서파수면
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1. 개요
서파 수면은 뇌파(EEG) 상에서 0.5~4.5Hz의 느린 델타파가 나타나는 수면 단계로, 비렘수면의 3단계 또는 N3 단계에 해당한다. 기억 통합, 뇌 회복, 시냅스 항상성 유지에 중요한 역할을 하며, 연령과 성별에 따라 개인차가 존재한다. 뇌의 전두엽에서 서파 활동이 우세하게 나타나며, 몽유병, 야경증, 야뇨증과 같은 수면 관련 문제와 관련되기도 한다. 서파 수면은 다양한 약물에 의해 조절될 수 있으며, 한국 불교에서는 숙면 중에도 의식이 깨어있는 상태인 '숙면일여'를 강조한다.
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- 뇌파 - 델타파
델타파는 0.1–4 Hz 범위의 뇌파로, 서파 수면 단계에서 주로 나타나며 시상 또는 대뇌피질에서 발생하여 호르몬 방출을 자극하고 뇌 기능에 영향을 미치며, 뇌파 검사로 감지 가능하다.
| 서파수면 | |
|---|---|
| 수면 단계 | |
| 유형 | 비-렘수면 |
| 지속 시간 | 인간: 30-40분 쥐: 약 6분 |
| 특징 | |
| 뇌파 | 델타파 (3 Hz 이하) |
| 대뇌 혈류 | 증가 |
| 신진대사율 | 감소 |
| 눈 움직임 | 없음 |
| 근육 활동 | 감소 |
| 심박수 | 느림 |
| 호흡 | 느리고 규칙적임 |
| 성장 호르몬 방출 | 증가 |
| 자율 신경계 활동 | 낮음 |
| 각성 역치 | 높음 |
| 다른 이름 | 3단계 수면 4단계 수면 델타 수면 깊은 수면 |
2. 델타파와 서파 수면
델타파는 서파 수면의 주요 특징으로, 뇌파도(EEG) 상에서 0.5~4.5Hz의 주파수와 75μV 이상의 진폭을 갖는 느린 파동으로 나타난다.[4] 서파(slow wave) 중에 가장 느린 파장이 델타파이다. 수면은 렘수면과 비렘수면이 있고, 비렘수면은 다시 1단계 수면, 2단계 수면, 3단계 수면, 4단계 수면이 있으며 이중 3-4단계를 서파수면이라고 부른다.
서파 수면 동안 REM 수면과 대조되는 주요 특징은 적당한 근육 긴장, 느리거나 없는 안구 운동, 그리고 생식기 활동의 부재이다.[4]
5세까지의 영아는 깊은 3단계 수면인 깊은 잠을 많이 자기 때문에, 델타파가 많다. 청소년 때는 75%가 감소하여 25% 정도의 델타파가 발생한다. 40대 중반이 되면 델타파가 가장 적게 나온다. 75세가 되면 4단계 수면과 델타파가 거의 사라진다.
2007년 이전에는 미국 수면 의학 학회(AASM)가 서파 수면을 3단계와 4단계로 나누었으나,[5][6][7] 현재는 3단계 또는 N3로 통합되었다. 20% 이상의 서파(델타) 수면으로 구성된 에포크(30초의 수면)는 이제 서파 수면으로 간주된다.
