3. 睡眠の機能
なぜ眠るのか? (1) 脳の休息 (2) 記憶の定着 (3) その他
(1) 脳の休息
ヒトの脳 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 男女別脳重量 男 2,812 例 女 1,017 例 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 歳 昭和大学後藤昇氏の成績 ( 剖検資料 ) 成人の脳重量は 1400g 前後 体重の 2~2.5% 脳血流量は 750~1000ml/ 分 心拍出量の 10~15% 脳を休ませなければ 良い考えも浮かばない 脳は血流に富み 代謝の盛んな臓器. 覚醒時の脳は 全エネルギーの約 18% を消費.
睡眠とは? 迅速な情報処理と機能調節を担っている脳を管理する技術発達した大脳をうまく休ませる適応行動生体防御技術 睡眠自体を管理するのも脳 脳によって脳のために営まれる脳を発達させた動物の生存のために不可欠横になって目を閉じるという行動上の変化は睡眠の症状 休息と活動の概日リズムを背景にする ( 井上昌次郎 )
ヒトの睡眠深度と脳波の関係 覚醒 レム (REM) Stage 1 Stage 2 ノンレム Stage 3 Stage 4
レム (REM) 睡眠 Stage 1: 半醒半睡状態あるいは入眠期 ゆっくりとした眼球運動がみられる. 以後 眠りが深くなるにつれ Stage 2~4 へ. REM: 眠りはじめてから 1 時間半 ~2 時間で突然, 脳波パターンは Stage1 へ移行. 覚醒時のような急速眼球運動 (rapid eye movement:rem) が起こる. 頤筋などの抗重力筋の緊張が著しく低下する. 夢をみているのも この時期
覚醒 ノンレム睡眠 レム睡眠 覚醒ノンレム睡眠レム睡眠 行動 行覚動醒ポリグラフ 筋電図脳波眼電図 脳波のステージ REM レム睡眠時 筋電図には活動が見られない. 体の動きは抑制されている. 外側膝状体の細胞活動脳内アミン系の活動 (NA, セロトニン ) 脳内コリン系の活動 レム睡眠時に 亢進 抑制 亢進
レム睡眠行動障害 左眼の動き右眼の動き左側脳波右側脳波顎の筋電図腕の筋電図脚の筋電図心電図
レム睡眠とノンレム睡眠 レム睡眠 : 魚類や両生類などの原始的な眠りや爬虫類のやや進化した眠りと共通し身体を不動化させることが最も重要 骨格筋の緊張を解き 身体を麻痺状態におく ノンレム睡眠 : 意識水準や体温を下げる新技術 レム睡眠には ノンレム睡眠と覚醒を結ぶ新たな役割を付与 ノンレム睡眠は大脳を休ませ 回復させる レム睡眠は大脳をノンレム睡眠の状態から目覚めさせる
脳の代謝と睡眠 脳は体重の約 2~2.5% を占めるに過ぎないが 覚醒時の脳は 全エネルギーの約 18% を消費する 脳は疲れやすく 休息が必要な臓器である ノンレム睡眠時には 脳のブドウ糖消費が減少 ヒト ノンレム睡眠 (Stage 2+3) 覚醒時より 23% 減 ノンレム睡眠 (Stage 3+4) 覚醒時より 40% 減 サルノンレム睡眠 覚醒時より 30% 減 脳のアセチルコリン放出量 ( ネコ ) 覚醒時ノンレム レム睡眠 皮質 2.1 1.0 2.2 ng/ 分 尾状核 1.7 1.3 2.3 ng/ 分
(2) 記憶の定着
睡眠が記憶の定着に重要な役割を果たすことを明らかにした歴史的な研究 正しく想起できた音節の数 意味を成さない音節を提示し 憶えてもらう Jenkins JG, Dallenbach KM. Obliviscence During Sleep and Waking. Am J Psychol 605 612, 1924.
睡眠と記憶の定着 : 視覚識別課題 識別に要する時間の改善 視覚識別課題 ( Visual Discrimination Task ) (ms) 覚醒持続夜間睡眠 (ms) 識別に要する時間の改善 (ms) 識別に要する時間の改善 Day 0 のみ断眠毎日 通常の睡眠 テスト間隔 ( 時間 ) 徐波睡眠 (%) REM 睡眠 (%) 最初の四半分最後の四半分 初回テスト後の日数 Stickgold, R. Sleep-dependent memory consolidation. Nature 437, 1272 1278 (2005).
