정 철 호 계명의대 정신건강의학과 교수 동산의료원 수면클리닉 대구남구 정신보건센터장 어린이 수면과 학습 및 정서발달 정 철 호 계명의대 정신건강의학과 교수 동산의료원 수면클리닉 대구남구 정신보건센터장

06/06/97 강의 차 례 수면 생리 수면과 학습 및 정서발달 2

수면 세익스피어: 그날 그날의 삶의 최후 새뮤얼 존슨: 저항할 수 없는 마취 과학자: 수면동안 뇌활동이 활발하다. 06/06/97 수면 세익스피어: 그날 그날의 삶의 최후 새뮤얼 존슨: 저항할 수 없는 마취 과학자: 수면동안 뇌활동이 활발하다. 뇌파검사(1920~30년대): 수면뇌파 연구 잠자는 사람의 뇌파는 하룻밤 동안 다양하게 변화한다. REM수면( 꿈수면): 뇌활동 급격한 증가, 눈 운동의 증가, 근육의 준 마비 상태 NREM수면: 규칙적인 호흡, 최소한의 감각반응, 사지움직임 가능 2

1. 수면의 생리 시편 127:2 수면구조:REM (Rapid Eye Movement) NREM(1,2,3,4기) 생체리듬: 24시간 주기 불면증이란 병명이 아니라 여러 원인에서 오는 증상입니다. 마치 두통, 복통 같은 것입니다. 불면증을 이루는 증상은 4가지로 구성됩니다. 어떤 증상이 주가 되던지 결국 다음날 활동을 하는데 지장을 느낄 정도로 충분한 잠을 자지 못하면 불면증이 라고 할 수 있습니다.

수면과정의 도식도

연령에 따른 수면 단계 변화 그래프

수면생리 정상수면 ________________________________________________ 수면단계 Description 뇌파양상 수면시간(%) --------------------------------------------- NREM I 수면과 각성의 사이 Desyncronized, 5 % (얕은 수면 시작) low voltage II 아직 얕은 수면 Sleep spindles, 50 % K-complex III 깊은 수면의 시작 Delta waves 10 % IV 깊은 수면 Delta waves 15 % REM 꿈꾸는 잠 Desyncronized 20 % low voltage 불면증이란 병명이 아니라 여러 원인에서 오는 증상입니다. 마치 두통, 복통 같은 것입니다. 불면증을 이루는 증상은 4가지로 구성됩니다. 어떤 증상이 주가 되던지 결국 다음날 활동을 하는데 지장을 느낄 정도로 충분한 잠을 자지 못하면 불면증이 라고 할 수 있습니다.

수면의 기능 피로회복 기능(육체적, 정신적) 생명유지에 필수적 인지기능 및 면역기능 유지 단백질 합성 및 중추신경계 발육(어린이) 기억 및 학습 강화 일생의 삼분의 일을 차지

정상수면 정상수면은 REM수면과 NREM 수면으로 나뉜다. 수면의 시작은 NREM 수면으로 시작한다. 수면의 주기는 90-110분으로 하루 밤에 4-5회의 주기를 가진다. 수면의 전반 1/3 깊은 수면(SWS)이 후반 1/3 꿈꾸는 수면이 많이 차지.

수면과정의 도식도

NREM 수면 수면의 깊이에 따라 수면단계 1,2,3,4 1,2는 얕은 수면, 3,4는 깊은 수면에 속한다. 뇌는 비활성화되며 신체는 움직일 수 있음. 야경증, 몽유병 등은 주로 수면전반 1/3의 NREM 수면에서 발생. 전체수면시간의 75-80%차지, 노인에서 3,4수면이 감소한다.

REM 수면 REM 수면의 특징: 급속안구운동이 나타나며, 호흡과 심장박동이 불규칙해 진다. 발기가 일어난다. 신체 마비가 오는 반면, 뇌는 깨어있을 때처럼 각성뇌파에 가깝다 급속안구운동이 나타나며, 호흡과 심장박동이 불규칙해 진다. 발기가 일어난다. 수면시간의 20-25%를 차지하며 수면후반 1/3 에서 주로 나타난다. 수면 무호흡이 REM 수면 시에 악화된다.

