徐波睡眠

徐波睡眠（SWS ）は、深い睡眠とも呼ばれ、非急速眼球運動睡眠（NREM）の第3段階であり、脳波活動はゆっくりとしたデルタ波によって特徴付けられます。^[2]

徐波睡眠は通常70～90分続き、夜の最初の数時間に起こります。^[3]徐波睡眠は、中程度の筋緊張、眼球運動の遅延または消失、生殖器活動の欠如が特徴です。徐波睡眠は、記憶の固定、陳述記憶、および日常活動からの脳の回復に重要であると考えられています。

2007年以前は、SWSという用語はNREMの第3段階と第4段階の両方を指していました。しかし、両方の段階が第3段階に統合された後、SWSは第3段階のみを指します。^{[4] : 291}

この睡眠期間は、脳波活動が同期しているため徐波睡眠と呼ばれ、0.5～4.5 Hzの周波数範囲と、ピーク間振幅が 75 μV を超える比較的高い振幅パワーを持つ徐波を特徴とします。波の最初のセクションは「ダウン状態」、つまり大脳新皮質のニューロンが沈黙している抑制または過分極相を意味します。これは、大脳新皮質ニューロンが休むことができる期間です。波の 2 番目のセクションは「アップ状態」、つまりニューロンが短時間に高頻度で発火する興奮または脱分極相を意味します。徐波睡眠中の主な特徴は、REM睡眠とは対照的に、中程度の筋緊張、眼球運動の遅延または消失、および生殖器活動の欠如です。^{[4] : 291, 293}

2007年以前、米国睡眠医学会（AASM）は徐波睡眠をステージ3と4に分けました。^{[5] [6] [7]}現在、この2つのステージはステージ3またはN3として統合されています。現在、20％以上の徐波（デルタ）睡眠で構成されるエポック（睡眠の30秒間）は、徐波睡眠であると見なされます。

徐波睡眠は記憶の定着に重要であると考えられている。^[8]これは「睡眠依存性記憶処理」と呼ばれることもある。^[9]原発性不眠症の患者では記憶定着障害が見られ、そのため睡眠後の記憶課題において健康な人ほどの成績は上がらない。^{[10] [11]}さらに、徐波睡眠は宣言的記憶（意味記憶とエピソード記憶を含む）を改善する。長期記憶の保存は海馬と大脳新皮質ネットワークの相互作用によって促進されるという中心的なモデルが仮説として立てられている。^[10]いくつかの研究では、被験者が宣言的記憶課題を学習するための訓練を受けた後、存在するヒト睡眠紡錘波の密度は、同様の視覚刺激と認知的に要求の厳しい課題を伴うが学習を必要としない対照課題中に観察された信号よりも有意に高かった。^{[12] [13]これは、視床と皮質ニューロンからの}細胞内記録を説明する自発的に発生する波動振動と関連している。^[14]

具体的には、SWSは空間陳述記憶において役割を果たしている。SWS中の海馬の再活性化は、空間学習課題の後に検出される。^[15]さらに、SWS中の海馬活動の振幅と、翌日の経路検索などの空間記憶パフォーマンスの改善との間に相関関係が観察される。 ^[16]さらに、研究では、被験者に睡眠中に匂いの手がかりが与えられると、この睡眠段階でのみ文脈的手がかりが睡眠後に再活性化され、それらの統合が促進されることがわかっている。^[15]別の研究では、被験者が以前示された場所の写真に関連する音を聞くと、個々の記憶表現の再活性化は、他の睡眠段階と比較してSWS中に有意に高かったことがわかった。^[17]

感情的表象は、一般的に中立的なものに比べて睡眠中によく記憶される。SWS 中に手がかりとして提示された否定的な顕著性を持つ感情は、中立的な記憶と比較して再活性化がより良好で、したがって強化された定着を示す。前者はSWS よりも睡眠紡錘波によって予測され、睡眠中の記憶プロセスを区別するとともに感情的記憶の定着を促進する。^[17] アセチルコリンは、海馬依存性の記憶定着に不可欠な役割を果たす。SWS 中のコリン作動性活動レベルの上昇は、記憶処理に支障をきたすことが知られている。アセチルコリンは睡眠中に海馬と大脳新皮質の間の情報の流れの方向を調整する神経伝達物質であることを考慮すると、睡眠関連の陳述記憶を定着させるためには、SWS 中にアセチルコリンを抑制することが必要である。^[18]

