[신경과학] 18.2 : brain rhythm의 메커니즘과 잠(sleep) - 1

 

 

이번 포스트에서는 brain rhythm의 메커니즘과 잠(sleep)에 대해 알아보자.

 

 

흥미롭게도 각각의 neuron들이 제각기 다른 activity를 보이지만 이들이 group을 이뤄서 발생시키는 rhythm은 synchronize되어있음. 이는 크게 두 가지 방식으로 설명 가능한데, 하나는 pacemaker cell이 있어서 이 cell에 따라서 전체 rhythm이 조절된다는 것이고 나머지 하나는 그냥 각각이 독립적으로 행동하지만 이들이 모여 collective behavior가 나타난다는 것임.

 

 

 

 

각각에 대한 그림이 위에 나타나 있으므로 참고할 것.

 

 

한편 뇌에서 어떤 oscillation pattern이 나타나는 것과 관해 여러가지 model이 있음. 첫 번째 model은 개별 neuron 수준에서 self-sustained discharge pattern이 나타난다는 것이고, 두 번째 model은 neuron들간에 형성하는 feedback circuit이 존재해서 oscillation이 유발된다는 것임.

 

 

 

 

위 그림의 위쪽에는 excitatory neuron과 inhibitory neuron들이 약간의 term을 두고 상호적으로 regulation하며 주기적인 rhythm을 만들어내는 것과 관련된 모식도가 나타나 있음. 한편, 아래 graph를 볼 시 excitatory signal pattern과 inhibitory signal pattern이 서로 약간 엇갈린 듯이 맞물려 있는 것을 알 수 있음. 이런 식으로 톱니바퀴 물린듯이 돌아간 결과 oscillation이 생기는 것임.

 

 

 

그런데 이런 rhythm에 문제가 생길 시 epilepsy(간질) 혹은 seizure(발작)가 생길 수 있음. 조금 더 자세히 말하자면, excitatory neuron의 대표적인 예에 해당하는 glutamate neuron과 inhibitory neuron의 대표적인 예에 해당하는 GABA neuron 간의 balance가 맞지 않을 시 이러한 질병이 생길 수 있음.

 

 

 

 

 

 

다음으로 sleep에 대해 본격적으로 알아보자. 우선 brain을 functional state에 따라 나눌 시 awake(각성)와 sleep(수면) 상태로 나눌 수 있을 것임. 이 중 sleep의 경우 non-REM과 REM으로 다시 나누어질 수 있음. 참고로 REM은 rapid eye movement의 약자로, U. Chicago의 Nathaniel Kleitman 교수에 의해 처음 제안됨.

 

 

 

 

 

위 그림에는 사람의 sleep 시간 분포가 나타나 있음. 보면 평균적으로 사람들은 7.5시간 정도를 잔다는 것을 알 수 있음.

 

 

 

 

한편 위 그림을 보면 알 수 있는 것처럼 태어난 직후부터 늙어 죽을때까지 지속적으로 수면시간이 감소함.

 

 

 

참고로 nap, 혹은 siesta는 낮잠임. 그 밖에 강제적으로 잠을 못자게 하는 것을 deprivation이라 표현하며, deprivation 시 psychological disturbance가 유발될 수 있음. 그 밖에 특정한 원인에 의해 잠을 못자게 되는 불면증(insomnia)이 나타날 수도 있는데, 이 경우 크게 두 가지 치료법이 있음. 첫 번째는 CBT(cognitive behavioral therapy)이며, 이 경우 의사가 환자의 상태에 대해 문답형으로 질의하고, 그러면서 치료하는 방식임. 두 번째는 drug를 이용하는 방식으로, 대표적으로 이용되는 drug이 Ambien, 혹은 Zolpidem으로 불리는 물질임. 이 녀석은 GABA receptor의 agonist로 작용해 사람을 조금 더 calm down시켜줘 수면이 쉽게 이루어지도록 해주며, non-benzodiazepine drug의 일종임.

 

 

 

 

 

위 그림에는 각 단계에서의 뇌파가 나타나 있음. 우선 awake 상태를 보면 alpha rhythm과 함께 beta, gamma rhythm이 같이 관찰됨을 알 수 있음. 한편 REM sleep을 하고 있을 때는 beta, gamma rhythm만이 관찰됨. 그리고 non-REM sleep은 다시 stage 1, 2, 3, 4로 나누어지는데 stage 1에서는 theta rhythm이, stage 2에서는 spindle과 K complex(특징적인 peak)가, stage 3에서는 delta rhythm이, stage 4에서도 마찬가지로 delta rhythm이 관찰됨.

 

 

 

 

흥미롭게도 위 그림 위쪽에 나타난 것과 같이 사람이 잠에 들면 stage 1, 2, 3, 4의 non-REM 수면을 거쳐 다시 4, 3, 2가 되게 되고 이후 일정 기간동안 REM 수면을 하게 됨. 그러다가 다시 단계를 거쳐 non-REM 수면을 하고, 또 REM 수면을 하고가 반복됨. 그런데 이 때 잠에서 깰 시간이 가까워올수록 REM 수면이 유지되는 시간이 더욱 길어지게 됨. 그리고 매우 흥미로운 점은, 위 그림 아래에 나타나 있는 것처럼 REM 수면을 할 때 eye movement뿐만 아니라 heart rate, respiration rate, penis erection(발기) 정도도 주기적으로 증가함을 확인할 수 있음.

 

 

그렇다면 왜 우리는 이런식으로 중간중간에 REM 수면을 하면서 주기적으로 왔다갔다 하는 형식으로 sleep을 하게 되는 것일까. 진화적인 이유를 생각해보면, sleep을 하는 와중에도 포식자를 경계해야 하기 때문에 중간중간 깨기 직전의 상태인 REM 수면을 하게 되는 것이라 볼 수 있음.

 

 

 

 

 

REM sleep의 경우 주로 beta, gamma rhythm이 관찰되며 paradoxical sleep이라고 생각되었던 적도 있음. REM sleep의 경우 눈도 움직이고 심장 박동도 빨라지는데다가 호흡까지 가빠지므로 매우 active한 상태라 볼 수 있지만, 흥미롭게도 body 자체는 움직일 수 없음. 실제로 body는 paralyze된 상태에서 hallucinating한, 즉 환각적인 상태가 REM sleep시 지속됨. (이 때문에 몇몇 과학자들은 dream과 REM sleep 사이에 밀접한 관련이 있다 보기도 함) 이 때 몸을 움직이지 못하는 현상을 REM Atonia라 부름.

 

 

한편 non-REM sleep의 경우 body가 move할 수 있으며, 이 때 뒤척임이 일어날 수도 있음. non-REM sleep은 앞서서도 말했듯이 stage 1, 2, 3, 4로 나뉘며, 각각 theta rhythm, spindle/K complex, delta rhythm, delta rhythm이 관찰됨. 참고로 stage 3에 비해 stage 4에서 관찰되는 delta rhythm의 amplitude가 더 큼.

 

 

REM sleep, non-REM sleep은 앞서 봤듯이 주기적으로 일어나는데, 그 주기는 대략 90분임. 이처럼 일주기보다 짧게 반복되는 주기적인 cycle을 Ultradian sleep cycle이라 부름.

 

 

 

다음 포스트에서 이어서 살펴보자.