Series : BRAIN - Part 3

우리는 왜 잠을 잘까. 이번 글에서는 잠에 관한 많은 것을 살펴보자.

잠을 자는 것은 얼마나 행복한 일인가.

잠의 특징부터 알아보자. 잠을 동안 크게 3가지의 특징을 가진다.

1. 움직임 감소
   잠을 잘 때는 우리의 움직임이 크게 감소함을 확인할 수 있다. 비록 혈액의 순환을 위해서 뒤척이며 근육을 움직이긴 한다. 그러나 깨어있을 때보다는 확실히 감소한다.
   물론 몽유병(somnambulism) 이라는 예외는 존재한다.
2. 반응 감소
   외부의 자극에 대한 반응이 감소하는데, 이를 decoupling of external input이라고 부른다. 즉, 외부 자극을 무시하는 것이다. 이에 관해서는 망상체 (reticular formation)가 관여를 한다고 알려져 있으며, NREM2 (나중에 더 자세히 알아보자)에서 나타나는 특징적인 뇌파가 연관이 되어있다고 생각된다.
3. 특징적인 뇌파
   아까 이야기 한 것처럼 특징적인 뇌파를 가진다. 이를 이용해 우리는 잠을 더 세분화 하기도 하는데...

Stages of Sleep

잠을 크게 REM과 NREM으로 나뉜다.

REM은 rapid eye movement라는 뜻으로, 실제로 눈이 움직인다. 혹시 잠을 자는 사람의 눈동자가 빠르게 떨리는 것을 본 적 있는가? 그 사람은 현재 REM 수면에 있는 것이다. REM 수면은 꿈과 연관이 있다고도 알려져 있다. REM 수면 단계에서 사람을 깨우면 더 많이 꿈을 기억한다고 한다.

반대로 NREM은 non-REM 이다. 단순하다.

또한 각 잠의 단계는 여러 신체적 특징을 가지는데, 대표적으로 호흡 패턴 등이 있다. 하지만 그 중에서도 뇌파는 REM과 NREM 뿐 아니라 NREM 를 3가지 단계로 세분화 한다. 우리는 뇌파를 EEG 라고 불리는 기술을 통해 측정할 수 있다.

EEG

뇌가 전기 신호를 통해서 정보를 전달한다는 것을 알고 있을 것이다. (생각해보니까 아직 뉴런에 대한 글도 작성하지 않았는데 잠에 대해서 설명을 하는 것이 맞을까 하는 의문이 든다.) 따라서 뉴런에서 전류가 흐르면 전자기 유도에 의해서 미세한 자기장이 생기고, EEG은 이러한 변화를 감지할 수 있다.

잠에 들면 뉴런은 synchronized가 된다. 즉, 한 번에 전류가 통하고, 따라서 특징적인 뇌파 (느리고 진폭이 큰)을 보인다.

다시 돌아와서.

NREM은 NREM1, NREM2, NREM3로 세분화된다.

평상시 상태부터 알아보자. 이 경우 매우 폭이 좁고 짧은 뇌파인 beta wave가 주를 이룬다.

잠에 들기 시작하면 우선 NREM1으로 이동한다. NREM1에서는 beta wave보다는 alpha wave가 더 주된 파동이다. 더 진폭이 크고 느리다. NREM1의 후반에서는 서서히 theta wave가 나오기 시작한다. (더 느리다)

NREM2에서는 theta wave 가 주를 이루며, 동시에 K-complex와 sleep spindle이라는 2가지 특징적인 현상이 일어난다. K-complex는 관측되는 뇌파 중 가장 큰 파동이다. (와우) K-complex 이후 sleep spindle이 일어나 높은 진동수를 가진 파동이 기록된다. 이가 앞서 보았던 decoupling을 일으킨다고 생각되기도 한다.

NREM3에 도달하면 이제 더 느리이인 파동인 delta wave가 관찰된다. 이때 heart rate, breathing 등이 가장 느리게 일어나 deep sleep으로 불린다.

NREM3 이후에는 다시 NREM2, NREM1를 지나고 이제는 REM 수면에 도달한다. REM 수면은 특이하게 깨어 있는 상태와 유사한 뇌파를 보인다! 따라서 REM 수면을 paradoxical sleep 이라고도 부른다.

이렇게 분석한 뇌파를 통해 우리는 잠을 실시간으로 분류할 수 있고, 이를 도표로 나타낸 것을 hypnogram이라고 한다. 이때 hypnogram에서는 몇 가지 특징을 확인할 수 있다.

1. 잠에 들면 우선 NREM1 -> NREM2 -> NREM3 -> NREM2 -> NREM1으로 이동한 후 REM을 거치는 것을 반복한다.
2. 한 사이클은 약 1 - 1:30 또는 2:00 정도이다.
3. 잠이 진행될 수록 NREM3의 시간이 감소하거나 거치지 않으며, REM의 시간이 늘어난다.