2. 1. 서파 수면의 단계
2. 2. 연령에 따른 델타파의 변화
델타파는 연령에 따라 변화한다. 5세까지의 영아는 깊은 3단계 수면을 많이 자기 때문에 델타파가 많다. 청소년 때는 델타파가 75% 감소하여 25% 정도만 발생한다. 40대 중반이 되면 델타파가 가장 적게 나타나며, 75세가 되면 4단계 수면과 델타파가 거의 사라진다.3. 서파 수면의 중요성 및 기능
서파 수면은 기억 통합에 중요하다고 여겨진다.[8] 이는 때때로 "수면 의존적 기억 처리"라고 불린다.[9] 일차성 불면증 환자들은 기억 통합 장애가 나타나며, 따라서 수면 후 기억 과제에서 건강한 사람들보다 수행 능력이 떨어진다.[10][11] 또한, 서파 수면은 서술 기억(의미 기억과 에피소드 기억을 포함)을 향상시킨다. 장기 기억 저장은 해마와 신피질 네트워크 간의 상호 작용에 의해 촉진된다는 중심 모델이 가설로 제기되었다.[10] 여러 연구에서, 피험자가 서술 기억 과제를 학습하도록 훈련받은 후, 인간 수면 방추의 밀도는 유사한 시각적 자극과 인지적으로 어려운 과제를 포함했지만 학습을 필요로 하지 않는 대조 과제 동안 관찰된 신호보다 유의하게 더 높았다.[12][13] 이는 시상 및 피질 뉴런에서 발생하는 세포 내 기록을 설명하는 자발적으로 발생하는 파동 진동과 관련이 있다.[14]
구체적으로, 서파수면은 공간적 서술 기억에서 역할을 한다. 공간 학습 과제 후 서파수면 동안 해마의 재활성화가 감지된다.[15] 또한, 서파수면 동안 해마 활동의 진폭과 다음 날 공간 기억 수행(경로 검색 등)의 향상 사이에 상관 관계가 관찰될 수 있다.[16] 또한, 연구에 따르면 수면 중 피험자에게 냄새 단서가 주어지면 이 수면 단계에서 수면 후 상황 단서의 재활성화를 독점적으로 허용하여 통합을 촉진한다.[15] 별도의 연구에 따르면 피험자가 이전에 보여준 위치 그림과 관련된 소리를 들었을 때, 다른 수면 단계에 비해 서파수면 동안 개별 기억 표현의 재활성화가 유의하게 더 높았다.[17]
정서적 표현은 일반적으로 중립적 표현보다 수면 중에 더 잘 기억된다. 서파수면 동안 단서로 제시된 부정적 두드러짐이 있는 감정은 더 나은 재활성을 보이며, 따라서 중립적 기억에 비해 향상된 통합을 보인다. 전자는 서파수면 동안 수면 방추에 의해 예측되었으며, 이는 수면 중 기억 과정을 구별하고 정서적 기억 통합을 촉진한다.[27] 아세틸콜린은 해마 의존적 기억 통합에서 필수적인 역할을 한다. 서파수면 동안 콜린성 활동 수준이 증가하면 기억 처리가 방해받는 것으로 알려져 있다. 아세틸콜린은 수면 중 해마와 신피질 사이의 정보 흐름 방향을 조절하는 신경 전달 물질임을 고려할 때, 수면 관련 서술 기억을 통합하기 위해 서파수면 동안 억제가 필요하다.[18]
인간을 대상으로 한 수면 박탈 연구는 서파 수면의 주요 기능이 뇌가 일상 활동에서 회복할 수 있도록 하는 것일 수 있음을 시사한다. 정신적 활동을 요구하는 과제의 결과로 뇌의 포도당 대사가 증가한다.[1] 서파 수면에 의해 영향을 받는 또 다른 기능은 성장 호르몬의 분비이며, 이 단계에서 항상 가장 크다.[19] 또한 교감 신경계의 감소와 부교감 신경계 신경 활동의 증가를 담당하는 것으로 생각된다.[19]
3. 1. 기억 통합
서파 수면(SWS)은 깨어있는 동안 장기 기억 증강 과정을 통해 형성된 기억을 조절하는 데 중요한 역할을 한다.[31] 서파 수면 중에는 강하게 자극된 시냅스는 유지되고 약하게 자극된 시냅스는 감소하거나 제거되는 시냅스 하향 조절이 일어난다.[31] 이는 시냅스 가소성을 유지하고 다음 기억 증강을 위해 시냅스를 재보정하는 데 도움이 된다.[31] 최근 연구에 따르면 수면 중에 기억의 재활성화와 재조정이 동시에 일어날 수 있다는 증거도 제시되고 있다.[32]3. 2. 뇌 회복 및 성장