人間を対象とした睡眠不足研究では、徐波睡眠の主な機能は、脳を日常の活動から回復させることである可能性が示唆されています。脳内のグルコース代謝は、精神活動を必要とする作業の結果として増加します。^[4]徐波睡眠によって影響を受けるもう1つの機能は、成長ホルモンの分泌であり、この段階では常に最大になります。^{[19]また、}交感神経活動の減少と副交感神経活動の増加にも関与していると考えられています。 ^[19]

75マイクロボルト（0.5～2.0Hz）の大きなデルタ波が脳波（EEG）を支配している。ステージN3は、2007年AASMガイドラインでは、睡眠中のEEGの30秒間の任意のエポックで20％のデルタ波が存在することで定義されています。^{[7] [20]}

より長い SWS 期間は、主に最初の 2 つの睡眠サイクル (約 3 時間) の夜の最初の部分で発生します。子供や若者は、高齢者よりも一晩で SWS の総数が多くなります。高齢者は、多くの夜の睡眠中に SWS にまったく入らない場合があります。^{[引用が必要]}

脳波（EEG）で観察されるノンレム睡眠は、いくつかの特徴的な特徴によって区別されます。12 ～14 Hzの振動の振幅の紡錘形変化を特徴とする睡眠紡錘波、少なくとも0.5秒持続し、明確な負の鋭波の後に正の成分が続くK複合体、および低周波（< 2 Hz）と高振幅（> 75 μV）を特徴とする徐波またはデルタ波が重要な指標です。^[21]睡眠紡錘波活動と徐波の存在と分布はノンレム睡眠全体で異なり、その結果、ステージ1～3に細分化されます。徐波と睡眠紡錘波はステージ2と3に存在しますが、ステージ2の睡眠は紡錘波の有病率が高いのが特徴で、ステージ3では徐波がEEGの大部分を占めます。^{[22] [21]}

徐波睡眠は、縫線核のセロトニンニューロンの活性化によって引き起こされると考えられる活動的な現象である。^[23]

皮質脳波に見られる徐波は、大脳皮質内の反復接続を通じて生成され、皮質錐体細胞が正のフィードバックループで互いに興奮します。この反復興奮は抑制によってバランスが取られ、徐波睡眠の遅い振動の活動状態をもたらします。このメカニズムが機能しなくなると、活動が短時間沈黙します。活動期間と沈黙期間の反復は0.5～4Hzの速度で発生し、徐波睡眠中に見られる脳波の徐波を引き起こします。^[24]

徐波睡眠は生存に必要である。イルカや鳥などの一部の動物は、脳の片半球のみで眠ることができ、もう片半球は覚醒したまま通常の機能を果たし、注意力を維持する。この種の睡眠は片半球徐波睡眠と呼ばれ、人間でも部分的に観察できる。実際、ある研究では、人間の被験者の手に振動刺激を与えると、体性感覚皮質が片側活性化すると報告されている。記録は、非レム睡眠の最初の1時間に重要な半球間変化を示し、その結果、睡眠の局所的かつ使用依存的な側面の存在を示している。^[25]別の実験では、右半球の前頭および中央領域でデルタ波の数が多く検出された。^[26]

SWSは、人間の深い睡眠を報告する唯一の睡眠段階であり、哺乳類や鳥類の研究にも使用されていることから、睡眠中の半球非対称性の役割を明らかにする実験にも採用されています。SWS中のデフォルトモードネットワークでは、神経活動における左半球の優位性が観察されます。この非対称性は、睡眠開始潜時と相関しており、これは、いわゆる初夜効果（実験室での最初のセッション中の睡眠の質の低下）の敏感なパラメーターです。^[27]

