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Sleep physiology- Part I
嘉義長庚醫院胸腔內科
周育廷醫師
名詞解釋• Arousal• REM (rapid eyes movement)• Non-REM• OSA or OSAHS (obstructive sleep apnea/
hypopnea syndrome)• Narcolepsy• Circadian rhythm• http://sleepforum.tw/
睡眠研究的歷史• 1875 Richard Caton demonstrated electrical rhythms in t
he brains of animals• 1928 Hans Berger (German) recorded electrical activity
of the human brain• 1949 Moruzzi and Magoun :定義 high voltage, slow wa
ves 為睡眠腦波,而 low voltage fast activity 為清醒腦波• 1953 Aserinsky and Kleitman :觀察到睡覺時的眼動情形,
進而發現及定義 REM stage• 1959 紀錄 total night sleep EEG, 進而發現 sleep cycle• 1968 Rechtschaffen and Kales (R & K) 為各個睡眠 stage
的腦波下個定義及定下規範,此後為後續研究的依據。
各種睡眠週期的腦波圖• EEG :腦波,其波形基本分為 : αwave: 8 ~ 13 cps ,振幅 10~150microvolts βwave: >13 cps ,振幅 80~200microvolts θwave: 4 ~ 8 cps ,振幅 >75μν δwave: <4 cps ,振幅 >75μν *cps (circle per second) 即每秒幾個波
• EOG :眼動• EMG :肌肉張力
各種睡眠週期的腦波圖
STAGE AWAKE
• 此期 EEG 多數為 α 波, EOG 為快速動眼,EMG 的肌肉張力最高, Amplitude 也最大,常有 body movement 。隨著病患的睡意增加 α 波距離會稍寬。
AWAKE -30sec
STAGE 1
EEG
以 θ 波為主, α 波 <50% 。出現 <0.5sec 的類 似 K-complex 之 Vertex Sharp ,振幅可達 200 μν
EOG 為 Slow Eye Movement 。
EMG 比醒時較低。•從關燈後第一個進入 Stage 1 的時間點 ( 連續三頁睡著 ) ,我們稱為 Sleep Onset 。而這段時間稱為 Sleep Latency ,正常成人約 15 分鐘。
STAGE 1 -30sec
STAGE 2
EEG 背景為 Stage 1 。
出現 Sleep Spindle屬 βwave ,至少有 0.5sec , 12~14cps( 要符合三分鐘法則 )
或出現 K-complex先一個負向波再接一個正向波,寛 度 至 少 0.5sec , 高 度 至 少75μν( 要符合三分鐘法則 )
EOG 安靜,無明顯的波動Tonic EMG 比 Stage 1 低些。在後期會有一些 <20% 的 δwave 。
STAGE 2 -30sec
Slow Wave Sleep
Stage 3 Stage 4
此期 EEG 以 δ 波為主,佔 20~50%
此期 EEG 以 δ 波為主,佔 >50%
Sleep spindle 在此期有可能出現。
EOG 與 EEG 同步波動,另外 EMG 的張力呈最低。
STAGE 3 -30sec
STAGE 4 -30sec
REM Stage
EEG
與 Stage 1 相似。常有 saw-tooth 及 α 波穿插出現,但不會出現 Vertex Sharp 。α 波會比 Stage 1 更常出現,但會比醒波慢 1~2cps 。
EOGRapid Eye Movement 。 ( 要符合三分鐘法則 )
EMG 在所有的 sleep stage 中為最低的。EMG Level 若相對地昇高,則可提供作為 Stage REM 結束之參考訊號。
REM -30sec
Movement time
• 指前後都有入睡,中間有一段 >50%epoch因為身體的動作,使所有的訊號都看不清楚,無法分辨是那一期的睡眠,這一段時間即稱之。
正常的睡眠週期1. 睡眠由 NREM stage 開始,並慢慢的往更深的
睡眠進展 (stage 2-stage 3-stage 4) ,第一個週期這樣的進展過程約需 80-100 分鐘。
2. 當到達 stage 4 後會再轉變成 stage 2 ( 有時後會轉成 stage 1) ,之後進入 REM stage 。
3. 之後 NREM and REM stage 會交替,一個週期約 90 分鐘。
4. 在前面的 1/3 週期部分會以 slow wave sleep 為主,且與睡眠的開始相關。
5. 在後面的 1/3 週期部分會以 REM sleep 為主,且與 circadian rhythm 造成的體溫變化相關。
整個睡眠時間中各 stage 時間所佔的比例:• 清醒( <5% )• stage 1 ( 2-5% )• stage 2 ( 45-55% )• stage 3 ( 3-8% )• stage 4 ( 10-15% )• REM ( 20-25% )
正常的睡眠週期
睡眠 - 清醒的基本機轉• 如何清醒過來及維持清醒?• 如何引發睡眠?