NREM 수면의 뇌파

REM 수면의 뇌파 및 안구운동

계명의대 정신건강의학과 정철호 영남의대 정신건강의학과 서완석 수면, 인지기능과 신경영상학 계명의대 정신건강의학과 정철호 영남의대 정신건강의학과 서완석

수면과 학습 “If sleep does not serve an absolutely vital function, then it is the biggest mistake the evolutionary process has ever made” Allan Rechtschaffen 수면과 학습

Two forms of learning 암시적 학습:학습 덜필요 (nondeclarative) 사실 사건 (의미론) 명백한(선언적)학습 학습필요 암시적 학습:학습 덜필요 (nondeclarative) 사실 사건 (의미론) 기폭제priming 절차적Procedural (skills and habits) 연상학습 Associated L: classical C operant C Nonassociative L: habituation sensitization Med. 측두엽 (hippocampus) 정서적 반응 골, 근육계 대뇌신피질 Striatum amygdala 소뇌 Reflex pathways Semantic learning은 학습이 필요한 영역/ procedural learning과 같은 implicit learning은 의식적인 노력이 덜 필요한 영역으로 볼 수 있다.

Two forms of learning Explicit (declarative) Implicit (nondeclarative) Facts Events (semantic) priming Procedural (skills and habits) Associated L: classical C operant C Nonassociative L: habituation sensitization Med. Temp.Lobe (hippocampus) Emotional response Skeletal musculature Neocortex Striatum amygdala CBLL Reflex pathways Semantic learning은 학습이 필요한 영역/ procedural learning과 같은 implicit learning은 의식적인 노력이 덜 필요한 영역으로 볼 수 있다.

수면후 학습의 증진 Walker and colleagues (2002) 밤 수면은 motor speed를 20% 증진 수행도 호전 ∝ stage 2 NREM Stickgold and colleagues (2000) 밤수면의 시각 분별력 호전 기억 강화의 2단계 모델 Early SWS Late REM 동일한 시간동안 깨어있을 경우에는 특별한 이득이 없다. /

수면과 학습 62명의 대상자를 4 군으로 분류하여 finger tapping task를 시행하였음. A-C까지는 오전 10시에 훈련을 시켰음. A 군은 각각 4시간 간격으로 retest를 시행하였음. 반복을 하면서 향상은 있었으나 의미있는 향상은 없었다. B 그룹은 10시-오후 10시에 retest 잠잔 후 오전 10시에 다시 시행. 오전 10시에 유의한 향상이 보고. C그룹은 휴식 후 수면 D 그룹은 posttraing 이후 바로 수면을 취함 Walker et al. Practice with sleep makes perfect. Neuron 2002

Day training시에는 유의한 호전이 관찰되지 않았다(개방원)검은 원은 trating이후 잠을 재운 군-4개 중 3개에서 유의한 호전이 있었다. 호전의 정도는 수면의 양에 비례한다. 6시간 미만의 수면에서는 유의한 호전이 관찰되지 않았다. 수면과 consolidation에서는 초기의 sws과 후기의 REM수면이 중요한 역할을 한다. Stickgold et al. Visual discrimination task improvement: A multi-step process occuring during sleep. 2000

학습의 수면단계와 형태 Area of research, debate 선언적 학습 Declarative learning Mixed results SWS/ stage 2 (spindle)/ REM 선언적 학습 Declarative learning (서파수면, 깊은 수면) SWS 후에 증진 과정적 업무 & 정서적 기억 Stage 2 and REM sleep 에 의해 증진 P139.

선언적기억과 암시적 기억 서파수면: 명백한 기억 증진. 암시적 기억에는 무관 24aud의 건강한 자원자를 대상으로 검사를 시행. 수면군, 각성군으로 나눠서 검사를 시행. 저녁 9시 30분 전극부착  10시 15분-11시까지 학습  3시간 잠을 자면서 1또는 2단계 수면이 되면 깨움  15분 후 잠이 깨면 회상검사를 시행 각성 군은 학습 후 3시간 동안 영화보기, 이야기하기, PC게임하기 등으로 시간을 보낸 후 다시 테스트를 함. 수면은 explicit recognition(특히 congruent words에서)을 향상시키고 이는 초기 수면(SWS와 관련이 있는)에서 특히 나타난다. 하지만 implicit memory에서는 수면 그룹에서 차이가 없다.  결론: SWS수면은 explicit memory의 향상에 유용하다. 하지만 implicit memory와 서파수면은 상관이 없다. Drosopoulos et al. Sleep enhances explicit recollection in recognition memory. Learning and Memory. 2005

