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Una fase del sonno particolare è la cosiddetta fase REM. REM è un termine inglese (rapid eye movements), così chiamato perché mentre il nostro sonno è in questa fase noi compiamo movimenti involontari degli occhi, a testimonianza che il nostro cervello sta sognando, e quindi è in piena attività.
II sonno durante la fase REM, la quale si verifica maggiormente nelle fasi di sonno leggero (1 e 2 non-REM), è detto anche "sonno paradosso" e la comparsa dei movimenti oculari è accompagnata da un rilassamento generale del tono muscolare.
L'importanza della fase REM è quasi vitale per la nostra salute perché da essa dipende gran parte della qualità del nostro sonno; infatti mancando la fase REM una persona, pur dormendo a lungo, non riesce a recuperare quell'efficienza psico-fisica che è la meta dell'attività del dormire. La frequenza degli episodi di sonno REM aumenta nel corso della notte ed è testimoniata dal maggior tempo dedicato ai sogni che avviene alla fine del nostro sonno, sebbene è stato recentemente dimostrato che sognamo anche durante il cosiddetto "sonno profondo" (fasi 3 e 4 non-REM).
Gli episodi dovuti all'attività onirica avvengono in genere ogni 90 minuti e diminuiscono con l'aumentare dell'età dell'individuo. Infatti i neonati, e ancor prima i feti, passano gran parte del loro sonno sognando. La durata complessiva media di sonno REM in una notte di sonno si aggira intorno all'ora e mezza, e la durata di un episodio REM è minima appena dopo l'addormentamento, ed è massima alla fine della nottata.
Recentemente è stato appurato scientificamente che la mancanza di sonno REM porta a difficoltà di concentrazione, forte irritabilità, parziale riduzione delle capacità mnemoniche. Se la privazione del sonno REM continua per oltre tre o quattro giorni possono prodursi allucinazioni visive come frequenti sogni ad occhi aperti, oppure comportamenti non usuali come svogliatezza, distrazione, eccessiva disinibinizione.
Inversamente a quanto avviene nel sonno non-REM si ha nel sonno REM un'attivazione dei processi fisiologici. Infatti all'inizio di un periodo di sonno REM il respiro si fa più irregolare ed intenso, polso e pressione arteriosa subiscono delle oscillazioni molto più brevi, e in particolare negli uomini avviene una manifestazione concomitante tipica del sonno REM, cioè l'erezione del pene; in corrispondenza degli ultimi periodi di sonno REM cresce la temperatura corporea e la produzione di ormoni surrenali e i movimenti corporei nella loro totalità aumentano, come se il nostro corpo si preparasse all'imminente fine del sonno.
Durante il sonno non-REM il nostro cervello è in stato di quiete, nella fase REM, invece, è particolarmente attivo e la nostra corteccia cerebrale viene stimolata esattamente come awiene nello stato di veglia. I rapidi movimenti oculari, caratteristici del sonno REM, arrivano puntualmente al nostro cervello che risponde ad essi elaborando precisi messaggi sensoriali, cosicché mentre durante la fase REM sognamo, noi abbiamo la sensazione di vedere scene senza avere la possibilità di compiere nessun movimento. Infatti durante gli episodi di sonno REM di contro all'attivazione dei nostri centri visivi e cerebrali abbiamo l'inattivazione di tutti i centri motori. Ciò significa che durante un sogno in cui abbiamo la sensazione di essere inseguiti da qualcuno, ci capita di vivere il fastidioso contrasto fra la volontà di muoversi, di scappare, e l'incapacità di poterlo fare. Nonostante il nostro cervello sia attivo, il nostro corpo è come paralizzato e non può muoversi liberamente. Questa situazione di attivazione della corteccia cerebrale e di paralisi motoria porta il nostro cervello in una condizione paradossale di isolamento dal mondo esterno. Per questo la fase del sonno REM è anche chiamata sonno paradosso, perché da un lato il soggetto sembra essere nello stato di veglia, e dall'altro sembra dormire in modo molto profondo. Funzionalmente dormiamo ma il nostro cervello è sveglio, in una situazione particolare per cui gli stimoli provengono in gran parte dall'interno e non dall'esterno come avviene invece nello stato di veglia.