수면의 신비를 밝히는 데 도움을 주는 하버드 연구원

Dragana Rogulja는 초파리와 생쥐를 사용하여 수면의 흥미로운 측면을 더 깊이 탐구하고 수면의 필요성을 탐구하고 잠자는 뇌를 외부 세계와 분리하는 연구원입니다. 그녀의 연구는 인간에게 잠재적인 파급 효과가 있는 뇌와 장 사이의 중요한 연결 고리를 밝혀냈습니다. 그녀의 연구 결과를 인간에게 적용하면 수면의 질을 개선하고 수면 부족의 부정적인 영향을 완화하는 혁신적인 접근 방식의 길을 열 수 있습니다.

새로운 수면 연구는 뇌와 내장 사이의 놀라운 연결을 밝혀냈습니다.

수면은 인간 활동에서 가장 중요합니다. 단 하룻밤이라도 잠이 부족해도 인지 기능, 반응성 및 전반적인 일상 활동을 방해할 수 있습니다. 건강과 생존에 중요한 역할을 하지만 수면에 대한 과학적 이해는 여전히 불완전합니다.

수면의 기본 생물학을 밝히기 위해 노력하는 신경과학자 Dragana Rogulja를 만나보세요.

자칭 과학의 후발주자인 Rogolja는 “기본적인 인간 수준에서 광범위하게 흥미롭고 이해하기 쉬운” 질문에 끌리는 자신을 발견합니다.

이러한 질문 중 하나는… 우리가 잘 때 무슨 일이 일어날까요?

하버드 의과대학 블라바트니크 연구소의 신경생물학 부교수 Rogolga에게 수면의 한 가지 흥미로운 측면은 외부 세계가 사라지고 내부 세계가 점령함에 따라 의식 상실과 의식 상실입니다.

Harvard Medicine News와의 대화에서 Rogolja는 초파리와 생쥐를 사용하여 수면이 필요한 이유와 잠자는 동안 세상과의 연결을 끊는 방법을 탐구하는 수면 연구에 대해 자세히 설명했습니다.

Harvard Medicine News: 수면과 관련하여 무엇을 연구하십니까?

Rogolja: 지난 몇 년 동안 저희 연구실에서 추구해 온 두 가지 주요 질문이 있습니다. 첫 번째는 수면이 생존에 중요한 이유입니다. 잠을 자지 않으면 말 그대로 얼마 지나지 않아 죽는 이유는 무엇입니까? 다른 질문은 잠이 들었을 때 뇌가 환경과 어떻게 분리되는지입니다.

잠자는 동안 자극이 뇌에 도달하는 것을 어떻게 방지합니까? 감각 각성의 역치를 높이는 것은 수면에 필수적이며, 우리는 이 장벽이 뇌 주변에 어떻게 구축되는지 이해하고자 합니다. 수면은 하나의 통합된 상태이지만 별도의 메커니즘을 통해 조절되는 여러 구성 요소가 있는 것으로 보입니다. 우리는 그 메커니즘을 이해하고 싶습니다.

HMNews: 당신의 연구는 수면에 대한 당신의 생각을 어떻게 바꾸었나요?

Rogolga: 오랫동안 과학자들은 수면이 뇌, 뇌, 뇌라는 원칙에 따라 인도되었습니다. 그 결과 수면이 생존에 필요한 이유를 찾는 측면에서 뇌에 대한 연구가 크게 집중되었습니다. 그러나 이제 우리는 수면이 뇌를 위한 것일 수 있지만 뇌만을 위한 것이 아니라는 것을 알고 있습니다. 잠은 최초의 동물에게서 유래했다고 생각되는 아주 오래된 행동입니다. 이 동물들은 뇌가 없었습니다. 그들은 아주 단순한 신경계를 가지고 있었습니다.