実験の最初の夜は、その後の夜と比較して、左半球が異常刺激に対してより敏感であることが示されています。この非対称性は、SWS中に脳の半分の睡眠が減少する理由をさらに説明しています。実際、右半球と比較して、左半球はSWS中に警戒的な役割を果たしています。^[27]

さらに、1日目のSWS中は左半球でより速い行動反応が検出されました。急速な覚醒はSWS活動の局所的非対称性と相関しています。これらの知見は、SWSにおける半球非対称性が保護メカニズムとしての役割を果たしていることを示しています。そのため、SWSは危険やなじみのない環境に敏感であり、睡眠中に警戒と反応性を必要とします。^[27]

睡眠と覚醒のパターンには、アセチルコリン、ノルエピネフリン、セロトニン、ヒスタミン、オレキシンなど、いくつかの神経伝達物質が関与している。 ^{[4] : 305–307}徐波睡眠中は大脳新皮質ニューロンが自発的に発火するため、この睡眠期間中に役割を果たしていると思われる。また、これらのニューロンは何らかの内部対話を行っているようで、これが、視床レベルでのシナプス抑制のため外部信号からの情報がないこの状態における精神活動の原因となっている。この睡眠状態における夢の想起率は、睡眠サイクルの他のレベルと比較して比較的高い。これは、精神活動が現実の出来事に近いことを示している。^[14]

徐波睡眠は、一日の終わりに心身のシステムを再構築する、回復のための睡眠の建設的な段階です。生物が起きている間に体内に摂取された物質は、生体組織の複雑なタンパク質に合成されます。成長ホルモンもこの段階で分泌されるため、一部の科学者は、徐波睡眠の機能は筋肉の治癒を促進し、組織の損傷を修復することであると仮定しています。^{[28] [29]}最後に、脳内のグリア細胞は糖で修復され、脳にエネルギーを供給します。^[30]

学習と記憶の形成は、覚醒中に長期増強のプロセスによって起こります。SWS は、このように増強されたシナプスの調節に関連しています。SWS はシナプスのダウンスケーリングに関与していることがわかっており、強く刺激されたシナプスや増強されたシナプスは維持され、弱く増強されたシナプスは減少するか除去されます。^{[31]これは、覚醒中に次の増強のためにシナプスを再調整し、}シナプス可塑性を維持するのに役立つ可能性があります。注目すべきことに、新しい証拠は、再活性化と再スケーリングが睡眠中に同時に発生する可能性があることを示しています。^[32]

夜尿症、夜驚症、夢遊病はすべて睡眠の第 3 段階で起こる一般的な行動です。これらは子供に最も多く見られますが、通常は成長するにつれて治ります。^{[4] : 297–8}発生する可能性のあるもう 1 つの問題は、睡眠関連の摂食障害です。夢遊病の人は、夜中に食べ物を求めてベッドを出て歩き回り、朝にはその出来事の記憶がないまま食事をします。^[4]この障害を持つ人の半数以上が太りすぎになります。^{[4] : 298}睡眠関連の摂食障害は通常、ドーパミン作動薬、または抗てんかん薬であるトピラマートで治療できます。家族全体で夜間に食事をすることは、遺伝がこの障害の潜在的な原因である可能性があることを示唆しています。^[4]

JA Horne (1978) は、人間を対象としたいくつかの実験を検討し、睡眠不足は人間の生理的ストレス反応や身体運動能力には影響を及ぼさないという結論を出しました。しかし、認知機能には影響がありました。一部の人々は、知覚の歪みや幻覚、知的作業への集中力の欠如を報告しました。したがって、睡眠の主な役割は、身体の休息ではなく、脳の休息であると考えられます。

睡眠不足の人間が再び通常の睡眠に戻ったとき、各睡眠段階の回復率は同じではありません。第 1 段階と第 2 段階の回復率はわずか 7 パーセントですが、第 4 段階の徐波睡眠の回復率は 68 パーセント、レム睡眠の回復率は 53 パーセントです。これは、第 4 段階の睡眠 (今日では第 3 段階の睡眠の最も深い部分として知られています) が他の段階よりも重要であることを示しています。

