[기말고사] 9장. 수면과 각성
· 용어 프리뷰
| 용어 | 의미 |
| 내인성 주기 (Endogenous Cycle) |
신체의 활동, 비활동의 주기 (일년율, 일주율, 초일주율 등이 있다.) |
| 생체시계 (Biological Clock) |
신체는 시간의 흐름을 몰라도 일정한 내인성 주기를 갖는데, 이게 가능하기 위한 기제 |
| 시각교차위핵 (Suprachiasmatic Nucleus, SCN) |
좌시신경과 우시신경이 교차하는 지점(시각교차)의 위에 존재하는 부위. 주간에 활동하며 교감 신경계 활동을 일으키고 솔방울샘에 영향을 준다. |
| 내재 감광성 망막신경절세포 (Intrinsically Photosensitive Retinal Ganglion Cell, ipRGC) |
뇌 깊숙한 곳에 위치한 SCN에서 빛을 감지하기 위한 세포. 멜라놉신이라는 광색소를 함유하여 빛의 평균량에 반응한다. |
| 리봇의 법칙 (Ribot's Law) |
뇌 손상 시 손상 이전의 기억은 그것이 형성된 역순으로 영향을 미친다는 법칙. 즉, 최근에 얻은 기억일 수록 뇌 손상에 쉽게 손상된다는 것. 기억 저장에 시간이 걸림을 의미한다. |
| 기억의 응고화 | 감각정보를 단기기억으로 저장한 뒤, 이를 장기기억으로 바꾸는 과정을 의미한다. |
| PGO파 | Pons(다리뇌), Geniculate Nucleus(무릎핵), Occipital Cortex(뒤통수엽)에 관여하는 파동. 겉질의 일부를 활성화시켜 기억을 응고화하고 꿈을 만드는데 기여하는 것으로 보임. |
· 내용 정리
'내인성 주기(Endogeneous Cycle)'란 신체 활동-비활동의 주기로, 주기의 길이에 따라 일년율, 일주율, 초일주율 등으로 나뉜다. 내인성 주기는 수면-각성, 사람의 기분, 체온, 약물에 대한 민감성 등에 존재한다.
하늘다람쥐에 대한 실험에서, 하늘다람쥐를 지속적인 어둠 속에 두고 쳇바퀴 돌리기로 활동 기간을 측정할 때, 하늘다람쥐는 24시간보다 약간 짧은 각성-수면 주기를 가진다. 즉, 신체는 스스로 활동과 비활동의 주기를 생성해 낸다는 것이다. 이것을 가능하게 하기 위해 신체에는 내부 생체시계(Biological Clock)이 존재할 것을 추정할 수 있다. 이 때, 인간의 일주율은 정확히 24시간이 아닌데, 이를 가만히 두면 조금씩 주기가 변경될 것이다. 즉, 매번 생체시계를 재설정하여 리듬을 유지시켜야 한다.
이를 가능하게 하는 것이 시간부여자(Zeitgeber)와의 상호작용이다. 시간부여자 중 가장 중요한 것은 빛(or 햇빛)으로, 햇빛이 없는 상황에서의 일주율은 24.2~24.9시간 정도로 나타나게 된다. 빛 이외에는 신체 활동, 음식 섭취, 기온, 수면 호르몬 등이 시간부여자로 작용할 수 있다.
| 시간 단서가 없는 환경에서 인간의 일주율 측정 결과 | |
| 항상 밝은 환경 | 24시간보다 짧음 |
| 항상 어두운 환경 | 24시간보다 김 |
| 자기 마음대로 빛을 켜고 끌 수 있는 환경 | 25시간에 가까움 |
그렇다면 이러한 생체시계는 어디에 위치할까? 실험 결과 시각교차위핵(SCN, 시교차상핵)이 신체의 총괄 시계(Master clock)으로 밝혀졌다. 즉, SCN이 손상되면 일주율이 교란된다.
SCN은 동물이 주행성인지 야행성인지에 상관없이 오직 주간에만 활동하며, 교감신경계를 활동시켜 솔방울샘의 멜라토닌의 분비에 관여한다. 저녁에 빛이 감소하면, 교감뉴런의 활동이 감소하고, 멜라토닌이 분비되어 각성, 수면에 관여하는 뇌줄기 구조들을 조절하는 것이다.
