수면 주기의 신경생물학

인간의 수면은 non-rapid eye movement (NREM, 비급속 안구 운동) 수면​으로 구성되어 있으며 가벼운 NREM(stage 1, 2, N1, N2)와 깊은 수면(stage 3, N3)이 있다. 각성과 NREM 수면의 구별은 EEG(electroencephalogram, 뇌파검사)의 30초 부분을 시각적으로 분석함으로써 가능하다:

깨어 있는 동안 EEG는 낮은 amplitude(<10mV)의 빠른 oscillation(>16Hz)과 alpha rhythm(8-12Hz)의 혼합을 보인다.

가벼운 NREM 수면(N1, N2) 동안 기본 EEG는 느린 theta oscillation(4 ~ 7Hz 사이의 frequency)이 특징이다. 특히 sleep spindle과 K complex는 N2의 landmark이다.

깊은 수면(또는 slow wave sleep, N3) 중 EEG는 높은 amplitude(>75mV)의 느린 wave(0.5-2Hz)을 보인다.

 

Reference> Science Photo Library

 

Rapid eye movement(REM, 급속 안구 운동)는 EEG에서 theta rhythm과 alpha rhythm을 보여 주는 수면 단계이다. REM 수면의 확인은 electrooculogram(전기안구도)에서의 빠른 안구 운동과 완전한 턱 근육 긴장도 소실(chin muscle atonia) 확인을 기반으로 한다. REM 수면 동안 뇌는 매우 활동적이며 대부분의 꿈과 악몽이 이 단계에서 발생한다.

 

인간의 수면은 단상(monophasic)이며 야간에 발생하도록 프로그래밍되어 있는데, 수면-각성 주기(sleep-wake cycle)는 정확하게 조직되고 제어된다. 수면 부족은 수면의 강도와 지속 시간을 보상적으로 증가시키며, 반대로 과도한 수면은 수면 성향을 감소시킨다. 이 과정은 상한과 하한 사이에서 이 압력을 조절하는 수면-압력 조절(sleep-pressure regulation)로 나타낼 수 있다.

 

 

수면 항상성(sleep homeostasis)는 2가지 주요 생리학적 과정의 상호작용으로 설명할 수 있다. 첫 번째 과정은 process S로 알려져 있으며, 깨어 있을 때는 증가하고 잠자는 동안 감소한다. Electroencephalograhic slow wave activity(SWA, 뇌파의 느린 파동 활동)은 수면 항상성의 지표에 해당하며, SWA의 수준은 이전의 수면 및 각성 기간에 의해 결정된다. 두 번째 과정은 생체 시계(internal clock)에 의해 작동되는데, 이를 circardian process(일주기 과정)이라고 한다. 이 circardian rhythm은 수면-각성 주기를 밤낮의 교대로 동기화하는 데 도움이 되는 외부 요인에 민감하다. 주요 외부 동기화 요인으로 빛, 신체 활동, 식사 및 사회적 상호작용을 들 수 있다. 수면의 양은 빠르게 조절되며, 수면 박탈(sleep deprivation)은 많은 신경생물학(neurobiology)적 결과를 초래한다. 밤을 새우고 난 이튿날, 두뇌의 활동은 현저하게 감소한다. 가장 두드러지는 장면으로는 깨어 있기 위해 안감힘을 쓰더라도 잠에 빠지는 상황을 들 수 있다. 그리고 밤을 새운 다음날 밤에 수면 반동(sleep rebound)가 일반적으로 발생하게 된다. 이 수면반동으로 인해 야간 수면의 연장, slow wave sleep의 증가 및 REM 수면의 증가가 나타난다.

 

Reference
Xavier Drouot et al. Sleep neurobiology and critical care illness. Crit Care Clin 31 (2015) 379–391

 

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