종 설 J Kor Sleep Soc / Volume 6 / Dec, 2009 일주기 리듬을 어떻게 측정할 것인가? 정석훈 울산대학교 의과대학 서울아산병원 정신과학교실 How to measure the circadian rhythm in human being? Seockhoon Chung, M.D., Ph.D. Department of Psychiatry, University of Ulsan College of Medicine, Asan Medical Center Human behaviors are affected by light-dark cycle. The suprachiasmatic nucleus (SCN) in the anterior hypothalamus generates endogenous 24-hour rhythm, which is mentioned as circadian rhythm. Circadian rhythm in human being can be assessed by measuring the circadian rhythmic profile in serum level of melatonin or cortisol, or core body temperature. In addition, rating scales such as Morningness-Eveningness Questionnaire (MEQ) or Composite Scale also are useful to assess the sleep/wake cycle or circadian patterns of human. Actigraphy, a portable device that records movement, can be used to measure the sleep/wake cycle or circadian patterns objectively over extended periods of time. In this review, the methods to measure the circadian rhythm are focused on. Key Words : Circadian rhythms, Sleep-wake cycle, Chronobiology 서 론 인간은 시간의 지배를 받는다. 인간의 행동 범위와 양상, 생활패턴, 체내에서 일어나는 여러 가지 변화 등은 빛과 시 간의 흐름에 의해 맞춰지고 조정된다. 소화성 궤양은 왜 하 필이면 새벽에 가장 흔한가? 식곤증은 왜 하필이면 점심 식사 후에 가장 심한가? 출산율은 왜 새벽에 더 높은가? 이러한 의문들을 해결하기 위해서는 인간이 어떠한 방식으 로 시간의 지배를 받는지를 알아야 하며, 이를 위해서는 시 간생체학(chronobiology)의 이론적 뒷받침이 필요하다. 시간생체학은 개체 내에서 일어나는 여러 변화들 중에서 시 간에 따른 변동성을 갖는 현상들을 다루는 학문이다 1. 하루를 주기로 변동하는 리듬을 일주기리듬(circadian rhythm)이라 * Address of correspondence Seockhoon Chung, M.D., Ph.D. Department of Psychiatry, University of Ulsan College of Medicine, Asan Medical Center Tel: +82-2-3010-3411 Fax: +82-2-485-8381 E-mail: schung@amc.seoul.kr 칭하는데, 우리 몸에서 관찰되는 많은 현상들이 일주기리 듬을 갖는다. 특히, 수면-각성 주기나 체온의 변화 등과 같 이 주간-야간 및 빛-어둠에 의하여 영향을 받는 현상들은 주로 일주기리듬의 특성을 보인다. 일주기리듬 이외에도 하루 중에 여러 번 변동하는 주기를 갖거나, 오히려 몇 달 에 걸쳐 변동하는 주기를 갖는 경우도 있다. 식사 시간의 주기나 뇌파 변화의 주기와 같이 24시간보다 짧은 주기를 갖는 경우를 ultradian rhythm이라 하며, 생리 주기와 같 이 24시간보다 긴 경우는 infradian rhythm이라 칭한다. 인간을 포함한 포유류의 경우, 일주기리듬을 조정하는 시계역할을 하는 부위는 시상하부의 상시각교차핵(suprachiasmatic nucleus, SCN)으로 알려져 있는데 2,3,이 SCN 이 개체가 잠을 자고 일어나는 것, 혈압 및 체온의 일중 변 화, 호르몬 분비, 생활패턴 등을 조절하는 중추 역할을 담 당한다. 다만 인간의 일주기리듬은 24시간보다는 약간 더 긴 24.2시간 4 ~ 24.9시간 5 에 맞춰져 있기 때문에, 24시간의 하루 주기에 생체 리듬을 맞추기 위해서는 외부자극의 도움 을 받아 재조정(circadian entrainment) 및 동기화(syn- Vol.6, No.2 / Dec, 2009 63