선언적 기억과 훼방 Large & significant protective effect Sleep Waking 오른쪽은 훼방자극을 주었을 때 수면의 역할이 훨씬 큰 것을 알 수 있다. Large & significant protective effect Sleep More resistant to interference Waking Far more susceptible 선언적 기억의 consolidation test의 일종인데 왼쪽은 훼방자극을 주지 않았을 경우 이고 오른쪽은 훼방자극을 주었을 때 수면의 역할이 훨씬 큰 것을 알 수 있다. Ellebogen et al. Interfering with theories of sleep and memory. Curr. Biol 2006

수면 동안의 학습의 기전 연접부위 강화 Synaptic potentiation 연접부위 강도의 변화 Signal-to-noise ratio 증진 연접부 수준에서 학습관련 물질을 안정화 신경화학적 Neurochemical substrate 서파수면 (SWS)  cholinergic tone 감소  선언적 기억의 강화 서파수면동안 hippocampus 활성화 기억 강화 서파수면 동안의 콜린 레벨은 minimal로 떨어진다. 낮은 cholinergic tone은 해마에서 새로운 기억을 replay하고 장기 기억으로 전환하는 데 필요하고 가정. 낮 동안의 학습은 햄의 활성화와 관련이 있음.  posttraining sleep동안 hippocampus의 reactivation이 다시 발생하여 기억의 consolidation이 발생한다.

A. Training group과 nontraining group사이의 활성도를 비교한 것. B A. Training group과 nontraining group사이의 활성도를 비교한 것. B. SWS과 wakefulness사이의 활성도 비교/ A-우측 해마(hipocampus)와 parahippocampal gyrus와 양쪽 fusiform gyrus의 활성화를 볼 수 있고, B-우측 hippocampus의 활성화를 볼 수 있다. A. Training group과 nontraining group사이의 활성도를 비교한 것. B. SWS과 wakefulness사이의 활성도 비교/ A-우측 hipocampus와 parahippocampal gyrus와 양쪽 fusiform gyrus의 활성화를 볼 수 있고, B-우측 hippocampus의 활성화를 볼 수 있다.

해마-신피질 memory consolidation model 새로운 기억을 형성하는데 있어서 해마가 중요한 역할을 한다는 것은 잘 알려진 사실이다. 초기 기억을 형성하는 데 해마가 cortical activation과 함께 중요한 역할을 한다. 나중에 consoldation된 기억에서는 해마의 역할을 크지 않고 cortex단독을 역할을 하게 된다. (classical model); 물론 hippocampus가 지속적인 역할을 한다는 가설도 많다. Ending 하는 시기에는 hippocampus가 산재해 있는 cortical module을 재빨리 통합한다. 수면 중에는 지속적인 hippoicampal-cortical network가 reactivation이 되면서 cortical-cortical connection 이 강화되게 됩니다.  시간이 지나면서 기억은 hippocampus와는 독립적으로 나타나면서 기존의 cortical memory와 통합하게 된다.

Hippocampal-neocortical memory consolidation model 새로운 기억을 형성하는데 있어서 해마가 중요한 역할 초기 기억을 형성하는 데 해마가 피질활성화와 함께 중요한 역할을 한다. 나중에 consoldation된 기억에서는 해마의 역할을 크지 않고 cortex단독을 역할을 하게 된다 (classical model); 물론 hippocampus가 지속적인 역할을 한다는 가설도 많다.

Hippocampal-neocortical memory consolidation model Ending 하는 시기에는 hippocampus가 산재해 있는 cortical module을 재빨리 통합한다. 수면 중에는 지속적인 hippocampal-cortical network가 재활성화 되면서 cortical-cortical connection이 강화.  시간이 지나면서 기억은 hippocampus와는 독립적으로 나타나면서 기존의 cortical memory와 통합하게 된다.

수면동안 연상, 통합, 창조성과 정서 수면 의존 기억 과정의 최종 목표는 common schema로 통합하는 것이다. 수면의 증진으로 일반 지식이나 창의성이 촉진된다.

Association and sleep 새로운 현상을 기존에 있던, 장기적 사전적인 기억으로 통합한다. 새로운 현상을 기존에 있던, 장기적 사전적인 기억으로 통합한다. 기존에 있던 경험을 재해석한다. 새로운 정보에서 일반적 패턴을 탐지함 위계적 기억 결속의 증진 수면의 보완 기능 의미의 추출 Extraction of meaning 추론 (즉, 기존의 정보에다가 새로운 지식을 접목하는 것) Abstraction 새로운 경험과 기존의 경험을 연관시키는 작용을 하고, 새로운 정보에 대해 일반적인 양상을 파악하는 역할을 한다. Enhancing hierarchical memory binding: 결론적으로 정보의 integration을 촉진하게 된다. 그래서 수면은 두 가지 보조적인 목적을 가진다. 하나는 consolidation이고(초기에 나타나는 현상), 다른 하나는 추론(즉, 기존의 정보에다가 새로운 지식을 접목하는 것)이다. 이 과정을 통해 더욱 높은 단계의 semantic network를 형성하게 된다.