서파 수면은 신체가 회복되는 정신-신체 시스템 재건을 위한 수면의 구성 단계이다. 깨어 있는 동안 섭취된 물질은 살아있는 조직의 복잡한 단백질로 합성된다. 이 단계 동안 성장 호르몬도 분비되며,[28][29] 뇌의 신경교세포는 뇌에 에너지를 공급하기 위해 당으로 회복된다.[30] 일부 과학자들은 서파 수면의 기능이 근육 치유를 촉진하고 조직 손상을 복구하는 것이라고 가설을 세우고 있다.3. 3. 시냅스 항상성
서파 수면(SWS)은 깨어있는 동안 장기 기억 증강 과정을 통해 발생한 시냅스 강도 조절과 관련이 있다.[31] 강하게 자극되거나 증강된 시냅스는 유지되고 약하게 증강된 시냅스는 감소하거나 제거되는 시냅스 하향 조절이 일어난다.[31] 이는 깨어있는 동안 다음 증강을 위해 시냅스를 재보정하고 시냅스 가소성을 유지하는 데 도움이 될 수 있다.[31] 특히, 수면 중에 재활성화와 재조정이 동시에 일어날 수 있다는 새로운 증거가 있다.[32]4. 서파 수면의 신경생리학적 특징
75마이크로볼트(0.5–2.0Hz)의 큰 델타파가 뇌파도(EEG)에서 우세하게 나타난다. N3 단계는 현재의 2007 AASM 가이드라인에 따라 수면 중 EEG의 30초 에포크에서 20%의 델타파가 존재함으로써 정의된다.[7][20]
더 긴 서파 수면 기간은 밤의 첫 부분, 주로 처음 두 번의 수면 주기(약 3시간)에 발생한다. 어린이와 청년은 노인보다 밤에 더 많은 총 서파 수면을 갖게 된다. 노인은 많은 밤에 수면 중 서파 수면에 전혀 들어가지 않을 수 있다.
뇌파도(EEG)에서 관찰되는 비렘수면은 특정 특징으로 구별된다. 12–14Hz 진동의 진폭에서 방추형 변화로 표시되는 수면 방추, 최소 0.5초 동안 지속되며 뚜렷한 음성 급파 뒤에 양성 성분이 따르는 K 복합체, 느린 주파수(< 2Hz)와 높은 진폭(> 75 μV)을 특징으로 하는 서파 또는 델타파가 주요 지표이다.[21] 수면 방추 활동과 서파의 존재 및 분포는 비렘수면 전반에 걸쳐 다양하며, 이는 1–3 단계로의 세분화를 초래한다. 서파와 수면 방추는 2단계와 3단계에 모두 존재하지만, 2단계 수면은 방추의 유병률이 더 높고, 3단계 동안 EEG에서 서파가 우세하다는 특징을 보인다.[22][21]
서파 수면은 아마도 세로토닌성 솔기핵 시스템의 뉴런 활성화에 의해 발생하는 활동적인 현상이다.[23]
대뇌 피질 EEG에서 보이는 서파는 대뇌 피질 내의 재귀적인 연결을 통해 생성되며, 여기서 피질의 피라미드 세포는 서로 양성 피드백 루프에서 흥분한다. 이 재귀적 흥분은 억제에 의해 균형을 이루며, 서파 수면의 느린 진동의 활성 상태를 초래한다. 이 메커니즘이 실패하면 짧은 시간 동안 활동이 중단된다. 활성 및 비활성 기간의 재발은 0.5–4Hz의 속도로 발생하여 서파 수면 동안 보이는 EEG의 서파를 발생시킨다.[24]
4. 1. 뇌파도(EEG) 특징
75마이크로볼트(0.5–2.0Hz)의 큰 델타파가 뇌파도(EEG)에서 우세하게 나타난다. N3 단계는 현재의 2007 AASM 가이드라인에 따라 수면 중 EEG의 30초 에포크에서 20%의 델타파가 존재함으로써 정의된다.[7][20]
더 긴 서파 수면 기간은 밤의 첫 부분, 주로 처음 두 번의 수면 주기(약 3시간)에 발생한다. 어린이와 청년은 노인보다 밤에 더 많은 총 서파 수면을 갖게 된다.