정석훈 chronization) 하는 과정이 필요하다. 활동시간, 외부 온도, 시계, 식사 시간 등과 같이 재조정 및 동기화 과정을 도와 주는 외부자극을 zeitgeber라고 부르며, 그 중 가장 효과적 이고 중요한 zeitgeber는 빛으로 알려져 있다 6. 빛은 눈을 통해서 뇌의 SCN을 자극하고, SCN은 이 자극을 받아 생체 내의 리듬을 조절한다. 그렇다면, 인간의 일주기 리듬을 객관적으로 평가할 수 있을까? 있다면, 어떻게 평가할 것인가? 이론적으로는 우 리 체내에서 일어나는 일주기 리듬을 갖는 모든 변화들은 일중 변동 양상을 측정할 수 있고, 이를 바탕으로 체내의 일주기리듬을 평가할 수 있다. 그러나 임상적으로 적용할 수 있는 평가 방법은 멜라토닌 및 코티솔 농도를 측정하거 나, 체온의 변화를 평가하거나, 평가용 설문지를 이용하는 방법, 또는 활동기록계(actigraphy)를 이용하는 방법 등이 대표적이다. 이번 종설에서는 개체의 일주기 리듬을 평가 하는 방법에 대하여 고찰하고자 한다. 본 론 Dim light melatonin onset (DLMO) 멜라토닌은 주로 송과체에서 생산되는 지용성 호르몬으 로, 개체의 생체 주기를 조절하고, 항산화 작용 및 면역기 능에도 관여하는 것으로 알려져 있다 7. 멜라토닌은 낮 동안 에는 억제되어 있다가 밤이 되면서 점차로 그 농도가 상승 하는데(Figure 1) 8, 빛이 개체의 눈으로 들어와 망막시상하 부로(retinohypothalamic tract)을 통하여 상시각교차핵을 자극하면 멜라토닌이 억제된다. 통상적으로 3000-100,000 lux 정도의 빛에 의하여 억제된다고 알려져 있으나, 100 lux 정 도의 실내등 정도의 조도에서도 억제가 가능하다는 보고도 있다 9. 최근 연구에서는 가시광선 중에서도 446-477 nm 정도의 파장을 가진 푸른 빛이 가장 효과적이라는 결과도 있다 10. 멜라토닌은 타액이나 혈액, 소변 등에서 검출해 낼 수 있 다 11. 소변에서 측정하는 방법은, 2시간 간격으로 모은 소변에 서 멜라토닌의 대사물질인 6-sulphatoxymelatonin (amt6s) 의 농도를 측정하는 것이다. 도뇨관이 삽입되어 있는 경우 Figure 1. Human circadian rhythms of the plasma melatonin level (A), core body temperature (B), and plasma cortisol level (C). Dim light melatonin onset (DLMO) is indicated in (A) (from Hofstra et al 38.) 라면 밤 동안 환자의 수면을 저해하지 않으면서도 시료를 모을 수 있다는 장점이 있기 때문에, 거동이 불편한 환자에 게 유용한 방법이다. 그러나 좀 더 정확한 멜라토닌 주기를 파악하기 위해서는 실시간으로 평가가 가능한 혈액이나 타 액을 이용하는 방법이 더 적절하다. 혈액을 이용하는 경우 에는, 정맥관을 삽입해 두고 정맥관을 통하여 혈액을 자주 채취하여 혈중 멜라토닌 농도를 측정하는 방법을 사용한 다. 가장 정확하지만, 침습성 도구를 사용해야 하기 때문에 환자에게 불편감을 줄 수 있다. 통상적으로 혈액에서 측정 되는 멜라토닌의 농도는 타액에서 측정되는 농도의 약 3배 정도가 되기 때문에 12, 타액 농도를 측정하여 혈중 농도를 64 수면
일주기 리듬을 어떻게 측정할 것인가? 추정하는 방법이 널리 사용된다. 타액을 이용하는 것은 덜 침습적이라는 점에서 매우 유용하다. 다만 환자의 잠을 방 해한다는 면에서 역시 제한점이 있다. 이상적으로는 24시간 동안 멜라토닌 농도를 측정하는 것 이 개체의 생체주기를 파악하는데 가장 유효하겠으나, 치 료적 측면에서는 반드시 24시간 동안 멜라토닌 농도를 측 정할 필요는 없다. 그 이유는 멜라토닌의 상승시점만 찾아 내도 수면위상의 변화를 유도할 수 있기 때문이다 13. 따라 서 24시간 내내 멜라토닌 농도를 측정하기보다는 멜라토닌 이 상승하기 전 1-2시간 전부터 멜라토닌 농도를 측정하여 멜라토닌 농도 상승시점을 찾아내는 방법이 최근에는 더 선호된다. 