그래서 우리가 잠을 자는 이유는 무엇일까? Peter Tripp의 case study로부터 우리는 잠이 반드시 필요한 것임을 확인할 수 있다. 상당히 유명한 이야기로, 그는 잠을 오래 자지 않아서 정신 이상을 겪고, 나중에 잠을 오래 잔 후에도 정신적인 영향을 받았다.

크게 3가지의 가설이 제시되고는 한다.

Recuperation Theory

이 가설에서는 잠이 뇌가 회복이나 clean 등의 작업을 거치는 방법이라고 주장한다.

1. Glymphatic System

우리 뇌는 잠을 잘 때 (또는 기절했을때...) glymphatic system이 작용하여 다양한 노폐물을 처리한다. 잠을 잘 때 CSF (뇌척수액)이 세포 사이사이를 흐르며 노폐물을 배출하는 과정으로, 실제로 실험을 통해 잠을 잘 때 세포 사이 공간이 늘어나는 것을 확인하였다. 처리되는 대표적인 노폐물로는 amyloid beta가 있는데, 이는 alzheimer's disease의 가장 주된 원인으로 꼽힌다.

2. Immune System

잠을 자지 않으면 병에 잘 걸린다.

3. Growth Factor

조직에 손상이 있으면 growth factor가 분비되어 세포의 분열을 촉진해 조직을 치유한다. 어떤 연구에서는 잠을 잘 때, 그 중에서도 NREM3에서 GF의 분비가 가장 많이 됨을 확인하였다.

Evolutionary Adaptation Theory

밤은 위험하다. 섣불리 활동하면 죽는다. 따라서 우리 몸이 굳이 이동하지 않을 거, 에너지를 아끼자 하고 잠을 자는 것이라고 말한다.

인간 뿐 아니라 다른 동물들도 각 동물의 특징에 따라서 다양한 잠의 형태를 취한다. 위험에 노출되어 있는 돌고래는 뇌 반구만 잠을 자기고 하고, 천적이 없는 호랑이는 럭셔리한 잠을 취한다.

그러나 이 가설은 맹점이 하나 있다. 잠을 자는 것은 천적에서부터 무방비한 상태이다. 따라서 생존에 불리하게 작용하는 기작일 수 있다. 흠....

Brain Plasticity Theory

Brain plasiticity는 뇌 가소성이라고 하며, 뇌의 조금씩 변하며 적응할 수 있는 능력을 말한다. 대표적으로 기억을 처리할 때 뇌는 뉴런 사이 연결을 변화시키는데, 이 가설은 여기에 집중한다. 뇌가 잠을 거치며 기억을 처리한다는 것이다. REM에서는 procedural memory (움직임과 연관된 기억)이 처리되고, NREM3에서는 declarative memory (말하고 정의내릴 수 있는 기억, 예를 들면 sementic memory: 목성은 태양계에서 가장 큰 행성이다. 또는 episodic memory: 나는 어제 밥을 먹었다. 등이 있다.) 가 처리된다고 말한다. 하나의 사례가 이를 뒷받침하는데 바로 아기이다. 아기는 모든 것이 새롭고, 많은 정보를 처리해야 한다. 그러나 나이가 들 수록 처리해야 하는 정보량이 감소한다. 이가 아기가 어른 (또는 청소년)에 비해서 잠을 많이 자는 것과 상동한다는 것이다.

이번에는 분자적인 기작으로 넘어가서 어떻게 우리가 circadian rythm을 가지는지 알아보자.

이러한 기작을 알기 위해서 과학자들은 초파리에 변이를 일으켰고, 더 짧은 주기를 가지는, 더 긴 주기를 가지는, 그리고 주기가 나타나지 않는 변이를 얻었다. 이를 통해서 특정 유전자가 circadian rythm에 관여함을 알 수 있다.

추후 연구를 통해서 그 변이는 period과 timeless gene 에 의한 것임을 확인하였다. 이 기작에 관해서 자세히 알아보자.

우선 period gene과 timeless gene이 있다. 이 둘은 각각 PER과 TIM을 번역하고 PER과 TIM은 dimer를 이루어 period gene과 timeless gene의 전사를 억제한다. 눈치를 챌 수 있었을까? Period gene과 timeless gene은 자신의 결과물에 의해서 억제된다. 즉, negative feedback이고, 때문에 주기를 가진다.

조금 더 자세히 알아보자.

우선 clock gene과 cycle gene이 있어 각각 CLK와 CYC을 encoding한다. 이들은 period gene과 timeless gene의 transcription factor로 작용한다.

또, 빛이 circadian rythm에 영향을 주는 이유도 알 수 있다. Cryptochrome cry gene은 CRY를 번역하는데, 이 CRY가 빛에서 형태가 변하고, TIM에 결합한다. 그러면 proteasome이 TIM을 분해한다. 따라서 빛이 들어오는 시점부터 TIM이 사라지고 PER/TIM complex로 분해되어 period gene과 timeless gene의 전사가 시작된다.