뇌파도(EEG)에서 관찰되는 비렘수면은 12–14Hz 진동의 진폭에서 방추형 변화로 표시되는 수면 방추, 최소 0.5초 동안 지속되며 뚜렷한 음성 급파 뒤에 양성 성분이 따르는 K 복합체와 같은 특징으로 구별된다.[21] 느린 주파수(< 2Hz)와 높은 진폭(> 75 μV)을 특징으로 하는 서파 또는 델타파가 주요 지표이다.[21]
서파 수면은 아마도 세로토닌성 솔기핵 시스템의 뉴런 활성화에 의해 발생하는 활동적인 현상이다.[23]
대뇌 피질 EEG에서 보이는 서파는 대뇌 피질 내의 재귀적인 연결을 통해 생성되며, 여기서 피질의 피라미드 세포는 서로 양성 피드백 루프에서 흥분한다. 이 재귀적 흥분은 억제에 의해 균형을 이루며, 서파 수면의 느린 진동의 활성 상태를 초래한다. 활성 및 비활성 기간의 재발은 0.5–4Hz의 속도로 발생하여 서파 수면 동안 보이는 EEG의 서파를 발생시킨다.[24]
4. 2. 신경 전달 물질
수면과 각성 패턴에는 여러 신경 전달 물질이 관여한다. 여기에는 아세틸콜린, 노르에피네프린, 세로토닌, 히스타민, 그리고 오렉신이 포함된다.[1] 신피질 뉴런은 서파 수면 동안 자발적으로 발화하며, 이 수면 기간 동안 역할을 하는 것으로 보인다. 이 뉴런들은 일종의 내적 대화를 하는 것으로 보이며, 이는 외부 신호로부터 정보가 없는 상태(시상 수준에서의 시냅스 억제 때문에)에서의 정신 활동을 설명한다. 이 수면 상태에서 꿈을 기억하는 비율은 수면 주기의 다른 단계에 비해 상대적으로 높으며, 이는 정신 활동이 실제 생활 사건에 더 가깝다는 것을 나타낸다.[14]4. 3. 뇌 영역
서파 수면 동안 서파 활동(SWA)의 분포는 뇌의 전두엽에서 우세하게 나타난다.[42] 수면 박탈을 경험한 후 회복 수면에서 전두피질은 측두엽, 두정엽, 후두엽에 비해 서파 활동(SWA)이 가장 뚜렷하게 증가한다.[21][42] 이는 서파 수면(SWS)이 진보된 인지 기능과 관련된 전두엽 영역이나 각성 상태에서 활발하게 활동하는 인지 영역에서 우세하게 나타난다는 것을 의미하며, SWS의 중요성을 강조한다.[21]서파 수면은 얼굴옆 영역,[43][44][45] 핵-좌상부 코어,[46][47][48] 복외측 시상전야,[44][45][49] 외측 시상하부[44][45][50][51] 등 다양한 뇌 영역과 관련되어 있다.
5. 서파 수면과 관련된 문제
야뇨증, 야경증, 그리고 몽유병은 모두 수면 3단계 동안 발생할 수 있는 일반적인 행동이다.[1] 이러한 증상은 어린이에게서 가장 흔하게 나타나며, 일반적으로 시간이 지나면 자연스럽게 사라진다.[1] 또 다른 문제로는 수면 관련 식이 장애가 발생할 수 있다는 것이다. 환자는 한밤중에 잠자리를 떠나 음식을 찾아다니며, 아침에 일어나서는 그 사건에 대한 기억을 전혀 하지 못한다.[1] 이 장애를 가진 사람의 절반 이상이 과체중이 된다.[1] 수면 관련 식이 장애는 일반적으로 도파민 효능제나 토피라메이트와 같은 항경련제로 치료할 수 있다.[1] 가족 내에서 나타나는 이러한 야간 식사는 유전이 이 장애의 잠재적 원인일 수 있음을 시사한다.[1]
5. 1. 수면 이상
5. 2. 수면 부족의 영향