멜라토닌 농도의 상승 시점을 관찰할 때에는 빛의 영향을 최소화하기 위하여 dim light (< 50 lux) 상태에서 평가하기 때문에, 이를 dim light melatonin onset (DLMO) 이라 칭한다 14. DLMO를 평가하기 위한 방법은 Table 1에 제시되어 있다. 일반적으로 DLMO는 잠 들기 2-3시간 전 에 관찰된다. 즉, 수면 위상이 다소 전진된 개체의 경우에 는 오후 6시에서 8시 사이에 관찰되고, 수면 위상이 지연된 개체의 경우에는 오후 10시 이후에 관찰된다 13. DLMO의 시점은 멜라토닌의 농도가 혈액에서는 2-10 pg/ml, 타액 에서는 2-3 pg/ml 정도로 측정되는 시점으로 정의하거나, 기저치에 멜라토닌 농도를 3회 측정하여 평균의 2SD 값을 구하고 멜라토닌의 농도가 그 수치를 초과하는 시점으로 Table 1. Procedures for Dim Light Melatonin Onset (DLMO) measurements in saliva (From Pandi-Perumal et al 14.) 1. During the saliva collection period consumption of bananas, alcoholic beverages, or coffee are prohibited. 2. During the time of collection the subject must remain in dim light (10 lx) from 1 h prior to scheduled saliva collection. Curtains in the room must remain closed. Watching TV is permitted. 3. Fifteen minutes before every collection of saliva the subject must rinse his mouth with water. 4. Eating is permitted after saliva collection (except for the food described at 1 ). 5. Subjects must not brush their teeth during the saliva collection period. 6. Nighttime saliva collection must only be done under dim light conditions. 7. Physical activities during the collection period are to be avoided as much as possible. 정의할 수 있다 11. DLMO 평가의 장점은 외부 자극 효과가 적은 상태에서 체내의 농도를 측정하기 때문에, 체내의 일주기 리듬을 잘 반영한다는 것이다. 그러나 운동, 수면, 약물복용 등에 의 하여 영향을 받을 수도 있으므로 이를 고려해야 한다 15. 심부체온(core body temperature) 개체의 심부체온은 체내의 열 생성과 열 손실의 상호작 용에 의하여 결정된다. 통상적으로 밤이 되면 혈관의 확장 이 일어나면서 열 손실이 증가하게 되어 심부체온은 떨어 지고, 아침에는 열 생성이 시작되면서 심부체온이 상승하 게 된다 16,17. 수면과 체온에 관한 초기 연구들에서, 입면 시 각과 수면 시간이 체온과 연관이 있다는 보고들이 있었으 며 18, 특히 심부체온이 급격하게 하강하는 순간에 잠이 오 기 시작한다는 것을 알게 되었다 19. 또한 하루 중 가장 졸린 시간인 오전 5시경은 심부체온이 가장 최저점일 때이다. 이 렇듯 체온의 하강과 수면은 관련이 있기 때문에, 체온의 일 중변동을 측정하면 개체의 일주기 리듬은 파악할 수 있다. 인간의 심부체온이 최저점에 도달하는 시각(새벽 5시경) 의 약 5-6시간 전에 체온이 급격히 하강하는 시기가 있는 데 이 시기는 보통 잠자리에 드는 시간(오후 11시경)과 비슷 하다. 즉 더운 여름에 심부체온이 충분히 떨어지지 않으면 수면에 지장을 줄 수도 있다는 뜻이 된다. 새벽 5시경에 심 부체온이 최저점이 도달하고 난 뒤에는 다시 상승하기 시 작하여 오후 5시경에 최대치에 도달한다(Figure 1). 이는 혈중 멜라토닌이 상승하기 시작하는 시점과 거의 유사하 여, 결국 인간은 멜라토닌이 상승하고 체온이 하강하면서 잠이 들게 된다고 할 수 있다. 체온을 측정하는 방법에 따라서 체온의 일주기변동양상 이 다소 차이가 있으므로 이를 고려해야한다 20. 심부체온을 정확하게 평가하기 위해서는 온도 측정이 가능한 카테터를 몸에 삽관하여 위에 도달시킨 후 측정하여야 하는데, 이는 전혀 임상적이지 않다. 심부체온을 가장 잘 반영한다고 알 려져 있는 방법은 직장체온을 측정하는 것이며, 반영도는 떨어지기는 하나 가장 손쉬운 방법은 고막을 통하여 측정 하는 것이다. 구강의 경우는 음료수나 음식에 영향을 받을 수 있기 때문에 최근에는 추천되지 않는다. Vol.6, No.2 / Dec, 2009 65