• 促進清醒的神經元• 促進睡眠的神經元• 開啟 REM 的神經元• 關閉 REM 的神經元四個人在玩蹺蹺板以達到一個平衡
如何醒過來?1. 感覺刺激 脊椎的傳入神經路徑 腦幹的 reticular activating system ,它從
medulla 一直延伸到 midbrain
相關的大腦半球 刺激及維持清醒
如何醒過來?2. 控制 sleep-wake states 的神經細胞(促
進清醒的神經元): 腦中的一些同類型的樹狀突細胞( isodent
ritic cell ),從延髓( medulla )經由腦幹( brainstem )及下視丘( hypothalamus )一直延伸到前腦基部( basal forebrain ),即使在沒有感覺神經傳入的刺激下,它會依自己的節率維持持續的放電,以維持腦部的清醒。
• 主要維持刺激清醒的神經細胞多集中在 laterodorsal and pedunculopontine tegmental nuclei (LDT/PPT) 、 oral pontine and posterior hypothalamus
• 與交感神經系統交錯• 主要與這些神經相關的傳導物質包括 cate
cholamines, acetylcholine, histamine, orexin
Other wakefulness promoting neurons
• Glutamatergic neurons from brainstem reticular formation.
• Noradrenergic neurons from locus coeruleus.• Serotonergic neurons from raphe nuclei. • Histaminergic neurons from tuberomammilary nu
cleus of the caudolateral hypothalamus. • Cholinergic neurons from the basal forebrain nuc
lei.
Other wakefulness promoting neurons
• These neurons send widespread projections throughout the thalamus and cortex.
• No lesions of any single one could disrupt EEG desynchronization permanently.
休息一下!把口水擦一下!
促進睡眠的神經元• 神經傳導物質 serotonin and adenosine幫忙抑制感覺的傳入
• 而位在 hypothalamus and basal forebrain負責分泌 GABA 的神經則對於啟動及維持slow wave活動有很重要的影響
促進睡眠的神經元• 主要促進睡眠的神經元多集中在 midline br
ainstem, dorsolateral medullary reticular formation, anterior hypothalamus-preoptic 或 ventrolateral preoptic (VLPO) area
• 與副交感神經交錯• 主要與這些神經相關的傳導物質包括 serot
onin, adenosine, GABA 。
• 負責影響清醒及睡眠的神經在腦幹、中腦、下視丘一直到前腦基部這些區域中互相交錯,互相影響,是一個動態的平衡,像蹺蹺板一樣。
• 沒有一個單一的神經傳導物質可以單獨的決定清醒或睡眠的一切,也是維持一個動態的平衡。
如何引發睡眠?• 自我平衡( Homeostatic factor ) : 由前一次睡醒到目前為止的時間來決定。
• 生理時鐘( Circadian factor ) : 由接近 24小時的生理時鐘變化決定。
Homeostatic drive for sleep- the role of adenosine
• 隨著身體的代謝而減少高能量磷的存量及增加 adenosine 的量。
• Adenosine 會選擇性的聚集在 basal forebrain 。
• Adenosine 會抑制傳入感覺神經的刺激及促進清醒的神經元,而導致睡眠的啟動。
Circadian rhythm- the role of SCN
• Suprachiasmatic nuclei (SCN) :負責控制生理時鐘的地方。
• 從 SCN 會有很多的神經細胞突觸放射到 VLPO ,這些神經細胞在負責睡眠及清醒的節律調節上是必須的。
Homeostatic drive Circadian rhythm
Adenosine 的聚積 suprachiasmatic nuclei (SCN)
經 VLPO上的神經元分泌物質刺激促進睡眠神經元
經 LDT/PPT上的神經元分泌激素 抑制清醒促進神經元
Sleep onset
Monoaminergic wakefulness promoting neurons
Thalamocortical neurons
REM 的發生
REM sleep 的主要特徵• PGO waves
• 快速眼動• 肌肉無張力( muscle atonia )• EEG 的去同步化( desynchronization )
REM stage 的啟動- Pontine reticular formation
• 主要啟動 REM stage 的神經元( effector neurons )主要是在 pontine reticular formation (PRF).
• 在 non-REM stage ,這些神經元處於相對過極化的狀態(此時無法形成去極化作用)。到了 REM stage 要開始前才恢復到可以去極化的狀態。
PGO waves
• PGO waves就是一種尖的 EEG 波,它會從 PRF 傳到 thalamic lateral geniculate nucleus 及 visual occipital cortex ,故稱之。
• PGO waves代表的是 brainstem 在 REM stage 時,活化 forebrain 的一個徵象。
• PGO waves 與快速的眼動有關。
Muscle atonia
• 活化的 peri-locus ceruleus region → lateral tegmentoreticular tract → reticularis magnocellularis nucleus of the medulla → ventrolateral reticulospinal tract → hyperpolarize spinal motoneuron postsynaptic membranes → generalized atonia. –Sleep. 1986.
• 但是 REM stage 的 atonia phase偶爾會有肌肉猛力一抽或痙攣的現象,可能是因為被傳入的刺激突然打斷 REM 的機制的關係。 – Science. 1983.
Circadian rhythm發現 circadian rhythm : 1729
Circadian rhythm是外在還是內在調控?
• Circadian rhythm 是由內在調控的• 證明生理時鐘是內生性的證據:1. 每個週期的長度都是固定的2. 同一物種,在不同的地區,週期仍然一樣,
而且都配合當地時間3. 週期時間的長短可以用基因的改變、藥物
或賀爾蒙等方式改變。
Circadian rhythm體內的控制中心在哪裡?
