MENU

睡眠生理学：夜の休息の背後にある科学

こんにちは、高血圧といびきの内科 神保町駅前の鎌形です。

当院では千代田区・神保町を中心に、九段下、お茶の水、水道橋エリアの皆様に、

内科診療を提供し、とくに高血圧や睡眠・不眠・いびきの治療に注力しています。

今回は睡眠とは何か、生理学的に徹底解説します。

当院のご予約はこちらから
目次

睡眠中に何が起こるのか？夜の休息の背後にある科学

睡眠は単に目を閉じて眠りに落ちる以上のものです。それは私たちの人生のおよそ3分の1、つまり一晩約8時間を占める複雑なプロセスです。良質な睡眠の後に感じるリフレッシュ感は誰もが知っていますが、この日常的な現象の背後にある科学は、私たちの全体的な健康を理解する上で魅力的かつ不可欠なものです。

睡眠は、反応性の低下、運動活動の減少、代謝の低下を特徴とする、速やかに元に戻せる状態として定義されています。睡眠があらゆる動物種に何らかの形で現れるという事実は、それが進化上重要な意味を持っていることを示唆していますが、科学者たちはその正確な目的についてまだ議論を続けています。

科学者はどのように睡眠を研究するのか

睡眠を研究する主な道具は、睡眠中の脳波、眼球運動、筋肉活動を記録するポリソムノグラフィーです。脳波検査（EEG）を使用することで、科学者たちは睡眠中の脳の電気活動を観察することができます。筋緊張を測定する筋電図（EMG）と眼球運動を追跡する眼電図（EOG）と組み合わせることで、これらの技術により睡眠専門家は異なる睡眠段階を識別することができます。

睡眠は通常、「エポック」と呼ばれる30秒間のセグメントで分析されます。現代の睡眠医学は米国睡眠医学会（AASM）のガイドラインに従っており、これにより世界中の睡眠研究所で睡眠の測定と分類が標準化されています。

睡眠段階：浅い眠りから深い夢まで

睡眠は均一な状態ではありません。代わりに、それぞれが独自の脳波パターンと生理学的特徴を持つ明確な段階を循環します。これらの段階は主に2つのカテゴリーに分類されます：非急速眼球運動（NREM）睡眠と急速眼球運動（REM）睡眠です。

覚醒：睡眠への架け橋

眠りに落ちる前、あなたの脳は特定のパターンを示します。眠気を感じて目を閉じると、脳波は「後頭部優位リズム」または「アルファリズム」と呼ばれる安定したパターンにまで遅くなります。これが覚醒と睡眠の間の移行点として機能します。このリズムを明確に生成しない人もいるため、一部の個人では睡眠段階の分類がより困難になることがあります。

NREM睡眠：ノンレム睡眠の3段階

NREM睡眠は3つの段階に分けられ、それぞれが前の段階よりも徐々に深くなります。

ステージN1：睡眠への入り口

ステージN1は最も軽い睡眠段階で、通常数分間しか続きません。脳波は覚醒状態からより低周波のシータ波（4〜7 Hz）に遅くなります。この段階では、ゆっくりとした回転性の眼球運動が見られ、もし目覚めさせられたら、睡眠していたことにすら気づかないかもしれません。ステージN1は通常、総睡眠時間のわずか5〜10％しか占めません。

睡眠研究中にステージN1に通常より長く滞在する場合、閉塞性睡眠時無呼吸症などの睡眠障害を示している可能性があります。あるいは単に「初夜効果」、つまり不慣れな睡眠研究室環境で正常に眠ることの自然な難しさである可能性もあります。

ステージN2：主要な睡眠段階

ステージN2は中年の成人の夜の睡眠の最大部分を占め、通常は総睡眠時間の45〜55％を占めます。この段階では、脳はシータ波を生成し続けますが、2つの特徴的な現象も現れます。

  1. 睡眠紡錘波：少なくとも0.5秒続く脳活動の短いバースト（11〜16 Hz）で、脳の中心領域で最も顕著に現れます
  2. K複合波：背景脳活動から際立つ、鋭い陰性波の後に陽性成分が続くもの

特定の薬物、特にベンゾジアゼピン系薬剤は、ステージN2の睡眠量を増加させ、通常は紡錘波活動を強化します。

ステージN3：深く回復的な睡眠

「深い睡眠」または「徐波睡眠」とも呼ばれるステージN3は、睡眠エポックの少なくとも20％を占める低周波（0.5〜2 Hz）、高振幅のデルタ波が特徴です。この段階は若年〜中年の成人の総睡眠時間の約10〜20％を占めますが、年齢とともに減少します。

ステージN3は夜の前半、特に始めの部分で最も多く見られ、これは一日の覚醒後の体の最も強い睡眠欲求を反映しています。通常、ステージN3からの覚醒は難しく、この時期に睡眠時遊行症などのNREM関連睡眠異常行動が最も発生しやすくなります。