이 때, 위의 사진에서 알 수 있듯이, SCN은 뇌 깊숙한 곳에 위치한다. 그런데 어떻게 빛을 감지해서 주간에만 활동할 수 있는 것일까? 이를 위해 감광신경절세포(ipRGC)가 망막에 위치한다. 이 세포는 일반적인 망막신경절세포(RGC)를 통한 시각수용기 입력과 달리, 망막-시상하부 경로를 통해 SCN으로만 빛 정보를 전달한다. 이를 위해 멜라놉신이라는 광색소를 함유한다. ipRGC에서는 빛의 순간적인 변화가 아니라, 빛의 전체 평균량에 반응한다. 즉, 빛의 유무에 느리게 반응한다. 또한, 주로 단파장(파란색) 빛에 반응하는데, 이로 인해 휴대폰, TV 등 단파장 빛을 방출하는 기기에 밤에 노출되면 일주율의 위상이 지연되어 평소와 같은 시간에 잠들기 힘들어진다.
그렇다면, SCN은 어떻게 생채시계의 역할을 할까? SCN은 다른 구조의 입력이 없더라도 자신의 리듬을 유지할 수 있는데, 이는 세포 내에서 일어나는 단백질 생성과 분해의 진동을 이용한다. SCN 뉴런들의 내인성 리듬(활동전위의 일주율)이 솔방울샘의 멜라토닌 분비를 조절한다. 빛이 멜라토닌 분비를 억제하므로, 낮에는 멜라토닌이 적고, 밤에는 많다. 또한, 뇌하수체를 통해 콩팥위샘의 코르티솔(Cortisol)의 분비에도 영향을 미쳐, 아침에는 코르티솔이 많고, 밤에는 적다.
이제까지 내인성주기에 대해 알아보았다. 그렇다면 각성과 수면은 어떻게 조절될까? 이러한 과정은 외부자극과 신체 활동으로 인한 수동적 과정이 아니라, 뇌가 연출하는 능동적인 과정이다. 즉, 각성 중추나 수면 중추가 존재하는 것이 아니라, 흥분과 억제의 상호작용 회로가 작동한 결과이다.
또한, 수면은 REM수면과 NREM수면으로 구분되고, NREM수면은 1단계부터 4단계까지 구분된다. 이 때, NREM 3단계와 4단계는 '서파수면'이라고 부른다. 또한, 수면 단계의 주기를 보았을 때, 첫 4시간은 대부분 서파수면이며, 그 다음 4시간은 대부분 REM수면이다. 이 때, 꿈은 주로 REM수면에서 꾸게 된다. NREM 수면에서도 꿈은 꾸지만, 그 비중이 REM수면에서의 수면보다 적고 REM 수면은 감정적인 꿈을 꾸는 것과 달리, NREM 수면의 꿈은 논리적이고 차가운 꿈을 꾸게 된다.
※ 꿈의 내용으로 인해 신체가 운동하지 않도록 뇌줄기를 억제하고 근육을 이완시킨다. 이 때, REM수면의 신체 운동이 제한된 상태에서 의식만 깨어나게 되면 몸이 안움직여 진다고 느끼게 되고, '가위눌림'이 이러한 현상일 것이라 추측된다.
그렇다면, 사람이 수면을 취하지 못하게 한다면 어떻게 될까(수면 박탈)? 몸만 쓰는 단순한 과제에서는 큰 문제가 나타나지 않지만, 복잡한 과제를 수행할 때에는 문제가 발생하는 등 여러가지 부정적 효과가 발생한다. 즉, 수면이 뇌를 휴식하게 하는 필수적인 활동임을 의미한다.