그런 다음 동물이 더욱 정교해짐에 따라 뇌와 관련된 수면 대상도 정교해졌습니다. 그러나 연구자들은 죽음의 원인을 찾기 위해 잠이 부족한 동물의 뇌를 조사했지만 아무 것도 발견하지 못했습니다. 한편, 임상 데이터에 따르면 인간의 수면 부족은 신체의 모든 질병을 유발합니다. 우리에게 이것은 수면이 단순한 뇌 이상에 관한 것임을 시사합니다.

우리의 연구에 따르면 잠을 잘 때 몸과 뇌를 따로 생각하는 것을 멈춰야 합니다. 나는 여전히 신경과학자들이 뇌가 신체보다 우월하고 계층 구조의 최상위에 있다고 생각하는 경향이 있다는 사실에 놀랐습니다. 신경과학의 가장 큰 수수께끼를 풀기 위해서는 보다 통합된 접근 방식을 취해야 합니다. 이것이 제 연구실이 수면을 위해 하려는 것입니다.

우리는 수면을 이해하기 위해 몸 전체를 생각할 필요가 있음을 발견했습니다. 그리고 그것은 의미가 있습니다. 잠을 자면 근육이 이완되고 혈액 순환이 바뀝니다. 물론 그것은 전신에 관한 것입니다.

HMNews: 수면을 연구하기 위해 어떤 도구를 사용합니까?

Rogulja: 역사적으로 인간을 대상으로 많은 수면 연구가 이루어졌지만 이러한 실험은 실제로 인간 실험을 할 수 없기 때문에 제한적이고 설명적인 경향이 있습니다. 그러나 지난 25년 동안 과학자들은 초파리가 잠을 잔다는 사실을 깨달았습니다. 그리고 최근에 우리는 파리의 수면을 조절하는 유전자가 생쥐에서 보존된다는 사실을 발견했습니다.

제가 연구실을 시작했을 때, 우리는 수면을 연구하기 위한 모델 시스템으로 초파리만을 사용했지만, 그 이후로 마우스 모델도 만들 수 있었습니다. 초파리는 우리가 많은 가설을 신속하게 테스트할 수 있게 해주며 편향되지 않은 대규모 유전 분석을 수행할 수 있게 해줍니다. 그런 다음 인간과 매우 유사한 생쥐 파리에서 우리가 발견한 것을 테스트할 수 있습니다.

HMNews: 당신의 2020년에 셀 논문에서 당신은 수면이 생존에 왜 그렇게 중요한지에 대한 질문을 다루었습니다. 대답은 무엇입니까?

우리는 잠을 적게 자는 초파리의 수명이 더 짧다는 것을 발견했습니다. 우리는 초파리가 잠을 더 많이 자면 빠를수록 더 빨리 죽는 상관 관계를 확인했습니다. 흥미롭게도 수면 부족의 패턴은 중요하지 않았습니다. 중요한 것은 잃어버린 수면의 양입니다. 수면 부족이 죽음과 연결되는 변곡점이 있는 것 같습니다. 일반적인 마모와 달리 신체에 특정한 일이 진행되고 있을 수 있음을 알려줍니다.

이를 더 자세히 조사하기 위해 우리는 세포 손상 마커에 대해 수면 부족 파리의 여러 기관을 염색했습니다. 우리는 내장에서 산화 환원 분자가 증가하고 산화 환원 피크가 파리가 죽기 시작한 변곡점과 관련이 있다는 것을 발견했습니다. 우리는 수면이 부족한 쥐에서 이 발견을 확인했습니다. 그러나 수면이 부족한 초파리에게 항산화제를 투여하거나 장에서 항산화제를 생성하는 유전자를 작동시켰을 때, 우리는 초파리가 수면이 거의 또는 전혀 없어도 생존할 수 있음을 발견했습니다.

HMNews: 인간을 위한 잠재적인 응용 프로그램이 있습니까?