J. A. Horne (1978)의 연구에 따르면, 수면 부족은 사람들의 생리학적 스트레스 반응이나 신체 운동 능력에는 영향을 미치지 않지만, 인지 기능에는 영향을 미친다.[33] 일부 사람들은 왜곡된 인식이나 환각, 정신 작업에 대한 집중력 부족을 보고했다.[33] 따라서 수면의 주요 역할은 신체의 휴식이 아니라 뇌의 휴식인 것으로 보인다.[33]수면 부족 후 회복 수면에서 각 수면 단계별 회복 비율은 동일하지 않다.[33] 1단계와 2단계는 7%만 회복되지만, 4단계 서파 수면은 68%, 렘 수면은 53%가 회복된다.[33] 이는 4단계 수면(오늘날 3단계 수면의 가장 깊은 부분으로 알려져 있음)이 다른 단계보다 더 중요하다는 것을 시사한다.[33]
서파 수면 동안 뇌 대사율과 뇌 혈류는 크게 감소하여 정상적인 각성 상태의 약 75% 수준으로 떨어진다.[33] 깨어 있을 때 가장 활동적인 뇌 영역은 서파 수면 동안 델타파가 가장 높은데, 이는 휴식이 국지적임을 나타낸다.[33] 깊은 수면 중에 깨어난 경우 멍함과 혼란을 느끼는 것은 대뇌 피질이 정상적인 기능을 재개하는 데 시간이 걸리기 때문이다.[33]
J. Siegel (2005)에 따르면, 수면 부족은 뇌에 활성 산소와 슈퍼옥사이드의 축적을 초래한다.[33] 활성 산소는 반응성이 매우 높은 산화제로, 생체 분자의 전자와 상호 작용하여 세포를 손상시킨다.[33] 서파 수면 시 대사율 감소는 산소 부산물의 생성을 줄여 기존의 활성 산소 종을 제거할 수 있게 하므로, 이는 뇌 손상을 예방하는 한 가지 방법이다.[33]
5. 3. 아밀로이드 베타 병리
서파 수면은 아밀로이드 베타(Aβ) 조절에 중요한 역할을 한다.[34] 뇌파 활동(SWA)은 깊은 비-REM 수면 중에 발생하며 아밀로이드-β 조절에 좋은 후보이다. SWA의 교란이 증가하면 아밀로이드-β 수치가 상승한다.[35] 아밀로이드 베타 (Aβ)가 전두엽 피질에 축적되면 비 급속 안구 운동 수면, 즉 NREM 수면의 서파가 방해받거나 감소하여, 노인의 기억 공고화 능력을 저해할 수 있다.[36]알츠하이머병(AD)은 뇌에 아밀로이드 베타(Aβ)의 침착으로 특징지어진다.[34] AD는 아밀로이드-베타 플라크와 신경섬유 엉킴의 존재로 구별된다. 알츠하이머병 진단을 받은 개인은 수면 장애를 겪으며, 비 급속 안구 운동(NREM) 수면이 감소하고 NREM 수면 중 두드러진 뇌 리듬인 서파 활동(SWA)이 감소한다.[38] 인지적으로 건강하지만 아밀로이드 베타가 검출되는 개인조차 수면 장애를 보이며, 이는 수면의 질 저하와 낮잠 빈도 증가로 특징지어진다.[35]
6. 서파 수면의 개인차
서파 수면은 개인 내에서는 상당히 일관적이지만, 개인 간에는 차이가 있을 수 있다.[39] 어느 정도 개인차는 성별 및 연령과 같은 인구 통계학적 요인에 의해 영향을 받는 것으로 보인다.[21] 연령과 성별은 수면의 이 기간에 영향을 미치는 가장 큰 두 가지 요인으로 언급되어 왔다.[39]
서파수면(SWS)과 서파 활동(SWA)은 일생 동안 상당한 변화를 겪으며, 노화는 개인차를 예측하는 데 특히 영향력 있는 요인으로 작용한다.[21][40] 노화는 SWS의 양과 반비례하며, 중년 이후부터 SWS는 나이가 들면서 감소한다.[39]
성별 차이 또한 발견되었는데, 여성은 적어도 폐경기까지 남성에 비해 더 높은 수준의 SWS를 보이는 경향이 있다.[39] 노인은 비-급속 안구 운동(NREM) 수면에서 성별 기반의 차이를 나타내며, 여성은 정상 및 회복 수면 동안 증가된 서파 수면(SWS)과 NREM 수면으로 간주되는 3단계와 4단계의 더 높은 발생률을 보인다.[21]
인종 간의 차이를 보여주는 연구도 있었다. 연구 결과에 따르면 흑인에게서 백인에 비해 SWS의 비율이 더 낮았지만, 체질량 지수, 수면 장애 호흡, 비만, 당뇨병, 고혈압등 많은 영향 요인이 있으므로 이러한 잠재적 차이는 추가적으로 조사해야 한다.[39]