• 在下視丘前方,兩邊對稱的 suprachiasmatic nucleus (SCN)
• 負責調控在白天及夜晚的環境週期中,個體的醒睡週期、覓食、 皮質類固醇賀爾蒙的分泌及身體其他功能
Circadian rhythm體內的控制中心在哪裡?
• 在體外實驗中也發現,大多數的器官或組織也都有自己的生理時鐘調控機制。
• 而且各器官自己的生理時鐘會去配合上全身的生理時鐘週期。
• 若某器官的生理時鐘無法去配合上全身的生理時鐘週期也會造成疾病。
Circadian rhythm一個週期有多久?
• 接近 24小時• 但是會受環境的刺激而與一天 24小時變
成同步。• 大多數的物種在某一個環境溫度的範圍內,生理時鐘具有相當嚴格的穩定性。
Circadian rhythm受哪些東西影響?
• 最重要的調控因子:光線• 其他因子:1. melatonin 的給予2. 覓食的計畫表3. 運動4. 社交活動5. 周遭溫度的變化
Circadian rhythm從什麼時候開始存在個體之中?
• 從在胎兒時期就可發現生理時鐘存在的現象。
• 出生前,生體代謝的週期就與內生性的 dopamine 及 melatonin 同步。
• 初生後,在 2 到 6天內開始對光線的刺激有反應,而漸漸失去對 dopamin 的反應。
• 初生後幾個星期到幾個月中,就與光線的週期同步。
Circadian rhythm在一生中的變化
• 討論生理時鐘時分為1. Phase :在這個週期中的那個點2. Period :整個週期的長度3. Amplitude :每個 phase 的長度• 在整個生命過程中,這些部分都會改變。
Circadian rhythm在一生中的變化
• 隨著年紀的增長,最明顯的變化是 amplitude 的減少,包括活動,體溫變化,睡醒週期等各 phase 的 amplitude 都減少。
• 老年人的睡眠週期會變的”片段”。晚上睡覺時間會變少,而白天打盹的時間會變多。
• 白天的 phase 會提前,就是越來越早起。
Melatonin(褪黑激素 )
Melatonin 的量在入夜後開始升高,在太陽出來後開始急速減少
Melatonin 的量在青春期的的量最多,之後隨著年齡而慢慢減少
各睡眠週期的生理變化
各睡眠週期的生理變化
人一天需要多久時間的睡眠• 成年人: 7.5~8 小時• 一天睡眠時間超過 9 個小時或少於 4 個小時的人,
因為心血管疾病、中風或癌症而死亡的機會較高。
• 睡眠時間太多,睡眠的品質會變差,躺床時間增加或是 arousal 時間增加,反而更覺得精疲力盡或易怒、焦躁不安 Rip Van Winkle effect.
林口 2002年 RT 的學生睡眠時間• 2/34: 8 hours or above• 0/34: 7.5 hrs• 6/34: 7 hrs• 6/34: 6.5 hrs• 3/34: 6 hrs• 12/34: 5.5 hrs• 2/34: 5 hrs• 3/34: <5 hrs
睡眠的功能在哪裡?• 恢復健康理論:讓身體及大腦有時間恢復好的狀態。
• 能量保存理論:在 NREM stage ,整個身體的代謝速率降低。
• 適應理論:讓身體去適應環境的週期。• 本能理論。• 記憶增強及鞏固原有記憶理論。• 神經元及其突觸從新建構需要的神經網路理論。• 溫度調節功能理論。
睡眠與夢• Aserinsky and Kleitman – discover of REM
sleep in 1953 (science)• 大部分做夢都是發生在 REM stage• REM 的夢:較多情緒的變化,較複雜且較奇異。清醒後大多可以大略描述夢的內容。
• NREM 的夢:叫切合真實狀況及較合理。但是清醒後通常都很混亂甚至不記得,無法描述夢的內容。
夢的重要性• 活化腦部內整個神經網路。 (Hobson and
McCarley in 1977)• 重組、重新建構及重新解釋儲存在記憶中
的資料。 (Koukkou and Lehmann 1980).• 不確定:讓非必要或是無用的資料從腦中消除。 (Crick and Mitchison 1983)
年紀對正常睡眠週期的影響• 出生後,約到 2-6 個月 NREM sleep 的發
展才漸漸完成,剛出生的嬰兒可能直接進入 REM stage ,甚至沒有 NREM sleep 。
• 嬰兒的 NREM-REM cycle 約只有 50-60 分鐘。
• SWS 在小孩子時期最多,之後隨著年紀增長而慢慢減少。且 SWS 的減少與大腦皮質的突觸減少似乎相並行。
年紀對正常睡眠週期的影響• REM sleep 的比例在整的人生中大致不變,
但隨著年紀越大睡眠時間越來越少, REM的時間也變少。 REM 的量似乎與智力功能有關。
• Arousal 會隨著年紀便大而越顯得明顯
年紀對正常睡眠週期的影響
年紀對正常睡眠週期的影響