Partial lesions of hypocretin neurons of the rat lateral hypothalamus affect wake and sleep regulation under increased sleep pressure
쥐의 외측 시상하부에 있는 히포크레틴 생성 뉴런의 약 30%를 부분적으로 병변시키면 기저 수면-각성 패턴은 변화시키지 않지만, 수면 압력이 증가된 상태에서의 수면 조절을 구체적으로 방해하여 서파 수면 회복을 가속화하고 세타 주파수를 약간 감소시킨다.
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수면과 깨어 있음은 단순히 꺼짐과 켜짐 사이를 오가는 스위치가 아니라, 뇌 속의 복잡한 화학적 전달 물질 네트워크에 의해 유지되는 섬세한 균형이다. 이들 중 시상하부 외측이라는 깊은 부위에 위치한 세포 집단이 결정적인 역할을 한다. 이 세포들은 히포크레틴(hypocretin)이라 알려진 물질을 생성하며, 이는 신체가 경계 상태를 유지하고 깨어 있도록 하는 신호처럼 작고 작용한다. 이 시스템이 심하게 손상되면 나르코렙시(기면증)라고 불리는 질환이 발생하는데, 이 경우 뇌는 깨어 있는 상태를 유지하는 데 어려움을 겪으며 갑작스러운 수면 발작과 근육 조절 능력 상실로 이어진다. 과학자들이 이 세포들이 완전히 파괴되었을 때 어떤 일이 일어나는지에 대해서는 오랫동안 연구해 왔지만, 이 세포들의 일부만을 잃었을 때 어떤 일이 발생하는지에 대해서는 알려진 바가 적다. 이러한 지식의 공백은 중요한데, 많은 기면증 환자들이 시스템의 완전한 실패에서 시작하는 것이 아니라, 시간이 흐름에 따라 서서히 악화되는 부분적인 손실에서 시작할 수 있기 때문이다. 이러한 초기 손상의 미묘한 영향을 이해하는 것은 의사들이 질병이 가장 심각한 증상으로 나타나기 전에 이를 인식하는 데 도움을 줄 수 있다.
체코의 한 연구팀은 히포크레틴 생성 세포의 부분적인 손실을 모방하는 쥐 모델을 만들어 이 질병의 초기 단계를 탐구하고자 했다. 전체 시스템을 파괴하는 대신, 그들은 시상하부 외측에 있는 이 특정 뉴런의 약 3분의 1을 정교하게 제거했다. 그런 다음 그들은 이 동물들이 건강한 쥐와 비교하여 하루와 밤의 전체 주기 동안 어떻게 행동하는지 관찰했다. 정상적이고 방해받지 않는 조건 하에서, 결과는 놀라울 정도로 조용했다. 부분적인 손상을 입은 쥐들은 건강한 쥐들과 동일한 시간에 잠들고 깨어났으며, 깊은 수면, 얕은 수면, 그리고 깨어 있는 상태에서 보내는 시간도 동일했다. 그들의 일주기 리듬은 온전하게 유지되었으며, 심한 기면증에서 흔히 보이는 갑작스러운 수면 발작이나 근육 붕괴 현상도 보이지 않았다. 이 발견은 뇌가 상당한 양의 내재된 중복성을 가지고 있음을 시사한다. 즉, 3분의 1의 세포를 잃는 것은 모든 것이 원활하게 돌아가고 있을 때 시스템을 무너뜨릴 만큼 충분하지 않다는 것이다.
하지만 연구진이 수면 시스템에 압박을 가하자 이야기는 달라졌다. 그들은 쥐들이 평소 휴식 시간 동안 6시간 동안 깨어 있게 하여 높은 수면 압박 상태를 만들었고, 그 후 어떻게 회복하는지 관も했다. 이 스트레스 상황에서 두 집단 간의 차이가 명확해졌다. 세포의 부분적 손실이 있는 쥐들은 건강한 쥐들에 비해 더 빨리 잠들었으며, 회복의 첫 몇 시간 동안 더 깊고 회복력 있는 수면에 더 많은 시간을 보냈다. 그들은 소실된 수면을 더 공격적으로 보충하는 듯 보였으며, 깨어 있는 상태에서 깊은 수면으로 전환되는 속도가 더 빨랐다. 이는 시스템이 부분적인 손실을 겪더라도 정상적인 날에는 대처할 수 있지만, 수면 요구량이 높을 때는 스스로를 조절하는 데 어려움을 겪는다는 것을 나타낸다.
연구진은 또한 전극을 사용하여 이 동물들의 뇌에서 발생하는 전기적 활동을 면밀히 조사했다. 그들은 깨어 있음 및 급속 안구 운동(REM) 수면과 관련된 뇌파에서 미묘하지만 일관된 변화를 발견했다. 히포크레틴 세포가 적은 동물들의 경우, 각성과 꿈을 연관 짓는 세타(theta) 주파수 범위의 뇌파가 약간 더 느린 속도로 이동했다. 이러한 변화는 동물들이 정상적으로 휴식할 때와 수면 박탈 후에 모두 나타났다. 연구는 심한 기면증에서 보이는 갑작스러운 수면 시작의 증거를 발견하지 못했으며, 근육 긴장도가 갑자기 상실되는 카타플렉시(탈력 발작)의 징후도 발견하지 못했다. 대신, 이 결과들은 시스템이 여전히 기능하고는 있지만, 압박을 받을 때 리듬을 유지하는 효율성이 약간 떨어져 있음을 가리킨다. 이 연구는 기면증의 초기 단계가 깨어 있음의 완전한 붕괴가 아니라, 증가된 수면 요구를 처리하는 데 있어 미묘한 무능력으로 특징지어질 수 있음을 시사하며, 이는 질병이 완전히 쇠약해지기 전에 감지될 수 있는 징후가 될 수 있다.
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