신생아 시기부터 노년 시기까지 수면량은 점차 줄어든다. 이 때, 수면량만 줄어드는게 아니라 REM수면량도 줄어드는데, 신생아 시기의 REM 수면량은 NREM 수면량과 비슷한 수준이지만, 아동-청소년기를 지나며 줄어들어 일정한 양을 유지하게 된다(서파 수면 비율 - 25세 미만 20%, 35세 이상 5%). REM 수면의 비율이 어릴수록 크다는 점에서, REM 수면이 새로운 시냅스의 형성과 관련 있음을 추측할 수 있다. 추가적으로, 학습이 일어난 후에 REM 수면이 증가하는 것을 관찰할 수 있었으나, REM 수면을 박탈하더라도 학습 능력이 유지된다는 점에서 REM 수면의 구체적인 역할은 불분명하다. 과거의 한 신경망 모델에서는 REM 수면 동안 새로 형성된 가지돌기 가시 대부분이 제거되고, 일부만이 강화되고 유지한다는 점에 착안하여, 우선 순위가 낮은 기억의 처리를 줄이고, 중요한 기억에 접근하기 쉽게 하는 해소학습(Unlearning) 또는 역학습(Reverse Learning)이 일어난다고 설명했다. 즉, REM 수면이 시냅스 가소성(Synaptic Plasticity)을 제어한다는 모델이다.
위의 모델이 아니더라도, 수면이 기억 과정에 중요함은 인정되고 있으나, 각성 상태에서의 학습/기억과는 다른 점이 있다. 낮 동안의 기억은 NREM 동안 재활성화되어, 해마 회로로부터 대뇌겉질로 이동할 수 있으며, 대뇌겉질로 이동한 기억은 REM 동안 강화될 수 있게 된다. 만약, 해마가 손상되면 단기기억이 장기기억으로 발전하기 어려워진다. 이 때, 단기기억이 장기기억으로 변화하는 과정을 기억 응고화(Memory Consolidation, 공고화)라고 한다. 공고화의 존재는 리봇의 법칙(Ribot's Law)에서 말하는 역행 기억상실의 시간적 기울기를 통해 추측할 수 있다. 이는 뇌 손상으로 인한 기억의 손상은 최근의 기억일 수록 더 쉽게 손상된다는 것으로, 기억 저장에 시간이 걸림을 의미한다.
수면은 기억의 재응고화에도 한몫하며, 이중 과정 모형에서는 REM 수면에서는 정서적인 기억이 향상되고, NREM 수면에서는 서술기억이 향상된다고 한다. 이 때, NREM 수면의 역할의 지지증거는 명확하나 그 외에는 애매하다.
| 각성, 수면 상태의 뇌전도(EEG) 기록 동기화된 활동일수록 파동이 크고, 뇌활동이 적음을 의미한다. 비동기화된 활동일수록 파동이 작고, 뇌활동이 많음을 의미한다 |
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| 파동명 | 등장 상태 |
| 알파(α)파 | 이완상태 |
| 베타(β)파 | 능동적 정보처리시, REM수면 |
| 감마(γ)파 | 감각 입력시 |
| 세타(θ)파 | 얕은 수면(NREM 1단계) |
| 델타(δ)파 | NREM 3,4단계 |
| 이외에도 NREM 2~4단계에서 나타나는 수면 방추나 K-복합 등이 존재한다. |
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수면에 대해 쭉 알아보았다. 그렇다면 수면 중에 일어나는 꿈(Dream)이란 무엇일까? 꿈이란 의식의 변경된 상태로, 그 사람의 성격 및 최근 경험을 반영하는 무언가이다. 프로이트의 이론에서는 꿈은 검열 후 왜곡된 무의식적 소망의 표현이다.
꿈에 대한 생물학적 관점에서는 '활성화-합성 가설(Activation-Synthesis Hypothesis)'이 존재한다. 이 가설에서 꿈은 다리뇌에서 자발적 주기적 격발인 PGO파와 함께 시작되며, 이 PGO파를 통해 겉질의 일부를 활성화시킨다고 한다. REM 수면 시 변연계와 마루겉질, 관자겉질 일부와 같이 감정과 동기에 관여하는 부위의 활동을 증가시키고, 시각겉질, 운동겉질과 같이 운동에 관여하는 부위의 활동을 감소시킨다. 다리뇌의 활동으로 편도체가 활성화되고 기타 부위들과 함께 강한 정서적 내용이 만들어진다. 그러나 외부 정보를 수용하거나 논리적 사고를 담당하는 부분은 PGO파에 의해 억제되어 만들어진 정서적 내용에 대해 판단하지 못한다. 그래서 뇌는 이러한 내용을 실제 정보로 해석하고, 기존 기억의 다른 모든 활동과 결합시켜 말이 되는 이야기를 합성하려고 하며, 이렇게 왜곡된 정보를 이해하기 위한 뇌의 노력이 산물이 꿈이다는 가설이다.