REM睡眠：夢の状態

レム睡眠、またはステージRとも呼ばれるものは、3つの主な特徴によって特徴づけられます。

  1. 脳活動：低電圧、混合EEGパターン、時には特徴的な「鋸歯状波」が見られます
  2. 急速眼球運動：素早い、共役性の、不規則な眼球運動で鋭いピークを持ちます
  3. 筋緊張消失：眼球筋と横隔膜を除くほぼすべての随意筋の完全な弛緩

REM睡眠には2つの相があります：相動性と強直性です。相動性REMには急速眼球運動のバースト、変動する呼吸、そして時折の筋肉のけいれんが含まれます。強直性REMでは眼球運動が少なく、運動活動も限られています。

REM睡眠は総睡眠時間のわずか18〜23％を占めるにすぎませんが、いくつかの重要な役割を果たします。これは最も鮮明な夢が起こる時で、多くの研究者はREM睡眠が記憶の固定化—重要な記憶を強化し、重要性の低い神経結合を刈り込む脳のプロセス—に不可欠だと考えています。

いくつかの睡眠障害はREM睡眠の異常に関連しています。

  • ナルコレプシー：ナルコレプシーを持つ人々は、睡眠サイクルの異常に早い段階でREM睡眠に入ったり、日中の短い仮眠中にさえREM睡眠に入ることがあります。
  • 閉塞性睡眠時無呼吸症：REM睡眠中の筋弛緩は呼吸困難を悪化させる可能性があります。
  • 肺疾患：REM関連の筋弛緩は呼吸筋に影響し、呼吸器疾患を持つ人々に問題を引き起こす可能性があります。
  • レム睡眠行動障害：REM睡眠の正常な筋麻痺が不完全または欠如しているため、一部の個人は夢の内容を実際に演じてしまいます。

アルコール、鎮静剤、抗うつ薬、刺激薬など、様々な薬物がREM睡眠を遅らせたり抑制したりすることがあります。逆に、アルコールや特定の薬物からの離脱はREM睡眠を増加させることがあります。

睡眠構造：夜通しの睡眠サイクル

睡眠は静的ではなく、かなり予測可能なパターンで異なる段階を循環します。各完全なサイクルは約90〜120分続き、典型的な8時間の夜には4〜5サイクルが発生します。

典型的な睡眠サイクルは次のように進行します。

  • まず、覚醒状態からステージN1に移行し、次にステージN2、ステージN3、そして最後にREM睡眠へと進みます
  • 夜が続くにつれて、各サイクル内のREM睡眠の割合は一般的に増加します
  • ステージN3（深い睡眠）の割合は夜が進むにつれて減少する傾向があります

このパターンは、特定の睡眠障害が夜の特定の時間に現れる理由を説明しています。睡眠時遊行症などのNREM関連睡眠異常行動は、ステージN3睡眠が優勢な夜の前半に通常発生します。悪夢などのREM関連障害は、REM睡眠がより多い夜の後半により発生する傾向があります。

生涯にわたる睡眠の変化

睡眠構造は人生を通じてかなり変化します。

  • 新生児：明確な昼夜のパターンなしに、短い期間で1日16〜18時間眠ります。通常、NREMではなくREMを通じて睡眠に入ります。
  • 乳児：約3ヶ月頃から、赤ちゃんは昼夜のサイクルを発達させ始め、NREMを通じて睡眠に入り始めます。
  • 子供と青年：総睡眠時間は徐々に減少し、青年期後に成人の標準に達します。
  • 若年成人：通常、深い睡眠（ステージN3）が多く、一晩約8時間眠ります。
  • 中年および高齢者：ステージN3睡眠の減少と覚醒およびステージN1睡眠の増加を経験します。しかし、REM睡眠は成人期を通じてほぼ安定しています。

一般的な信念に反して、若年成人と高齢者に必要な総睡眠時間は劇的に異なるわけではありませんが、睡眠の質と構造は変化します。

睡眠段階間の生理学的差異

睡眠は脳波だけの問題ではありません—あなたの体全体が様々な睡眠段階で異なる機能をします。深いNREM睡眠（ステージN3）の間、あなたの呼吸、心拍数、血圧は驚くほど安定し規則的になります。対照的に、REM睡眠は心拍数、呼吸数、血圧、呼吸に不規則なパターンをもたらします。

なぜ私たちは眠るのか？睡眠の目的の背後にある科学

科学者たちは睡眠の正確な必要性についてまだ議論していますが、研究はいくつかの重要な機能を支持しています。

回復と活性化

回復理論は、睡眠中に体が修復し若返ることを示唆しています。これは良質な睡眠の後にリフレッシュした気分になり、睡眠不足の後に消耗した気分になる理由を説明しています。成長ホルモンの分泌は睡眠中にピークに達し、筋肉の成長と細胞の再生に寄与する可能性があります。

