http://www.mind21.net/14.htm
각성 상태에서는 뇌와 주위 환경이 밀접한 상호 작용을 하고, perception이 기억된다. 또, 복잡한 생각, 추상적 사고의 조율, 새로운 개념 형성 등이 신경계에서 가능해진다. 이 각성 상태에서의 EEG는 relaxed wakefulness와 synchronous neuronal activity를 나타내는 α-rhythm (약 8∼12㎐)과 불규칙적인 진동을 보이며 de-synchronized neuronal activity를 보이는 β-rhythm (약 13㎐ 이상)으로 구분할 수 있다.
※ EEG (ElectroEncephaloGram) : cerebral cortex의 pyramidal cells의 postsynaptic potentials의 summation의 결과로 생긴 scalp 상의 전위를 측정하여 얻은 자료.
수면(Sleep)은 단지 wakefulness의 결핍 상태가 아니라 자연적인 coma 상태로 볼 수 있다. Sleep을 크게 Slow-Wave Sleep (SWS)와 Rapid-Eye-Movement Sleep (REM)으로 나눌 수 있다. 우선, SWS는 stage Ⅰ sleep부터 stage Ⅳ sleep의 4가지 단계로 구분할 수 있다.
EEG상의 slower activity를 나타내는 stage Ⅰ sleep은 잠의 초기 단계로 θ-activity (약 5∼7㎐)를 보이며 waking과 sleep의 과도기 상태이다.(비몽사몽) stage Ⅱ sleep은 sleep spindles(12∼15㎐의 방추차 모양의 EEG activity)이 나타나고, stage Ⅲ sleep에서는 δ-waves (4㎐ 이하)가 spindling pattern에 추가돼서 나타난다. Stage Ⅳ sleep은 stage Ⅲ sleep과 비슷하나 δ-wave가 빈번해지며 적어도 반이상 우세하게 나타난다. 이는 잠에서 깨기 어려울 정도의 가장 깊은 숙면 상태이다. SWS는 wakefulness와 달리 perception이 미미하거나 거의 없다. 보통 inactive이나 때때로 발작적인 움직임을 보일 수 있고 근육의 tone과 tension이 감소되고 SWS에서는 십 수분 정도의 간격으로 몸을 뒤척인다. SWS 상태에서는 autonomic nervous system의 parasympathetic이 우세하게 된다. 즉, 심장이 덜 활성화되고 혈압과 맥박이 감소하고, 호흡이 느려지고 소화 기관이 활발해진다.
REM의 EEG의 특징은 Pons에서 시작하여 Lateral Geniculate Nucleus (LGN)을 거쳐 Occipital cortex에 이르는 예리한 전기적 spikes인 PGO wave가 나타난다. REM에서는 waking상태와 비슷한 EEG activity를 나타낸다. 그러나, REM sleep에서는 등, 다리, 목과 같은 자세 유지 근육의 심한 억제 현상(no activity)이 나타난다. 또, 아래 턱 근육이 느슨해지고 extraocular 근육과 얼굴 근육, 손가락이나 발가락의 flexor 근육에서 발작처럼 움직임이 일어나기도 하고, autonomic nervous system이 비슷한 bursts of phasic activity를 나타낸다. (순환계, 호흡계, 생식계 등등)
꿈꾸기(Dreaming)는 주로 REM sleep과 관련된다. 비록, SWS 상태도 꿈이 없지는 않지만 REM 수면 시에 꿈을 더 자주 꾸고, 꿈을 더 잘 기억한다. 꿈의 내용도 파란만장하며 과거와 현재가 함께 휩싸이는 등 비논리적이며 괴기하다. 대부분의 꿈들은 즉시 잊혀진다. 고도의 정신 세계를 영위하는 고등 동물의 정신 세계에서는 REM 수면이 우세하고, REM 기간이 중요하다.
Sleep State
(Courtesy of Principles of Behavioral Neuroscience, Beatty 1995)
대부분의 사람들은 첫 번째 Sleep cycle 동안에 stage Ⅳ sleep으로 빠진다. 술이나 안정제는 REM 수면을 억제하지만, SWS에는 별 효과를 주지 못한다. Benzodiazepines는 stage Ⅳ sleep을 감소시키나 REM sleep에는 비교적 영향을 덜 끼친다. 이로 보아 SWS와 REM의 뇌 mechanism은 다르다고 볼 수 있다.
