente delle precedenti. Queste onde sono tipiche del sonno leggero caratteristico delle fasi 1 e 2. Il tono muscolare si riduce ancora e i movimenti degli occhi terminano, il nostro stato di coscienza viene completamente abbandonato. La fase 2 è particolarmente importante perchè occupa circa quasi la metà della durata del nostro sonno e la sua apparizione viene considerata come l'inizio del sonno vero e proprio.
La fase 3 rappresenta la fase di transizione e di immersione nel sonno profondo. La quantità di questa fase non supera il 7% della durata complessiva del nostro sonno.
La fase 4 rappresenta la fase più profonda del nostro sonno. La tensione muscolare è assente quasi del tutto. La permanenza nella fase 4 dura abbastanza a lungo, fino ad occupare circa il 14% della durata del nostro sonno. Le fasi 3 e 4 costituiscono quello che è conosciuto come sonno profondo. Frequentemente al termine della fase di sonno profondo (fase 4) compaiono dei piccoli movimenti, come ad esempio il fatto che una persona cambi posizione nel letto. A ciò segue per alcuni minuti il passaggio alla fase 2 e quindi la scomparsa di ogni tensione muscolare e la comparsa, invece, di rapidi movimenti oculari. Ci troviamo a questo punto in piena fase REM. Passano altri pochi minuti e ricadiamo nella fase 2. Poi riinizia il ciclo senza mai passare per la fase 1. Quindi si passa alla fase 3, alla fase 4, si ritorna alla fase 2, poi il secondo periodo REM, e via di nuovo si ricade nella fase 2, e così via. Tutto questa serie di cicli avviene per 4 o 5 volte nel corso della notte. Esiste in questi cicli un andamento inversamente proporzionale fra il periodo di sonno profondo e il sonno REM, perché mentre il primo si riduce mano a mano che trascorre la notte, il secondo invece aumenta. Queste tendenze opposte sono marcatamente riconoscibili nel fatto che se ci svegliamo all'inizio del nostro sonno perdiamo gran parte del ristoro del nostro riposo, se invece ci svegliamo dopo aver dormito a lungo ricordiamo molto meglio ciò che abbiamo sognato (dato che i sogni avvengono maggiormente durante la fase REM). Un ciclo completo di sonno consiste dunque in un alternarsi di sonno non-REM e sonno REM. La lunghezza di ognuno di questi cicli, ripetiamo, è di circa 90 minuti. La suddivisione del sonno in fasi rappresenta una valutazione molto approssimativa e poco precisa di ciò che avviene realmente mentre dormiamo.