각성 상태와 신경 I – Neural Control of Arousal I

우리가 잠을 잘 때 서로 다른 특징을 가진 여러 단계를 거치는 것처럼, 우리가 깨어있을 때의 상태도 매우 불균일(nonuniform)합니다. 가끔은 주위를 경계하거나 집중하기도 하고 그렇지 않기도 하는 것처럼 말이지요. 우리가 깨어있으려고 노력하면 우리가 다른 것에 집중을 잘 못하게 되는 것처럼 졸림(sleepiness) 역시 각성상태에 영향을 미칩니다. 동물의 각성상태(arousal)에 영향을 미치는 신경전달물질(neurotransmitter)은 적어도 5개- 아세틸콜린(acetylcholine), 노르에피네프린(norepinephrine), 세로토닌(serotonin), 히스타민(histamine), 오렉신(orexin)- 가 알려져 있습니다. 각각의 신경전달물질이 각성 상태에 대해 어떤 역할을 하는지 알아보도록 하겠습니다.

arousal system2

아세틸콜린 – Acetylcholine

대뇌 피질(cerebral cortex)에서 특히 중요한 역할을 하는 신경전달물질이 아세틸콜린입니다. 뇌교(pons)와 기저 전뇌(basal forebrain)에 위치한 아세틸콜린성 뉴런들이 자극을 받았을 때 피질에서 부조화(cortical desynchrony)를 일으킵니다. 또 다른 아세틸콜린성 뉴런들은 내측 중격(medial septum)에 있으면서 해마(hippocampus)의 활동을 조절합니다.

아세틸콜린 작용제(agonist)가 각성형 EEG 신호를 증가시키고, 길항제(antagonist)가 감소시킨다는 것은 오래 전부터 알려져 있었습니다. 과학자들은 미소투석법(microdialysis)을 통해 동물들이 경계하거나, 각성했을 때활성화되는 해마(hippocampus)와 신피질(neocortex)에서 아세틸콜린의 분비량을 측정하는 실험을 했고, 깨어있는 상태와 REM수면 상태에서 아세틸콜린 수치가 높게 나오는 것을 확인했습니다.

또, 등쪽 뇌교(dorsal pons)를 전기적으로 자극했을 때 대뇌 피질이 활성화되었고, 그 부근의 아세틸콜린 농도가 350%로 증가했습니다. 기저 전뇌에 있는 아세틸콜린성 뉴런들은 이러한 현상을 나타나게 하는 중요한 전달경로(pathway)입니다. 국소 마취제를 투여하여 이 뉴런들을 일시적으로 비활성화시키면, 뇌교 자극(pontine stimulation)에 의한 효과는 사라집니다. 반면에 이런 뉴런들을 활성화시키는 약물은 각성 효과를 나타냅니다. 기저 전뇌의 아세틸콜린성 뉴런들도 깨어있을 때와 REM 수면 상태에서 높은 활성도를 보이는 반면 서파수면(slow-wave sleep) 시에는 활성도가 낮습니다.

노르에피네프린 – Norepinephrine

암페타민같은 카테콜아민 작용제(catecholamine agonist)들이 각성상태를 불러 일으킨다는 사실은 오래 전부터 알려져 있었습니다. 이런 효과는 주로 청반(locus coeruleus;LC)에 있는 노르아드레날린성 시스템에 의해 이뤄지는 것입니다.  청반의 뉴런들의 축삭들은 멀리, 넓게 뻗어나가서 신피질(neocortex), 해마(hippocampus), 시상(thalamus), 소뇌 피질(cerebellar cortex), 뇌교(pons), 연수(medulla)로 노르에피네프린(NE)을 방출합니다. (축삭의 축삭 정맥류<axonal varicosity>에서 방출합니다.) 그래서 LC의 노르에피네프린성 뉴런들은 뇌의 넓은 지역에 영향을 미칠 수 있습니다.

LC의 노르에피네프린성 뉴런들의 활동을 측정해 보았을 때 깨어 있을 때는 활동 수치가 높았다가 서파수면(slow-wave sleep)때 줄었고, REM수면 상태일 때는 거의 0에 가까운 활동 수치를 보였습니다. 그리고 잠에서 깬 후 몇 초만에 뉴런의 활동 수치는 급격히 상승했습니다.

전기적 자극을 통한 실험에서 전기적 자극이 원하는 뉴런만을 활성화 시켰는지 알 수 없기 때문에 광유전학적 방법(optogenetics method)을 이용한 실험도 있었습니다. LC의 노르에피네프린성 뉴런에 ChR2, NpHR 단백질을 발현시킨 후 푸른 빛으로 뉴런을 활성화 시켰을 때 실험 동물이 즉시 잠에서 깨는 것을 확인했습니다. 반면 노란 빛으로 뉴런을 비활성화 시켰을 때 서파수면(slow-wave sleep)의 비율이 늘어났습니다.

LC의 노르에피네프린성 뉴런들의 활동은 동물의 경계성(vigilance)을 증가시킵니다. 경계성(vigilance)이란 동물들이 주변 환경의 자극에 대해 주의를 기울이는 행동을 말합니다. 원숭이들에게 화면상의 특정 자극을 바라보게 하는 실험이 있었습니다. 이 실험에서 LC의 노르에피네프린성 뉴런의 활성도가 높은 원숭이들은 더 뛰어난 결과를 보이는 것으로 보아 LC 뉴런의 활동이 경계성을 증가시키는 것을 알 수 있습니다.

세로토닌 – Serotonin

세로토닌(5-HT) 역시 행동을 이끌어내는 데에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있습니다. 거의 대부분의 세로토닌성 뉴런들은 솔기핵(raphe nuclei)에 위치해 있습니다. 이 뉴런들의 축삭은 시상(thalamus), 시상하부(hypothalamus), 기저핵(basal ganglia), 해마(hippocampus), 신피질(neocortex) 등으로 뻗어나갑니다. 솔기핵을 자극하면 피질이 각성상태가 됩니다. 반면에, 세로토닌의 합성을 방해하는 물질인 PCPA를 투여했을 때 피질의 활동성이 낮아집니다.

세로토닌성 뉴런은 걷기, 씹기 같은  지속적이고, 자동적인 움직임에 많은 영향을 줍니다. 반면에 동물들이 새로운 자극을 접하게 되면 세로토닌성 뉴런의 활성도가 낮아집니다. 이를 토대로 세로토닌성 뉴런은 지속되는 활동을 수행하고, 감각 정보를 처리하는 과정을 억제하는(계속 하고 있는 활동을 방해하지 않기 위해서입니다.) 역할을 하는 것으로 보입니다.

수면과 세로토닌의 관계는 수면과 노르에피네프린과의 관계와 유사합니다. 깨어있을 때 가장 활성화되어있는 반면, 서파수면(slow-wave sleep)때 낮아지고, REM 수면에 이르러서 최하점에 도달합니다. 그 후 깨어나면서 다시 급속도로 활성화됩니다.

글이 너무 길어지는것 같네요;;
히스타민과 오렉신이 각성상태에 미치는 영향에 대해서는 다음 글에서 설명하도록 하겠습니다.

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