우리의 연구 결과는 장내 산화 스트레스를 예방할 수 있다면 수면 부족의 영향을 상쇄할 수 있음을 시사합니다. 매우 많은 질병이 장 기능 장애와 관련이 있고 충분한 수면을 취하지 않을 때 발생하는 많은 질병이 실제로 장 손상의 결과일 수 있기 때문에 이것은 중요합니다. 우리는 이제 인간의 수면 부족으로 인한 장 산화 스트레스를 진단하는 방법을 고려하기 시작했습니다. 우리는 ‘삼킬 수 있는 정제’를 설계하고자 합니다. 예를 들어 대변의 색을 변경하여 소화관의 산화환원 상태를 삼키고 보고할 수 있는 정제입니다.

우리는 또한 바이오마커를 찾고 있습니다. 수면 부족과 장 산화를 나타내는 체내 순환 분자입니다. 내 연구실에는 그러한 바이오마커를 찾기 위해 잠이 부족한 쥐를 특성화하는 임상의가 있습니다. 우리는 이미 항산화제의 유망한 마커인 일부 분자를 가지고 있으며 항산화 요법으로 감소하는 것으로 보입니다. 궁극적으로 수면 부족으로 인한 장 산화를 역전시키기 위해 경구 영양 보충제를 설계하는 것이 가능할 수 있습니다.

HMNews: 당신은 최근에 새로운 연구 논문을 발표했습니다. 셀 수면 중에 뇌가 환경과 어떻게 분리되는지 탐구합니다. 자세히 알려주세요.

지금까지 우리는 이것에 대해 거의 알지 못했습니다. 수면 중에 모든 감각 정보가 감쇠되는 뇌의 한 곳이 있는지, 아니면 그러한 곳이 많은지는 분명하지 않았습니다. 예를 들어, 수면 중에 촉감과 온도가 같은 방식으로 처리됩니까? 제 연구실의 박사후 연구원인 Iris Titos는 초파리에 약, 중간 또는 높은 수준의 진동을 전달할 수 있는 시스템을 구축했습니다.

일반적으로 저강도 진동을 사용하면 파리가 거의 일어나지 않고 고강도 진동을 사용하면 거의 모든 파리가 반응합니다. 다음으로 우리는 파리가 얼마나 쉽게 깨어나는지를 제어하는 ​​유전자, 즉 파리를 쉽게 깨우는 유전자와 기본적으로 지진 동안 파리를 잠들게 하는 유전자를 확인하기 위해 대규모 화면을 만들었습니다.

HMNews: 유전자 스크린은 무엇을 보여주었습니까?

화면 결과는 매우 흥미로웠습니다. 우리는 CCHa1이라는 분자를 코딩하는 유전자를 확인했습니다. 파리에서 CCHa1을 고갈시켰을 때, 그들은 매우 쉽게 깨어났습니다. 따라서 20%가 특정 수준의 진동에서 깨어나는 대신 90%가 깨어났습니다.

그러나 CCHa1은 신경계와 장 모두에 존재하지만 장에서 CCHa1이 고갈되었을 때만 파리가 더 쉽게 깨어났습니다. CCHa1을 생성하는 장내 세포를 장내분비 세포라고 하며 실제로 뉴런과 많은 특성을 공유하고 뉴런과 연결하고 통신할 수도 있습니다. 이 세포들은 장의 안쪽을 향하고 있으며 장의 내용물을 일종의 “맛”합니다.

식단에서 단백질 농도가 높을수록 더 많은 CCHa1 장 세포가 생성된다는 것을 발견했습니다. 그런 다음 이 분자는 장에서 뇌로 이동하여 진동에 대한 정보를 받는 도파민 뉴런의 작은 그룹에 신호를 보냅니다.

이 뉴런은 일반적으로 각성을 강화하는 도파민을 생성하지만 이 경우에는 각성을 억제합니다. 진동은 도파민 신경세포의 활동을 약화시켜 파리가 더 쉽게 깨어나게 합니다. 장에서 생성된 CCHa1은 본질적으로 도파민 신경세포를 진동으로부터 보호하여 초파리가 환경에 대해 더 무지하고 더 깊이 잠들 수 있도록 합니다.

