흰쥐의 수면 및 뇌파에 대한 카페인의 효과 = Effect of Caffeine on Sleep and EEG Spectra in Rats

국문 초록 (Abstract)

카페인은 기저전뇌의 아데노신의 아데노신 수용체의 작용을 차단함으로써 각성을 유발하고 피질에서 서파 활동의 감소를 야기한다. 또한 카페인은 용량-의존적인 각성상태의 증가를 초래한다. 따라서 카페인의 각성 효과는 아데노신의 뇌 조직 내 농도가 증가하여 수면 압력이 상승되어 있고 각성 중추의 활동이 감소된 상태의 각성인 반면, 정상 각성 상태는 아데노신의 농도가 낮아 수면 압력이 없이 각성 중추의 활동이 증가된 상태의 각성으로 생각된다. 이 연구는 이러한 각성의 서로 다른 상태가 피질 영역별 활동의 차이로 나타날 수 있는지 보기 위하여 뇌파의 스펙트럼 분석 방법을 이용하여 활동의 정량화를 시도하였다. 더 나아가 수면박탈로 수면 압력이 증가된 상태에서의 각성과 비교하여 카페인과 아데노신의 상호작용을 고찰하였다.
Sprague-Dawley 수컷 쥐 8마리를 마취하에 뇌파 및 근전도 전극을 전두엽, 두정엽, 그리고 목근육에 각각 설치하고, 수술에서 회복된 후 뇌파/근전도 기록을 시작하였다. 기록은 10：30부터 시작하여 17：30까지 수행되었으며 13：30경에 카페인 7.5, 15, 또는 30㎎/㎏을 복강내 주사한 후, 각각의 수면-각성 단계와 그 기간 및 변화 방향을 계산하였다.
수면에 대한 카페인의 주된 효과는 활동각성의 증가와 수면의 감소로 나타났으며, 이 효과는 카페인 용량에 의존적이었다. 활동각성 기간의 증가는 그 단계의 유지기간의 증가로 야기되었고 서파수면의 감소는 서파수면 상태로 변화되는 빈도의 감소에 주로 야기되었다. 활동각성 단계에서 정적각성, 서파수면 단계로 변화가 감소되었고 그 반대로 변화는 증가되었다. 한편 수면박탈은 서파수면의 반동 증가를 초래하지 못했고 활동각성의 유의한 감소를 초래하지 못했다. 그러나 역설수면 기간의 유의한 감소를 초래하였다. 뇌파 스펙트럼 프로파일에서 수면박탈이 델타의 상대적 증가를 초래한 것을 제외하고는 수면박탈과 카페인 투여 모두 알파의 상대적 감소 및 감마의 증가를 초래하였다. 실제 진폭은 전두피질에서 25㎐ 이하 대역에서 감소와 이상 대역에서 증가, 두정피질에서 35㎐ 이하 대역에서 감소와 이상 대역에서 증가를 야기하였다. 주파수 대역별로 델타, 쎄타, 알파의 감소가 있었고 감마의 증가가 있었다. 감마의 증가는 전두피질에서 더 현저하게 나타났다.
결론적으로, 카페인에 의한 각성의 촉진은 수면-각성 상태의 천이를 한 방향으로 가속화함으로써 발생되며 그 방향은 수면박탈에 의한 방향과 반대이다. 따라서 수면박탈에서는 아데노신이 축적되어 수면 압력을 증가시키고, 수면 압력의 증가는 아데노신 수용체 길항제에 의해 차단될 수 있다. 델타 대역의 감소는 본 연구에서 사용한 최소 용량 투여 후 포화되어 최대 효능을 보인다. 이것은 뇌파의 주파수별 파워의 측정이 수면기간이나 각성기간과 같은 행동적 지표보다 더 민감한 방법임을 시사한다. 앞으로 사람에서 사용되는 정도의 카페인 투여에 의한 동물에서 효과를 검증해 보는 것이 생리학적 효과에 대한 이해를 도울 수 있을 것이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Caffeine induces arousal and reduces slow-wave activity of the cortex by blocking adenosine action on the adenosine receptor. Caffeine induces dose-dependent arousal. Therefore, caffeine-induced arousal may be a different state from an arousal in waking subjects. So we compared EEG spectra between of a state produced by intraperiotoneal caffeine injection and of a state produced by 3-hour sleep deprivation.
A total of 8 Sprague-Dawley male rats underwent EEG/EMG recording session from 10：30 to 17：30. They received intraperitoneal caffeine injection(7.5, 15, and 30mg/kg) at 13：30 and some cases received sleep deprivation from 10：30 to 13：30.
Caffeine dose-dependently reduced the duration of slow-wave sleep and increased the duration of waking state. The increase of waking state resulted from the increase of maintanence of the state while the reduction of sleep state resulted from the decrease of transition from waking to sleep. Sleep deprivation did not show rebound increase of sleep but it decreased the period of paradoxical sleep. In spectral profile, sleep deprivation increased relative proportion of delta activity and both caffeine and sleep deprivation decreased relative proportion of power in alpha band and increased in gamma band. Caffeine decreased the absolute power of delta and alpha bands and increased absolute power of gamma band which was more prominent in the frontal cortex.
In conclusion, caffeine promoted waking state by acceleration of transition to waking state from other states which was reverse in sleep deprivation. Therefore, adenosine may accumulate during sleep deprivation and mediate sleep pressure and caffeine may block its action on the adenosine receptor. The comparison of the spectral profiles indicates that caffeine-induced waking state may differ from normal awake state and from awake state after sleep deprivation.

목차 (Table of Contents)

• 서론
• 재료 및 방법
• 결과
• 고찰
• 요약
• 참고문헌

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