徐波睡眠中は、脳の代謝率と脳血流が大幅に低下します。活動は通常の覚醒レベルの約 75 パーセントに低下します。覚醒時に最も活発な脳の領域は、徐波睡眠中にデルタ波のレベルが最も高くなります。これは、休息が地理的であることを示しています。脳の「シャットダウン」により、深い睡眠中に目覚めた場合の眠気や混乱の原因となります。大脳皮質が通常の機能を再開するには時間がかかるためです。

J. シーゲル (2005) によると、睡眠不足は脳内にフリーラジカルとスーパーオキシドの蓄積をもたらす。フリーラジカルは不対電子を 1 つ持つ酸化剤で、非常に反応性が高い。これらのフリーラジカルは生体分子の電子と相互作用し、細胞にダメージを与える。徐波睡眠では代謝率が低下するため酸素副産物の生成が減り、既存のラジカル種が除去される。これは脳へのダメージを防ぐ手段である。^[33]

多くの研究結果から、睡眠がAβのダイナミクスにどのように影響するかがわかっています。^[34]深いノンレム睡眠中に発生する徐波活動（SWA）の良い候補は、アミロイドβの調節です。研究者らはまた、アミロイドβとSWAの間に強い関係があることを強調し、SWAの中断の増加はアミロイドβのレベルの上昇と相関していると指摘しました。^{[35]したがって、}アミロイドβ （Aβ）が前頭前野に蓄積すると、非急速眼球運動睡眠、つまりNREM睡眠の徐波が中断または減少します。その結果、高齢者の記憶の統合能力が妨げられる可能性があります。^[36]

さらに、アルツハイマー病（AD）の発症は、脳内のアミロイドβ（Aβ）の沈着によって特徴付けられる。^[34] ADは、アミロイドβプラークと神経原線維変化の存在によって特徴付けられる。これらの構造異常は、特に非急速眼球運動（NREM）徐波睡眠（SWS）における睡眠覚醒周期の乱れと関連している。^[37]そのため、アルツハイマー病と診断された人は睡眠障害を経験することが多く、その結果、非急速眼球運動（NREM）睡眠レベルの低下と、NREM睡眠中の主な脳リズムである徐波活動（SWA）の減少が生じる。^[38]同様に、アミロイドβが検出される認知的に健康な人でも、睡眠の質の低下と日中の昼寝の頻度の増加を特徴とする睡眠障害が現れる。^[35]

SWSは個人内ではかなり一貫していますが、個人間で異なる場合があります。^[39]ある程度、個人差は性別や年齢などの人口統計学的要因によって影響されるようです。^[21]年齢と性別は、この睡眠期間に影響を与える2つの最大の要因として注目されています。^[39]

徐波睡眠（SWS）と徐波活動（SWA）は生涯を通じて大きく変化しますが、加齢は個人差を予測する上で特に影響力のある要因となります。^{[21] [40]}加齢は中年期までに始まるSWSの量に反比例するため、SWSは加齢とともに減少します。^[39]さらに、最近の研究結果によると、高齢者は若年者に比べて日中の睡眠傾向が低下しており、この低下は習慣的な睡眠時間の変動を考慮しても持続することが示されています。この加齢に伴う日中の睡眠傾向の低下は中年者に顕著であり、総睡眠時間、徐波睡眠（SWS）、および徐波活動（SWA）の統計的に有意な減少と一致しています。^[21]

性差も見つかっており、少なくとも閉経までは、女性は男性に比べてSWSのレベルが高い傾向がある。^[39]高齢者は非急速眼球運動睡眠（NREM睡眠）において性別による変動が見られ、女性は通常睡眠と回復睡眠の両方で徐波睡眠（SWS）が増加し、NREM睡眠と見なされるステージ3と4の発生率も高い。^[21] 人種間の違いを示した研究もある。結果によると、アフリカ系アメリカ人は白人に比べてSWSの割合が低いことが示されたが、影響する要因（例：体格指数、睡眠障害性呼吸、肥満、糖尿病、高血圧）が多数あるため、この潜在的な違いについてはさらに調査する必要がある。^[39]

