[Chronobiology] 인간의 잠 (2)

생체 시계의 구조와 기능

 

인간의 경우 일주기 박동조율기는 제3 뇌실 (the third ventricle) 양쪽의 시신경 교차 (optic chiasma) 위, 시상하부 전방 (anterior hypothalamus)의 작은 구조인 시교차 상핵 (SCN)에 위치한다. SCN은 약 24.2시간의 주기 길이 (또는 전체 주기를 완료하는 데 걸리는 시간)로 내인성 리듬을 생성한다. 일주기 심장박동기의 동조 (시계 시간 설정)는 시신경 (망막시상하부, RHT)을 통해 SCN으로 전달되는 명암 주기의 광주기적 정보에 의해 이루어진다. 인간의 일주기 심장 박동기 시스템은 광 수용체와 광 신호를 수신 및 전송하는 입력 경로 (RHT), SCN 자체 및 SCN의 출력 경로로 구성된다. 빛/어두운 정보는 망막의 광수용체에 의해 활동 전위로 변환되고 RHT를 통해 SCN으로 전송된다. SCN에서 리듬 정보는 제3 뇌실과 복부 비장에 가까운 작은 완두콩 크기의 구조인 송과선에 도달하여 멜라토닌의 합성과 분비를 초래한다. 멜라토닌의 역할은 일일 명암 주기에 대한 정보를 신체의 모든 조직에 전달하는 것이다. 멜라토닌은 SCN의 신호에 반응할 뿐만 아니라 내인성 멜라토닌 리듬이 시계의 위상이나 시간을 나타낼 수 있기 때문에 시계 바늘로 설명되었다. 인간의 경우, 추정되는 멜라토닌 수용체는 SCN에 위치하며 SCN에 피드백 루프를 제공하는 것으로 밝혀졌다. 이 피드백 루프를 통해 순환하는 멜라토닌은 SCN에 영향을 미치고 SCN은 송과선에서 멜라토닌 분비 시기를 제어한다.

 

Zeitgebers

 

SCN은 zeitgebers 또는 시간 제공자라고 불리는 환경 단서에 의해 동기화되거나 동기화된다. 가장 중요한 시간 신호는 밝음/어두움 주기이다. 그러나 다른 시대 게버에는 식사 및 신체 활동과 같은 사회적 단서나 멜라토닌과 같은 내부 시대 게버가 포함된다.

 

광 (Light)

 

초기 연구에서는 인간의 멜라토닌과 멜라토닌의 위상 이동 및 온도 일주기 리듬을 억제하는 데 있어 밝은 백색 (광대역) 빛의 효과가 입증되었다. 최근에는 일주기 시스템이 더 긴 파장 (빨간색)보다 짧은 파장의 빛 (파란색 및 녹색)에 더 민감한 것으로 나타났다. 빛 펄스의 타이밍, 강도, 지속 시간과 파장은 일주기 심장 박동기를 동반하는 빛의 능력에 영향을 미친다.

 

빛 자극 시간

 

세 개 다른 수준의 빛 강도의 효과에 대한 세 가지 위상 반응 곡선을 보여주는 빛 관리에 대한 인간 위상 반응 곡선 (PRC)의 그림

 

광 자극의 타이밍은 위상 변이의 크기에 영향을 미친다. Lewy와 동료들은 인간이 빛에 대한 위상 반응 곡선 (PRC)을 갖고 있으며 일주기 시스템은 일주기 주기 내 타이밍에 따라 빛에 다르게 반응한다고 제안했다. 밝은 빛에 대한 인간의 위상 반응을 자세히 설명하기 위해 광범위한 연구가 수행된다. 광 펄스를 하루 또는 연속해서 투여한 경우, 밝은 광 펄스의 중간점이 최저 온도에 가깝게 중심에 있을 때 일주기 리듬의 큰 위상 변화가 발생하는 것으로 입증되었다. 일주기 리듬의 위상 지연을 달성하려면 최저 온도 이전에 빛 자극이 제시되어야 하며, 위상 전진 (또는 시계 시간을 더 일찍 이동)을 달성하려면 최저 온도 이후에 자극이 제시되어야 한다. 그림은 세 가지 다른 수준의 빛 강도의 효과에 대한 3단계 반응 곡선을 보여주는 빛 투여를 위한 인간 PRC의 그래픽 표현이다. 모든 빛 강도에 대해 온도 최소 위상 지연 이전에 나타난 빛과 온도 최소 위상이 진행된 이후의 빛은 온도 최소에 더 가깝게 나타나는 빛에 대한 응답의 크기가 더 크다.