아기가 성장함에 따라 그의 circadian rhythm(하루의 생체 주기)은 Day-Night periods에 맞게 sleeping periods가 조정되어 간다. 건강한 젊은이는 약 10일간 잠을 안자고 버틸 수 있다. REM 수면을 박탈시키면 정신병에 근접할 정도의 심리적인 악화 현상을 낳게 된다. 또한 박탈당한 REM을 그 다음 날에 보충해서 자게 된다. 잠의 기능으로는 에너지를 보존하고, organism 사용의 극단적인 고갈 상태를 방지하고, 심지어 밤이 두려운 species에게 행동 적응학적인 측면에서 생존의 방편이라는 학설도 있고, 일반적으로는 생활에서 받는 stress를 풀어 주고 재충전하는 역할을 한다고 추측하고 있다. (SWS는 몸에 휴식을 주고, REM은 마음에 휴식을 준다라는 학설도 있다.)
SWS 동안에는 대부분의 뇌 지역에서 각성 상태에 비해 firing이 감소한다. Cerebellar cortex는 SWS와 waking 사이의 activity에 심한 변화를 주지 않는다. 반면에 amygdala와 hypothalamus 지역에는 firing이 증가하고, limbic system의 activity 증가 및 thalamocortical system의 activity는 감소하게 된다. 한편, REM 수면 상태에서는 SWS에 비해 뇌의 대부분의 지역에서 activity가 증가한다. (단, limbic 지역만 예외이다.) 시각 피질과 LGN에서 firing이 자주 일어나나, optic nerve의 fibers에서는 activity의 변화가 없다.
수면-각성과 관계된 뇌의 mechanism을 알아보자. 해부학적인 실험을 통해 알아보면, sleep이나 waking의 중추는 spinal cord보다는 뇌에 존재한다는 점이다. SWS sleep 중추는 mid-pons의 아래 부분 정도에 위치하고, brain stem의 윗부분에 waking역할에 관여한 중추가 있는 것으로 보인다. Brain stem의 중간 위치에 있는 midbrain reticular formation 지역에 전기적 자극을 주면 수면 상태의 동물을 깨우고, 깨어 있는 동물은 각성시킨다. 따라서, conscious wakefulness를 조절하는 activating system이다. Brain stem의 mesopontine nuclei에서 thalamus에 이르는 cholinergic cells는 앞뇌의 activation을 일으키고 유지시킨다. Waking과 REM 상태에서 mesopontine nuclei가 활성화되어 있다. 반면, SWS에서는 잠잠하다. 더욱 흥미로운 점은 SWS에서 REM이나 Waking 상태로 갈 때, 이 세포들이 firing하기 시작한다는 점이다. 게다가, mesopontine system에 자극을 주면 PGO spikes가 발생한다. Locus ceruleus와 dorsal raphe nucleus에 있는 serotonergic neurons의 noradrenergic cells는 awake일 때 활성화되어 있다. (참고로, 이noradrenergic cells는 SWS에서 느리고, REM에서는 완전히 잠잠하다.) 이런 monoamine system은 mesopontine cholinergic system과 함께 wakefulness를 만든다. 그러나, REM에서의 cortical activation은 cholinergic system 단독의 역할로 보인다.
다음으로 잠에 관한 증상들을 알아보자. 우선, 불면증(Insomnia)은 수면의 내적 구조에 장애가 온 경우이다. 스트레스에 의한 정신 생리적 원인이나, 약물의 남용, 정신 질환 등으로 인하여 잠이 안 오는 증상이다. 다면증(Hypersomnia)은 불면증과 반대로 잠이 많이 오는 현상으로 우울함과 관계 있다. 침울한 상태의 사람들이 REM이 빨리 오고, 그 시간도 증가한다. 낮잠 역시 우울한 사람들에게 일반적이다. Narcolepsy는 다면증의 일종으로 수면이 갑자기 쏟아지거나, 잠자는 중에 정신은 깨어났으나 몸을 움직일 수 없는 상태 등이 그 증상이다. 그 밖에 초수면(parasomnias) 상태인 몽유병(somnambulism)이 있고, 자율 신경계의 기능 항진으로 갑자기 수면 중에 소리를 지르는 야경증 (night terrors), 또 호흡 압박, 부분적 불수, 심한 두려움 등을 보이는 가위눌림(incubus), 나아가 꿈과 관계된 악몽(nightmare)도 있다.