정석훈 심부체온을 이용하여 일주기리듬을 확인하는 방법의 장점 은 측정이 편리하여 쉽게 임상에 적용할 수 있다는 점이다. 다만 운동, 개인의 나이, 주변 환경의 온도 등을 포함한 여러 환경적인 요인들이 영향을 줄 수 있음을 고려해야 한다. Cortisol 농도 측정 코티솔은 부신피질에서 생성되며, 시상하부-뇌하수체- 부신 축(Hypothalamus-pituitary-adrenal axis, HPA axis) 의 조절을 받아 분비된다. 이는, SCN과 시상하부의 뇌실옆 핵(paraventricular nucleus, PVN) 간의 작용에 의하여 이루어진다 21. 수면의 시작은 HPA axis의 낮은 활성도와 연관이 있으며, 수면박탈은 HPA axis의 활성도를 증가시 킨다 22,23. 코티솔의 혈중 농도의 최저점은 보통 자정에 관 찰이 되고, 최고점은 아침 9시경에 관찰된다. 코티솔 농도 는 잠이 들고 난 뒤 2-3시간 후부터 점차로 상승하기 시작 해서, 아침 9시의 최고점까지 점차로 증가한다(Figure 1). 즉 낮 동안에는 저하되어 있다가, 밤이 되면 증가하기 시작 하여 아침에 일어날 무렵 최대치에 도달한다. 코티솔 농도는 혈액과 타액에서 채취할 수 있다. 혈장 내 의 자유 코티솔은 타액으로도 자연스럽게 확산되기 때문 에, 혈장에서 총 코티솔의 농도를 측정하는 것보다는 타액 에서 농도를 측정하는 것이 좀 더 정확하게 반영하는 것일 수 있다 24. 다만 코티솔의 분비는 나이에 의하여 영향을 받 을 수 있고, 시상하부-뇌하수체-부신 축의 조절을 받게 되 므로 스트레스에 영향을 받을 수 있다. 평가용 설문지 지금까지 언급한 호르몬의 농도나 체온 등과 같은 개체 의 생리적 반응을 토대로 개체의 일주기리듬을 평가하는 방법도 있으나, 개체의 행동을 토대로 일주기리듬을 간접 적으로 평가할 수도 있다. 어떤 개체는 일찍 취침을 시작하 고 일찍 기상을 하여 활동을 시작하고, 어떤 개체는 늦게 잠자리에 들고 늦게 일어나 활동을 시작한다. 인간에게 있 어서는, 사회적 통념에 비하여 자신의 활동시기가 앞당겨 져 있는 사람과 그 반대로 오히려 뒤로 밀려져 있는 사람이 있다. 즉 남들보다 일찍 자고 일찍 일어나는, 일명 아침형 인간 과 남들에 비해 늦게 자고 늦게 일어나는, 일명 저녁 형 인간 으로 나뉠 수 있다. 논란의 여지는 아직 있으나, 아침형-저녁형의 개인별 특성, 수면 주기의 지연 혹은 전 진이 유전적 요인의 영향을 받는다는 결과들이 꾸준하게 보고되어 왔다 25-27. 이러한 패턴을 평가하기 위한 가장 간 단한 방법은 수면일기를 사용하는 것이다. 취침시간과 기 상시간 등을 개체가 스스로 평가하도록 하여 특정 기간 동 안의 생활 패턴을 알 수가 있다. 일주기 리듬을 평가하기 위한 좀 더 구체화된 도구는 여러 가지가 있으나 Morningness-Eveningness Questionnaire (MEQ) 28, Circadian Type Questionnaire (CTQ) 29, Diurnal Type Scale (DTS) 30, Composite Scale (CS) 31, Basic Language Morningness (BALM) 32 등이 대표적이다. Horne과 Ostberg 에 의하여 1976년에 개발된 아침형 저녁형 척도(MEQ)는 개인별 일주기리듬을 평가하기 위하여 가장 널리 사용되는 도구이다. 모두 19문항으로 이루어져 있으며, 평가 대상자 의 생활리듬이 아침형인지 저녁형인지를 평가할 수 있다. 이후 kerstedt 등이 일주기형 평가 척도(DTS)를 고안하였 으며, Smith 등은 MEQ와 DTS를 조합하여 문항속성이 좋 은 13문항을 선정하여 조합척도(CS)를 만들기도 하였다. 