뇌가 피로를 "제안"하는 방식: 잠들기 중 fMRI 역학

남부 캘리포니아 대학(USC)의 II Gaez 교수 팀에서 iScience 에 발표한 연구 에 따르면, 사람이 완전히 잠들기 전인 초기 단계에서 졸음의 시작을 감지할 수 있는 새로운 객관적인 신경 영상 마커가 소개되었습니다.

작업 및 관련성

미세 수면과 순간적인 주의력 상실은 수백 건의 교통사고와 산업재해로 이어집니다. 지금까지 주관적 설문지나 뇌파 검사를 통해 "잠드는" 정확한 시간을 예측하는 것은 어려웠습니다. 본 연구에서 연구진은 기능적 MRI에서 BOLD 신호의 변화를 통해 수면 시작 시기(SOP)의 시작을 감지할 수 있는지 살펴보았습니다.

왜 이것이 중요한가요?

• 피로 조기 진단. 정밀한 신경 지도(neuromap)를 파악하면 운전자와 운전자를 모니터링하고 미세 수면으로 인한 사고를 예방하는 방법을 개발하는 데 도움이 됩니다.
• 수면 연구. 느린 BOLD 진동의 역학은 SOP 발병의 객관적인 바이오마커가 될 수 있으며, 심리 및 전기생리학적 검사를 보완할 수 있습니다.
• 신경 조절: 신경 자극을 통해 시상이나 주의 네트워크를 표적으로 삼으면 약물 치료 없이도 위급 상황에서 깨어 있는 시간을 연장할 수 있습니다.

"우리는 졸음으로의 전환이 BOLD 신호의 느린 변동에서 명확하고 재현 가능한 변화를 동반한다는 것을 처음으로 보여주었습니다."라고 II Gaez는 말했습니다. "이는 신경 영상에 기반한 피로의 객관적인 모니터링의 길을 열어줍니다."

실험 설계

1. 자원봉사자 정원: 수면 장애가 없는 건강한 참가자 20명(남/여 10명, 연령 22~35세)
2. MRI 스캐너에서 수면: 피험자들은 눈을 감고 누워서 스캐너에서 배경 소음(80dB)이 재생되는 가운데 자유롭게 잠들도록 했습니다.
   • EEG(스캐너의 자체 전극)
   • EOM(안구 운동 진폭),
   • 눈꺼풀 감시 카메라.
3. SOP의 정의: 반쯤 감긴 눈꺼풀, EEG 리듬의 둔화, 그리고 처음으로 BOLD 매개변수의 변화를 조합한 것입니다.

BOLD 신호의 상세 분석

• 저주파 변동(0.03~0.07Hz): SOP 초기 단계에서 이러한 진동의 진폭은 30~50% 증가했습니다.
  • 시상(각성 조절),
  • 후두엽 피질(시각 처리),
  • 기본 모드 네트워크(DMN)의 노드: 내측 전전두엽 피질과 PCC.
• 기능적 연결성:
  • 시상 ↔ 전전두엽 피질: 20% 증가. 수면 신호가 피질로 "전달"되는 양이 증가했음을 나타냄.
  • 주의 네트워크(DAN): 두정엽과 전두엽 사이의 연결이 15% 감소했는데, 이는 외부 지향성이 약화되었음을 나타냅니다.

피로와의 상관관계

• 개인 차이: 24시간 수면을 취하지 않은 참가자(<6시간)는 저주파 진동이 더 일찍, 더 현저하게 증가했습니다.
• 행동 데이터: 미세 수면(MRI에서 간단한 시각 작업에 대한 지연된 반응)의 첫 징후는 시상-DMN BOLD 축의 최대 진폭과 일치했습니다.

가능한 응용 프로그램

1. 운전자 및 운전자 모니터링: 피로에 대한 조기 경고를 위해 fMRI 결과를 휴대용 fMRI 또는 EEG 장치로 전송합니다.
2. 개인화된 근무 일정: 교대 근무와 휴식을 계획할 때 개인의 SOP "임계값"을 고려하여 사고를 줄입니다.
3. 수면 치료: 카페인, 짧은 낮잠, 신경 조절(경두 자기 자극)이 BOLD 변화를 늦추는 데 미치는 효과를 테스트합니다.

저자의 인용문

"시상과 피질의 느린 BOLD 진동이 수면 시작을 어떻게 예측하는지 처음으로 보여주었습니다."라고 가에즈 교수는 말했습니다. "이를 통해 각성 상태를 모니터링하는 객관적인 '생리적 눈'을 개발할 수 있는 길이 열렸습니다."

공동 저자인 리징 박사는 "이번 연구 결과를 통해 피로 관리에 대한 새로운 생각이 떠올랐습니다. 더 이상 '어떻게 잤어?'라고 묻는 것만으로는 충분하지 않습니다. 뇌를 '볼' 수 있어야 합니다."라고 덧붙였습니다.

저자는 다음과 같은 핵심 사항을 강조합니다.

• 마커의 신경생물학적 신뢰성
  "시상과 수동 모드 네트워크에서 BOLD 신호의 저주파 변동 증가는 졸음의 객관적인 징후(눈꺼풀 감김, EEG 속도 저하)와 명확하게 상관관계가 있습니다."라고 II Gaez는 말합니다. - 이는 SOP가 행동뿐만 아니라 뇌 활동을 통해서도 "볼 수" 있다는 것을 증명합니다.

• 개인차
  "만성적인 수면 부족을 겪는 사람들은 BOLD 변화가 더 일찍, 더 뚜렷하게 나타났다는 것을 발견했습니다."라고 이 박사는 말합니다. "이를 통해 개인 맞춤형 피로 관리 전략을 세울 수 있습니다. 어떤 사람들은 더 자주 '마이크로 수면'을 취해야 할 수도 있고, 어떤 사람들은 광선 요법이나 신경 자극이 필요할 수도 있습니다."

• 실제 적용
  "다음 단계는 이러한 마커를 휴대용 기술(fNCD, 건식 EEG 캡)에 적용하여 운전자와 운전자의 경계 상태를 실시간으로 모니터링하는 것입니다."라고 마르티네즈 교수는 덧붙였습니다.

• 임상적 관점
  "발견된 변화는 수면 장애 진단에도 도움이 될 수 있습니다. 불면증, 무호흡증, 기면증은 SOP의 초기 단계에 각기 다른 영향을 미치며 BOLD 마커는 이러한 상태를 구별하는 데 도움이 될 것입니다."라고 Singh 박사는 결론지었습니다.

이 연구는 졸음 시작에 대한 실시간 및 개별 마커를 기반으로 사고 및 부상 예방 신경 기술의 길을 열어 주고, 도로와 산업 현장을 더 안전하게 만들 것을 약속합니다.