精神疾患はSWSの質と量の個人差に影響を与えます。うつ病患者は健康な被験者と比較して、徐波活動（SWA）の振幅が低くなります。性差もうつ病患者グループに存在し、うつ病の男性はSWA振幅が著しく低くなります。この性差は健康な被験者で観察されるものの2倍の大きさです。しかし、うつ病グループではSWSに関して年齢による差は観察されませんでした。^[41]

睡眠中、徐波活動（SWA）の分布は、典型的には脳の前頭葉に多く見られます。 ^[42]睡眠不足を経験した後の回復睡眠では、側頭葉、頭頂葉、後頭葉と比較して、前頭葉皮質が徐波活動（SWA）の最も顕著な上昇を示します。^{[21] [42]}前頭葉での睡眠不足後のSWAの顕著な増加と、ベースライン睡眠中も前頭葉にSWAが優勢に存在することは、典型的には前頭葉皮質に関連する機能に徐波睡眠（SWS）が関与していることを裏付ける証拠と解釈されています。したがって、前頭葉、特に高度な認知機能に関連する部分や覚醒中に非常に活発な認知領域に徐波睡眠（SWS）が多く見られることは、SWSのかなりの重要性を強調しています。^[21]

徐波睡眠の誘発に関与する脳領域には以下のものがあります。

• 延髄内にある傍顔面領域（GABA作動性ニューロン）^{[43] [44] [45]}
• 側坐核核（GABA作動性中型有棘ニューロン、具体的には、D2型ドーパミン受容体とアデノシンA _2A受容体の両方を発現するこれらのニューロンのサブセット）^{[46] [47] [48]は}線条体内に位置している。
• 視床下部に位置する腹外側視索前野（GABA作動性ニューロン）^{[44] [45] [49]}
• 視床下部外側部（メラニン凝集ホルモン放出ニューロン）^{[44] [45] [50] [51]}視床下部内に位置する

いくつかの薬は深い睡眠を侵害したり、それを長引かせたりすることで睡眠構造に影響を与えます。^[52]人間の深い睡眠を増やすことが知られている多くの薬は、GABA作動性、ドーパミン作動性、抗セロトニン作動性のクラスです。^[53]

ガンマヒドロキシ酪酸（GHB）は、中枢神経系（CNS）でガンマアミノ酪酸（GABA）から合成されます。^[52] GHBの経口投与は、レム睡眠を抑制せずにSWSを増強することが示されています。^{[54] [55] [56]}米国では、GHBはXyremというブランド名で処方薬となっています。ナルコレプシー患者の脱力発作と日中の過度の眠気を軽減することが示されています。

GABA作動薬ガバキサドールの投与は_深い睡眠を促進すると同時に、不眠症のさまざまな指標に良い影響を与える。^[52]

選択的γ-アミノ酪酸（GABA）再取り込み阻害剤であるチアガビンは、健康な高齢者および原発性不眠症の成人患者において睡眠維持を改善し、SWSを有意に増加させることが実証されている。^{[57] [58]}

レボドパはパーキンソン病の治療によく使われる薬で、脳内のドーパミンの利用度を高める働きがあります。夜間にレボドパを単回投与すると、高齢者のSWSが10.6%増加すると示されています。^[59]

特定のセロトニン受容体（ 5-HT _2Aおよび5-HT _2C ）の拮抗薬もSWS睡眠を増強することが実証されているが、全体的な睡眠時間や不眠症に伴う症状の改善を一貫してもたらすわけではない。^[52] 非定型抗うつ薬であるトラゾドンはSWSの持続時間を延長する。この効果には、トラゾドンの5-HT _2A受容体に対する拮抗作用が寄与しているのではないかと疑われている。^{[60] 5-HT} _2Aおよび5-HT _2C受容体に拮抗するさまざまな薬剤が、ヒトにおいてSWS増強効果を示す。^{[61] [62]}