국내에서는 유남재 등이 MEQ의 한국판 표준화 연구를 시행하였고 33, 윤진상 등이 Smith등이 고안한 조합척도의 한국어판 타당도 조사 연구를 수행한 바 있다 34,35. 활동기록계(actigraphy) 활동기록계는 개체의 움직임을 측정하여 운동성을 평가 하는 장치이다. 시계처럼 생긴 장치를 팔목에 차고 있으면 장치 내에 있는 압전가속장치가 개체의 움직임을 감지한 다. 깨어있는 동안은 움직임이 증가하고 잠을 자고 있는 동 안은 움직임이 감소하게 되므로, 이 차이를 이용하여 환자 의 수면-각성 주기를 측정할 수 있다. 개체의 움직임에 대 한 데이터가 활동기록계에 입력되면 정해진 알고리듬에 의 하여 수면상태와 각성상태로 구분되어 저장된다. 개체의 움직임에 대한 데이터가 활동기록계에 입력되어 디지털화되는 방식은 여러 가지가 있는데, 주로 Time Above Threshold, Zero Crossing, Digital Integration 법 등이 사용된다(Figure 2). 이렇게 변환된 데이터를 바탕으로 수 66 수면
일주기 리듬을 어떻게 측정할 것인가? REFERENCES Figure 2. Three different methods for deriving activity counts in actigraphy. Panel A, time above threshold, derives the amount of time per epoch that the activity is above some defined threshold (represented by a dashed line). Panel B, zero crossings, counts the number of times the activity reaches zero (represented by the solid baseline) during the epoch. Panel C, digital integration, calculates the area under the curves represented by black shading. (from Ancoli-Israel et al 39.) 면-각성 상태를 평가하게 되는데, 수면-각성 상태를 평가 하는 알고리듬으로 가장 널리 알려진 것은 Cole 등 36 이 개 발한 것과 Sadeh 등 37 이 개발한 알고리듬이 있다. 두 알고 리듬 모두 특정 시간대의 활동도와 인근 시간대의 활동도 에 대한 가중치 등을 고려하여, 특정 시간대의 개체가 수면 상태인지 각성상태인지 구분해 준다. 활동기록기를 단독으로 사용할 경우, 그 결과는 수면다 원검사를 시행하여 얻은 결과에 비해 신뢰도 및 정확도가 떨어지는 편이지만, 수면다원검사에 비하여 시행이 간편하 고, 비용이 저렴하다는 장점이 있다. 또한 수면다원검사는 비용과 인력의 문제로 연속된 여러 날의 수면-각성 주기를 평가하기에는 한계가 있는 반면, 활동기록계는 장기간 연 속된 날에 대한 평가가 가능하다는 장점이 있어, 수면 위상 이나 장기적인 행동 양상을 분석하는 데에 큰 효력을 발휘 한다. 1. Halberg F. Chronobiology. Annu Rev Physiol 1969;31:675-725. 2. Turek FW. Circadian neural rhythms in mammals. Annu Rev Physiol 1985;47:49-64. 3. Ralph MR, Foster RG, Davis FC, Menaker M. Transplanted suprachiasmatic nucleus determines circadian period. Science 1990;247: 975-8. 4. Czeisler CA, Duffy JF, Shanahan TL, et al. Stability, precision, and near-24-hour period of the human circadian pacemaker. Science 1999;284:2177-81. 5. Sack RL, Brandes RW, Kendall AR, Lewy AJ. Entrainment of free-running circadian rhythms by melatonin in blind people. N Engl J Med 2000;343:1070-7. 6. Duffy JF, Wright KP, Jr. Entrainment of the human circadian system by light. J Biol Rhythms 2005;20:326-38. 