그러나 period gene과 timeless gene의 mRNA보다 PER과 TIM의 양이 늘어나는 시간이 느리다. 즉, 약간의 delay가 필요하고 이는 double time gene에 의해서 번역되는 DBT가 PER를 분해하여 가능하게 한다.

이거 노벨상 주제였다.

이번에는 다양한 물질이 어떻게 잠과 연관되는지 알아보자. 일반적으로 각성이 되면 잠에서 깨고 (당연하지) 따라서 Norepinephrine과 같이 sympathetic nervous system과 연관된 친구들은 alertness을 담당한다. 반대로 진정과 연관이 있는, 특히 GABA receptor (GABA라고 하는 물질에 의해서 열리는 Cl- channel. 일반적으로 IPSP, 즉 시냅스에서 억제성 신호를 전달하는 역할이다.)를 활성화하는 다양한 물질은 잠을 돕는다. 대표적으로 alcohol, barbiturate, benzodiazepin이 있다.

대표적으로 3가지를 살펴보자.

Adenosine

밥을 먹으면, 즉 활동하기 위해서 충분한 에너지가 있으면 우리 몸은 세포호흡을 통해서 ATP를 생산한다. 반면, 에너지를 소모하여 활동을 하면 ATP는 가수분해되어 ADP + Pi이 된다. 여기서 더 쪼개질 수 있고 (또는 바로 ATP에서 쪼개지기도 한다.) AMP + 2Pi가 될 수 있다. 이때 여기서 더 나아가면...

자. Adenosine 어디서 많이 들어본 친구다. DNA를 이루는 4개의 base 중 하나다. 즉, ATP에서 인산기가 완전히 제거된 형태이다. 따라서 우리 몸이 에너지 소모가 많아질 수록 adenosine의 양이 많아진다. 우리 몸은 adenosine receptor에 의해서 졸임을 느낀다.

여기가 아주 재미있는데, 정말정말 유명한 물질, 카페인이 바로 adenosine 수용체에 결합하여 작용한다. caffeine의 분자 구조를 본 적이 있다면 adenosine과 상당히 유사한 것을 확인할 수 있을 것이다. 따라서 카페인은 이 수용체에 경쟁적 억제제로 작용하여 잠을 깨운다. 초콜릿에 들어있는 theobromine과 theophylline도 유사하다.

Melatonin

이것도 많이 들어보았을 것이다.

Melatonin은 tryptophan에서부터 합성되는 물질로 pineal gland에서 만들어진다. 우리가 잠을 자기 전 melatonin 농도가 급격히 올라가는 것을 확인할 수 있다.

여기도 아주 재미있는데, 자기 전에 핸드폰 하면 왜 잠이 안 오는지 알 수 있다. 또는 블루 라이트가 왜 수면에 방해되는지도.

우리 눈에는 빛을 감지하는 photoreceptor가 두 종류 있어서 각각 명암을 감지하는 rod cell과 색을 감지하는 cone cell이다. 이들은 빛을 세포 신호로 바꾸는 phototransduction을 담당한다. 이 신호는 bipolar cell을 거쳐 retinal ganglion cell로 이동하고, retinal ganglion cell은 이 신호를 뇌로 전달한다. 그러나 아주 일부의 retinal ganglion cell은 melanopsin이라는 물질을 가지고 있어 직접 빛을 감지하는데, 이들은 intrinsically photosensitive retinal ganglion cells, 줄여서 ipRGCs라고 한다. 이들은 retinohypothalamic tract (RHT, 이름에서부터 알 수 있 듯 retina, 망막에서 hypotalamus로 이동하는 경로를 말한다.) 을 거쳐 suprachiasmatic nucleus (SCN)으로 이동한다. SCN은 pineal gland를 억제한다. 종합하면 빛이 있으면 SCN이 activate 되고 pineal gland가 억제된다. 빛이 잠을 안 오게 하는 것이다. 이때 melaopsin이 흡수하는 파장대는 주로 파란색이다. 따라서 불루라이트가 수면에 좋지 않다.

Histamine

앞선 두 물질은 잠을 오게 하였다면 histamine은 반대이다. Hypothalamus는 잠과 연관되어 있는 것으로 알려져 있는데, 이 중 tuberomammillary nucleus에서 histamine이 생산된다.

혹시 비염이 있는 사람이 있다면 비염약이 지독하게 졸린 것을 알 수 있다. 왜 그럴까.

비염, 또는 알러지는 비만 세포에 의해서 histamine이 과도하게 분비되어 발생한다. 따라서 일반적인 처방은 이를 막는 antihistamine이다. 그러나 histamine은 잠을 촉진하므로 antihistamine이 들어간 약을 먹으면 졸린 것이다.

지금 이 글은 새벽 2:30에 적고 있다. 따라서 매우 졸리다. 이제 NREM1으로 갈 시간이다.

출처:

About the Open Neuroscience Initiative - Austin Lim, PhD

한국과학영재학교 기초뇌과학 수업 (재미있으니까 수강 ㄱㄱㄱ)