정신 질환은 SWS의 질과 양에 대한 개인차에 역할을 한다. 우울증을 앓는 환자는 건강한 참가자에 비해 서파 활동(SWA)의 진폭이 더 낮다. 성별 차이는 전자의 그룹에서도 지속된다: 우울증을 앓는 남성은 SWA 진폭이 유의미하게 더 낮다. 이러한 성별 차이는 건강한 피험자에서 관찰된 것보다 두 배나 크다. 그러나 우울증 그룹에서는 SWS와 관련된 연령 관련 차이는 관찰할 수 없다.[41]
6. 1. 연령 및 성별
6. 2. 정신 질환
7. 반구 비대칭성
서파 수면은 생존에 필수적이다. 돌고래와 새와 같은 일부 동물은 뇌의 한쪽 반구만으로 수면을 취할 수 있으며, 다른 반구는 정상적인 기능을 수행하고 경계 태세를 유지하기 위해 깨어 있다. 이러한 종류의 수면은 단일 반구 서파 수면이라고 하며, 인간에게서도 부분적으로 관찰할 수 있다.[25]
서파 수면(SWS) 동안 기본 모드 네트워크에서 신경 활동의 좌반구 우위가 관찰될 수 있다. 이러한 비대칭성은 수면 개시 잠복기와 상관관계가 있다.[27] 좌반구는 우반구에 비해 서파 수면 동안 경계 역할을 하며, 첫날 밤 동안 이탈 자극에 더 민감하게 반응하고 더 빠른 행동 반응성을 보인다.[1] 이러한 연구 결과는 SWS의 반구 비대칭성이 보호 메커니즘으로 작용한다는 것을 보여준다. 따라서 SWS는 위험하고 익숙하지 않은 환경에 민감하여 수면 중 경계와 반응의 필요성을 만든다.[1]
8. 서파 수면을 조절하는 약물
서파 수면(SWS)은 다양한 약물에 의해 영향을 받을 수 있다.[52] 감마-히드록시부티르산(GHB), 가복사돌, 티아가빈, 레보도파, 트라조돈 등은 서파 수면을 증가시키는 것으로 알려져 있다.[53][54][55][56][57][58][59][60]
감마-히드록시부티르산(GHB)은 중추 신경계(CNS)에서 감마-아미노부티르산(GABA)으로부터 합성된다.[52] GHB의 경구 투여는 REM 수면을 억제하지 않으면서 SWS를 향상시킨다.[54][55][56] GHB는 기면병 환자의 탈력발작 발작과 과도한 주간 졸음을 감소시킨다.
GABAa 효능제인 가복사돌 투여는 심층 수면을 향상시킨다.[52] 선택적 감마-아미노부티르산 (GABA) 재흡수 억제제인 티아가빈은 수면 유지를 개선하고 건강한 노인과 원발성 불면증 환자에서 SWS를 유의하게 증가시킨다.[57][58]
레보도파는 뇌의 도파민 가용성을 증가시키는 작용을 하는 파킨슨병 치료에 사용되는 약물이다. 레보도파의 야간 단일 투여는 노인에서 SWS를 증가시킨다.[59]
특정 세로토닌계 (즉, 5-HT2A 및 5-HT2C) 길항제 또한 SWS 수면을 향상시키는 것으로 입증되었다.[52] 트라조돈은 비정형 항우울제로, SWS의 지속 시간을 증가시킨다. 트라조돈이 5-HT2A 수용체에서 길항 작용을 하는 것이 이러한 효과에 기여할 수 있다고 추정된다.[60] 5-HT2A 및 5-HT2C 수용체에 길항 작용하는 다양한 약물이 인간에게서 SWS 향상 효과를 나타낸다.[61][62]
9. 숙면일여(熟眠一如)
숙면일여(熟眠一如)는 한국 불교에서 강조하는 개념으로, 깊은 수면 중에도 의식이 깨어있는 상태를 의미한다. 조계종 종정을 지낸 성철스님은 몽중일여(夢中一如)가 7지보살, 숙면일여가 8지보살 경지라고 주장했다.
최근 연구에 따르면, 숙면 중에도 의식이 깨어 있을 수 있다는 점이 밝혀지고 있다.
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