7. Altun A, Ugur-Altun B. Melatonin: therapeutic and clinical utilization. Int J Clin Pract 2007;61:835-45. 8. Lewy AJ, Wehr TA, Goodwin FK, Newsome DA, Markey SP. Light suppresses melatonin secretion in humans. Science 1980;210:1267-9. 9. Zeitzer JM, Dijk DJ, Kronauer R, Brown E, Czeisler C. Sensitivity of the human circadian pacemaker to nocturnal light: melatonin phase resetting and suppression. J Physiol 2000;526 Pt 3:695-702. 10. Brainard GC, Hanifin JP, Greeson JM, et al. Action spectrum for melatonin regulation in humans: evidence for a novel circadian photoreceptor. J Neurosci 2001;21:6405-12. 11. Benloucif S, Burgess HJ, Klerman EB, et al. Measuring melatonin in humans. J Clin Sleep Med 2008;4:66-9. 12. Voultsios A, Kennaway DJ, Dawson D. Salivary melatonin as a circadian phase marker: validation and comparison to plasma melatonin. J Biol Rhythms 1997;12:457-66. 13. Lewy AJ, Ahmed S, Sack RL. Phase shifting the human circadian clock using melatonin. Behav Brain Res 1996;73:131-4. 14. Pandi-Perumal SR, Smits M, Spence W, et al. Dim light melatonin onset (DLMO): a tool for the analysis of circadian phase in human sleep and chronobiological disorders. Prog Neuropsychopharmacol Biol Psychiatry 2007;31:1-11. 15. Monteleone P, Maj M, Fusco M, Orazzo C, Kemali D. Physical exercise at night blunts the nocturnal increase of plasma melatonin levels in healthy humans. Life Sci 1990;47:1989-95. 16. Waterhouse J, Drust B, Weinert D, et al. The circadian rhythm of core temperature: origin and some implications for exercise performance. Chronobiol Int 2005;22:207-25. 17. Krauchi K, Cajochen C, Wirz-Justice A. A relationship between heat loss and sleepiness: effects of postural change and melatonin administration. J Appl Physiol 1997;83:134-9. 18. Czeisler CA, Weitzman E, Moore-Ede MC, Zimmerman JC, Knauer RS. Human sleep: its duration and organization depend on its circadian phase. Science 1980;210:1264-7. 19. Murphy PJ, Campbell SS. Nighttime drop in body temperature: a physiological trigger for sleep onset? Sleep 1997;20:505-11. Vol.6, No.2 / Dec, 2009 67
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