창조성과 수면 문제해결(e.g. anagram word puzzle)이 REM-NREM awakening 후 30% 더 낫다. REM sleep awakening shows a greater priming effect Much more associative process of semantic integration (REM sleep) 창조성의 정의: 기존의 지식을 이용해서, 새롭고 더 나은 행동 양상을 얻는것, 어떤 사실에 대해 더 많은 지식을 획득하는 것. 글자 퍼즐수수께기푸는 능력이 호전. REM수면은 다른 수면과 달리 깨어있을 때 경험을 replay하는 것이 아니라, 통합, 연상하는 기능을 한다. 수면은 단순한 consolidation, strengthening이외에도 assimilation, generalization을 통해 창조성을 가지게 한다.

Sleep-dependent production of creativity 테스트 방법: 두개의 수가 동일하면 그 수를 말할것, 두 수가 다르면 나머지 수를 말할 것.  반응속도를 봤다. (실제 hidden meaning은 mirror숫자 9-1-4/4-1-9) Wagner et al. Sleep inspires insight. Nature. 2004

정서적 과정 Emotional processing REM sleep 정서적 기억과정의 신경생물학적 기초 제공 정서기억과정을 제공 변연계 limbic와 전두부 forebrain로 Ach 방출(Ach은 기억과 관련. REM동안 4배 >NREM Sleep 이전의 학습된 정서적 주제의 선택적 저장 NREM에 비해 REM동안의 Ach level 은 거의 4배가 된다. (잘 아시다시피 Ach은 기억과 밀접한 관련이 있는 물질로 알려져 있다)

정서적으로 부정적, 중립적 자극 학습. 4시간전-15분전 test  잠/각성 군. 낮잠군에서 정서적 기억 향상: REM에 비례 정서적으로 부정적, 중립적 자극을 학습. 4시간전-15분전 test - 잠/각성 군으로 나누었음. Emotional memory: nap group에서 향상. (A),이는 REM 수면의 양과 비례(B), 더 specific하게 이야기를 하면 REM수면 동안의 theta activity와 비례한다. Theta oscillation은 정보를 encode하는 데 carrier역할을 하는 것으로 알려져 있다. Nishida REM sleep, prefrontal theta, and the consolidation of human emotional memory. Cereb Cortex. 2009

Sleep to forget and sleep to remember Affective tone은 adrenergic tone과 관련되면서 기억과 함께 반응하게 된다. 시간이 지나면서 기억은 남지만 affective tone은 시간이 지나면서 약화된다. 시간이 지나면서 기억만 남고 정서적 반응은 없어지게 된다. (이는 정서적 기억이 오랫동안 지속되는데, 또 정서적 측면이 소멸되는것 모두를 설명할 수 있는 모델이다)

Sleep deprivation 전체적으로 수면 박탈은 약 40%의 기억 형성능력의 방해를 일으킨다. 전체적으로 수면 박탈은 약 40%의 기억 형성능력의 방해를 일으킨다. 자극의 종류별로 분류했을 경우 중성자극보다는 긍정, 부정 정서적 자극에 대한 기억 능력이 더 높은 것을 알 수 있다. 부정적 기억은 수면 박탈에 대해 저항이 가장 강한 것을 알 수 있다.(아마도 생존과 관련성이 있을 가능성이 높다) Memory encoding 이 감소되는 이유는 해마의 활성도 저하와 관련이 있는 것을 알 수 있다. fMRI연구에서도 편도는 수면 박탈 시 보상작용이 더 큰 것을 알 수 있다. Yoo et al. The human emotional brain without sleep-a prefrontal amygdala disconnect. Curr. Biol. 2007

결론 수면은 전체적으로 인간의 인지기능을 향상시키는 데 중요한 역할을 한다 nonREM과 REM수면은 인지기능의 활성화에 고유한 역할을 담당하고 있다 기억의 활성화는 해마와 다른 피질과의 지속 반복적인 역할을 통해 달성된다 신경영상학은 수면 생리를 이해하는 데 많은 도움을 주었다 정상 수면에 대한 지식은 기초수준에 불과하다