우리는 또한 기계적 감각 정보를 전송하는 데 중요한 CCHa1 경로가 열에 노출되었을 때 파리가 얼마나 쉽게 깨어나는지에 영향을 미치지 않는다는 것을 발견했습니다. 이는 진동 및 온도와 같은 다양한 감각 양식이 개별적일 수 있음을 시사합니다. 마지막으로, 우리는 고단백 식단이 생쥐의 수면의 질을 향상시켜 기계적 교란에 더 저항력이 있음을 보여주었습니다. 우리는 이제 유사한 신호 전달 경로가 생쥐에 관련되어 있는지 여부를 테스트하고 있습니다.

HMNews: 이 결과는 무엇을 말합니까?

우리는 다른 연구를 통해 동물이 굶주릴 때 먹이를 찾기 위해 잠을 억제한다는 사실을 알고 있습니다. 반대로 포만감이 있을 때, 특히 단백질로 포만감을 느낄 때 더 많이 자는 경향이 있습니다. 이제 우리는 식단에 더 많은 단백질이 있을 때 동물도 더 깊이 잠을 자고 반응이 덜해진다는 것을 보여주었습니다. 이것은 동물이 먹이를 찾을 필요가 없다면 환경과 분리되어 더 안전할 수 있는 어딘가에 숨을 수 있음을 시사합니다. 보다 광범위하게, 우리 연구는 식이 선택이 수면의 질에 영향을 미친다고 제안합니다. 우리는 이제 수면을 개선하기 위해 식단을 조작할 수 있는 방법을 이해하기 위해 인간의 이 링크를 탐색할 수 있습니다.

HMNews: 수면에 대해 사람들이 자주 오해하는 부분이 있나요?

Rogolja: 사람들이 깨달아야 할 한 가지는 우리가 느끼는 것과 우리 몸에서 일어나는 일이 같을 필요는 없다는 것입니다. 우리의 연구에서 우리는 졸음과 수면의 필요성을 분리하는 것이 가능하다는 것을 발견했습니다. 수면이 부족한 일부 동물은 반드시 졸음을 느끼지는 않습니다. 나중에 잠을 잡으려고. 박탈은 멈췄지만 이 동물들은 수면 부족으로 죽었습니다.

이것은 우리가 졸리지 않도록 스스로를 속일 수 있더라도 수면 부족은 여전히 ​​우리 몸에 부정적인 영향을 미칠 수 있음을 의미합니다. 예를 들어 깨어있는 느낌을 주는 물질을 섭취하면 장에서도 동일한 양의 산화가 발생합니다. .

사람들은 밤에 몇 시간만 자도 괜찮다고 말할 수 있지만, 하루를 버틸 수 있다는 의미일 뿐입니다. 그들의 몸은 여전히 ​​수면 부족을 기록합니다. 우리는 수면 부족의 결과로 우리 몸에서 무슨 일이 일어나고 있는지 알 수 없으며 아마도 우리가 생각하는 것보다 더 많은 수면이 필요할 것입니다.

참조: “Peptide Secreted in the Gut Prevents Excitation from Sleep” Iris Titus, Aline Yoginovich, Alexandra Vaccaro, Keshi Nambara, Pavel Gorelik, Ofer Mazur, Dragana Rogolja, 2023년 3월 22일, 여기에서 확인 가능. 셀.
DOI: 10.1016/j.cell.2023.02.022

참조: Alexandra Vaccaro, Yusuf Kaplan-Durr, Keshi Nambara 및 Elizabeth A.의 “수면 부족은 장내 반응성 산소 종의 축적을 통해 사망을 유발할 수 있습니다.” 폴리나, 신디 레인, 마이클 E. 셀.
DOI: 10.1016/j.cell.2020.04.049

2023 Cell 논문의 추가 저자로는 HMS의 Alen Juginović, Alexandra Vaccaro, Keishi Nambara, Pavel Gorelik 및 Ofer Mazor가 있습니다.

이 연구는 New York Stem Cell Foundation의 지원을 받았습니다. 국립 보건원생물 의학 분야의 Pew Scholars 프로그램.