 

더욱이, 위상 변화의 크기는 용량 의존적일 뿐만 아니라 시간 의존적이다. 또한, 광 펄스가 3개의 연속적인 주기에 걸쳐 투여되었을 때 한 번의 광 펄스 이후 약 2시간의 위상 변이와 비교하여 4~7시간의 위상 변이가 유도되었음을 발견했다.

 

빛의 세기

 

강도는 멜라토닌 억제 및 일주기 위상 변화의 크기에도 영향을 미친다. 최근 연구에 따르면 인간의 일주기 심장박동기는 원래 Lewy와 동료들이 결정한 것보다 빛에 더 민감하다는 것이 입증되었다. 멜라토닌 배설이 증가하는 단계에 투여될 때 300 ~ 500 lux (조도의 미터법 측정)만큼 낮은 광도는 멜라토닌을 억제하고 멜라토닌 리듬을 지연시킨다.

 

최저 온도 이후 1.5시간 중심으로 약 180 lux의 실내 조명 강도를 갖는 3개의 5시간 펄스는 각각 1.16시간 및 2.89시간의 온도 및 멜라토닌 리듬의 위상 전진을 유도할 수 있었다. 이러한 연구에서는 심부 체온과 멜라토닌 리듬의 재설정 반응 (위상 전진) 정도가 비선형 함수에서 조명 강도에 따라 증가한다는 것을 보여주었다 (500 lux의 낮은 강도에서 증가하면 더 큰 증가가 발생함) 고강도 범위에서 동일한 증가보다 위상 변화가 심함).

 

다른 연구에서는 멜라토닌 억제의 반응과 멜라토닌의 위상 재설정 및 빛 강도의 변화에 ​​대한 주의력에 맞는 최상의 모델이 대수 용량-반응 곡선과 일치한다는 것을 발견했다. 6.5시간의 더 긴 지속 시간의 광 펄스가 초기 주관적 밤에 투여되었을 때 혈장 멜라토닌 농도가 용량 의존적으로 억제되는 것으로 나타났다. 9100 lux의 조명에서는 100 lux (어두운 실내 조명 조도와 거의 동일)에서 얻은 경고 반응, 멜라토닌 억제 및 위상 지연의 두 배만 얻었다. 위의 연구는 야간 멜라토닌이 200 lux 정도의 낮은 빛에 의해 최소한으로 억제될 수 있으며 멜라토닌 억제 및 위상 재설정 반응이 용량 의존 방식으로 발생하며 강도가 높을수록 더 큰 억제를 생성한다는 것을 보여준다. 이러한 발견의 또 다른 의미는 빛이 멜라토닌과 심부 체온 리듬에 미치는 영향을 결정하는 실험은 일반 실내 조명인 150 lux보다 낮은 조명 강도 제어 조건에서 수행되어야 한다는 것이다.

 

조명 시간

 

연구에 따르면 1시간 단일 광 펄스로 멜라토닌 리듬의 적당한 30분 위상 지연이 발생했다. 12,000 lux의 단일 4시간 광 펄스로 위상 지연과 위상 전진을 모두 생성할 수 있었다. 습관적으로 취침 직전에 빛을 투여한 경우 2.4시간의 위상 지연이 발생했고, 습관적으로 기상한 직후 빛에 노출된 후 1.5시간의 위상 전진이 유도되었다. 또, 다른 연구에서는 5000 lux의 단일 3시간 광 펄스가 최소 온도와 관련하여 서로 다른 일주기 시간에 제시되었을 때 위상 전진보다 더 큰 위상 지연으로 평균 위상 지연 및 1시간의 전진이 생성되었다. 일반적으로 연구에 따르면 광 펄스 지속 시간이 길수록 일주기 위상 변화가 더 커진다.

 

빛의 파장

 

더 짧은 파장의 빛 (파란색과 녹색)은 야간 멜라토닌 분비를 억제하고 멜라토닌 리듬의 위상을 변화시키는 데 더 긴 파장의 빛 (노란색과 빨간색)보다 더 효과적인 것으로 밝혀졌다. 야간 멜라토닌 억제에 대한 작용 스펙트럼이 확립되었으며 더 짧은 파장이 인간 송과선 (human pineal gland)을 조절하는 데 가장 강력한 파장 영역임을 입증했다.