· 내용 요약
- 내인성 주기는 망막의 감광신경절세포(ipRGC)를 통해 시간부여자(Zeitgeber)인 빛 정보를 얻어 시각교차위핵(SCN)에서의 단백질 생성-분해 진동을 통해 관리된다.
- 감광신경절세포는 멜라놉신이라는 광색소를 통해 빛을 감지하는데, 이 광색소는 빛의 순간적인 변화가 아니라 전체 평균량에 반응한다.
- SCN은 자율신경계에서 솔방울샘을 통해 멜라토닌 분비를 조절하고, 뇌하수체를 통해 콩팥위샘의 코르티솔 분비에도 영향을 미친다.
- 수면은 REM수면과 NREM수면으로 나뉜다.
- 수면 중 뇌전도(EEG)를 기록하였을 때, REM수면의 뇌파는 깨어있는 것과 비슷한 베타파를 보인다. NREM 2단계는 다른 사람이 보기에는 자는 것 처럼 보이나, 본인은 일어나 있던 것같은 자각을 가지는 단계로, 수면 방추와 K-복합이 나타나기 시작한다.
- 얕은 수면인 NREM 1단계에서는 세타파가 관측되고, 깊은 수면인 NREM 3,4단계에서는 델타파를 관측할 수 있다.
- 8시간 수면을 가정할 때, 첫 4시간은 깊은 수면이 주를 이루고, 뒤의 4시간은 대부분 REM수면이다. 이 때, 수면은 약 2시간을 주기로 REM수면과 NREM 수면을 반복하며, 수면이 길어질수록 REM수면이 길어진다.
- NREM 3, 4단계와 같은 깊은 수면을 서파수면이라고 한다.
- 수면을 박탈당할 경우 복잡한 과제 수행에 문제가 발생한다. 특히 서파수면을 박탈당할 경우 근육, 관절의 통증을 호소하며, REM수면을 박탈당할 경우 집중력 저하, 조바심 등이 나타난다.
- 어린아이는 수면량이 많고, REM수면의 양이 많으나, 나이가 듦에 따라 수면량이 줄고, REM수면 비율도 감소한다.
- 리봇의 법칙은 역행 기억상실의 시간적 기울기를 설명하는 것으로, 최근의 기억일수록 쉽게 손상됨을 말한다. 이를 통해 기억이 응고화되는데에 시간이 필요함을 알 수 있다.
- 이중 과정 모형이란, 서술기억은 NREM 수면에서 향상되고, 정서적 기억은 REM 수면에서 향상된다는 모형이다. 즉, 기억의 종류에 따라 서로 다른 수면에서 강화된다는 것이다.
- 기억을 응고화 시키는 과정은 REM수면에 발생하며, 이를 해소학습 또는 역학습이라 한다. 이는 덜 효과적인 시냅스를 제거하고, 효과적인 시냅스는 강화하고 유지하는 것으로, REM 수면이 시냅스 가소성을 제어하는 기능을 한다.
- 꿈이란 의식의 변경된 상태로, 그 사람의 성격 및 최근 경험을 반영한다.
- 꿈을 설명하는 이론은 활성화-합성 가설로, PGO파를 통해 정서적 활동을 하는 겉질을 활성화 하고 논리적 활동을 하는 겉질을 억제한다. 이로 인해 자극의 진위 여부를 검증하기 어려워지고, 비현실적인 왜곡된 정보를 이해하기 위해 말이 되는 이야기로 합성하려고 하는 뇌의 노력의 산물이 꿈이라는 이론이다.