睡眠と記憶の定着 :Finger-Tapping 4-1-3-2-4 というような簡単な数字の列を出来る限り速く かつ正確に打ち込む 30 秒で打ち込んだ数 睡眠睡眠睡眠 練再習試行 練再習試行 練再習試行 30 秒で打ち込んだ数 睡眠時間の最初の四半分における Stage 2 ノンレム睡眠の割合 改善の度合 覚醒 / 断眠昼寝 / 通常の睡眠 断眠 通常の睡眠 覚昼断醒寝眠日中夜間 48 時間後
睡眠と記憶の定着 : 回転適応課題 を目指してマウスを操作 標的 実際にカーソルが動く方向 エラー角度 初めのカーソル位置 エラー角度の改善 ( % ) 夜の睡眠朝練習 7~8 hr 8 hr 後 カーソルが思う通りに動く時と比較した徐波の出方の差 エラー角度の改善 ( % ) 右頭頂葉における徐波の増加 (%)
昼寝も有益 起きている 昼寝 15 昼寝なし 識別に要する時間の改善 (ms) 10 5 0-5 -10 60 分昼寝 90 分昼寝 28 人 13 2 人 13 17 人 徐波睡眠と REM 睡眠を両方とも含むような昼寝が識別時間の改善をもたらす 昼寝の時間の長短は 大きな意味を持たない -15 徐波睡眠 (-) REM 睡眠 (-) 徐波睡眠 (+) REM 睡眠 (-) 徐波睡眠 (+) REM 睡眠 (+) Mednick, et al. Nature Neurosci. 2003; 6: 697-698.
さらに... 睡眠は 免疫記憶の形成にも 重要な役割を果たしている
睡眠の時相やステージと生理活性物質 覚醒 REM 睡眠ステージ 1 ステージ 2 ステージ 3 ステージ 4 REM 睡眠 徐波睡眠 前半 後半 23 0 1 2 3 4 5 6 7 時 神経活動や全身の代謝に影響を及ぼす物質 アセチルコリン ノルアドレナリンセロトニン コルチゾール アセチルコリン ノルアドレナリンセロトニン コルチゾール 成長ホルモン
IL12 産生細胞 60 40 20 0 抗原 細胞表面に提示された抗原 記憶機構にあてはめると 断眠睡眠 20 24 4 8 12 16 20 時 徐波睡眠 成長ホルモンコルチゾールプロラクチン 暗号化 抗原提示細胞 抗原情報の受け渡し IL12 ヘルパー T 細胞 記憶の固定 B 細胞 抗体 細胞傷害性 T 細胞 想起 T 細胞を動員する 速やかに抗体を産生し 次回の抗原曝露時に 特 A 異型的肝な炎 T ウ細イ胞ル ( ス % に ) 0.20 0.10 0.08 0.04 0.01 A 型肝炎の予防接種 断眠 睡眠 0.1.2.3.4 0.1.2 A 型肝炎ウイルスに特異的な T 細胞 (%) 0 1 2 4 8 10 12 16 18 20 52 初回接種後の週数 Besedovsky et al. Pflugers Arch. 2012; 463: 121 137. 徐波活性 8 6 4 2 8 6 4 2
(3) その他 創造的な活動と睡眠
偉大な発見や作品は眠っている間に生まれる? Kekule ベンゼン核の構造 Stevenson ジキル博士とハイド氏 の一場面の着想 Loewi 神経伝達機構 Coleridge 叙事詩 Kubla Khan の詩想 Howe ミシンの発明 Tartini バイオリンソナタ 悪魔のトリル の作曲 Hilprecht 楔形文字の解読 Mendeleev 周期律の発見 Benson 詩 The Phoenix Massenet 幾つかのオペラの作曲 Nature 2004;427: 304-305.
昼寝と non-rem/rem 睡眠 記憶に伴う情動 改善の程度 ( % ) 記憶が残っている程度 問題解決能力 休息のみ 昼寝 昼寝 non-rem REM 情動の記憶 睡眠 心地よい嫌な中立的 Cai, et al: PNAS 2009 創造的な睡眠 REM 睡眠を伴った昼寝の後は創意工夫を要するような問題解決能力の向上がみられた 同じ昼寝でも REM 睡眠を伴わなければ あるいは休息のみで眠らないでいれば このような効果は見られなかった 断眠 Walker,et al: NYAS 2009 記憶内容に伴う情動の影響断眠時には 心地よい / 中立的な気分は残り難い 一方 嫌な気持ちは残りやすい 夜 物事が悪く感じられても 翌朝は それほどでもないと思われることが多いのは 眠ることで 心地よい気分も定着するからかも知れない
睡眠相と思考の内容 まぶた REM あたま 1 2 3 4 5 6 7 時 覚醒 NREM 報告された頻度 % 首尾一貫した思考 % 100 100 80 60 40 20 0 活動入眠 REM 安静 NREM 80 60 40 20 0 幻覚 妄想活動入眠 REM 安静 NREM Hobson & Pace-Schott Nature Reviews Neuroscience 2002; 3: 679-693.