睡眠はまた、ストレスの悪影響を軽減するのに役立つようです。マウスでの研究では、ストレスによって活性化されたニューロンが脳に睡眠を誘発し、ストレス関連ホルモンを抑制することが示されています。

脳のクリーンアップと廃棄物除去

睡眠中、あなたの脳は一日中蓄積する代謝廃棄物を除去します。そのような物質の一つはアデノシンで、覚醒中に蓄積し、おそらく深いNREM睡眠を促進します。

科学者たちは、「グリンファティックシステム」（グリア細胞への依存からそう名付けられた）と呼ばれる脳の廃棄物除去経路を発見しました。これは睡眠中により活発になります。睡眠は脳細胞間のスペースを増加させ、潜在的に有害な廃棄物の除去を改善するようです。研究によれば、睡眠不足はこのクリーンアッププロセスを障害し、睡眠が脳からの代謝廃棄物の輸送を促進することを示唆しています。

認知機能と記憶処理

睡眠は学習と記憶において重要な役割を果たします。研究は一貫して、睡眠不足の人間は効果的に学習することが少ないことを示しており、これは認知機能に対する睡眠の影響を示しています。

新生児におけるREM睡眠の高い割合は、夢を見ている間の感覚入力と運動皮質の活動を通じて脳の発達に貢献している可能性があります。NREM睡眠は学習回路を最適なレベルにリセットすることで学習を支援しているかもしれません。

睡眠構造が変化するとき

正常な睡眠構造の変化は、時に根底にある問題を示すことがあります。

  • 入眠直後に起こるREM睡眠は、ナルコレプシー、うつ病、または特定の薬物からの離脱を示唆するかもしれません
  • 頻繁な睡眠段階の変化は、睡眠時無呼吸症や周期性四肢運動などの睡眠障害を示している可能性があります
  • 睡眠不足は、体が回復しようとするとき、ステージN3とREM睡眠の増加をしばしば引き起こします
  • 特定の薬物や物質（抗うつ薬、カフェイン、アルコールなど）は睡眠構造に劇的な影響を与える可能性があります
  • 気分障害、特にうつ病は、入眠してからREM睡眠に入るまでの時間を短縮するかもしれません

睡眠科学についての結論

睡眠は脳機能と生理学的健康にとって多くの面で不可欠です。科学者たちは睡眠の利点の背後にある正確なメカニズムを明らかにし続けていますが、その重要性は否定できません。脳の廃棄物除去から記憶の固定化、身体機能の回復まで、質の高い睡眠はほぼすべての健康面をサポートしています。

睡眠の科学を理解することで、この日常的な生物学的必要性の価値を認識し、健康的な睡眠習慣を優先するよう促すことができます。結局のところ、私たちは人生のほぼ3分の1を睡眠に費やしています—そして今、それは価値のある時間であることがわかっています。

参考文献

  1. Siegel JM. Sleep viewed as a state of adaptive inactivity. Nat Rev Neurosci 2009; 10:747.
  2. Rechtshaffen A, Kales A (Eds). A manual of standardized terminology and scoring system for sleep stages of human subjects. 204, United States Government Printing Office; National Institutes of Health, Washington, DC 1968.
  3. Troester MM, Quan SF, Berry RB, et al. The AASM Manual for the Scoring of Sleep and Associated Events: Rules, Terminology and Technical Specifications, Version 3, American Academy of Sleep Medicine, 2023.
  4. Magalang UJ, Chen NH, Cistulli PA, et al. Agreement in the scoring of respiratory events and sleep among international sleep centers. Sleep 2013; 36:591.
  5. Ohayon MM, Carskadon MA, Guilleminault C, Vitiello MV. Meta-analysis of quantitative sleep parameters from childhood to old age in healthy individuals: developing normative sleep values across the human lifespan. Sleep 2004; 27:1255.
  6. Agnew HW Jr, Webb WB, Williams RL. The first night effect: an EEG study of sleep. Psychophysiology 1966; 2:263.
  7. Proctor A, Bianchi MT. Clinical pharmacology in sleep medicine. ISRN Pharmacol 2012; 2012:914168.
  8. ASERINSKY E, KLEITMAN N. Regularly occurring periods of eye motility, and concomitant phenomena, during sleep. Science 1953; 118:273.
  9. Tononi G, Cirelli C. Perchance to prune. During sleep, the brain weakens the connections among nerve cells, apparently conserving energy and, paradoxically, aiding memory. Sci Am 2013; 309:34.
  10. American Academy of Sleep Medicine. International Classification of Sleep Disorders, 3rd ed, text revision, American Academy of Sleep Medicine, 2023.
  11. Weitzenblum E, Chaouat A. Sleep and chronic obstructive pulmonary disease. Sleep Med Rev 2004; 8:281.
  12. Howell MJ. Parasomnias: an updated review. Neurotherapeutics 2012; 9:753.
  13. España RA, Scammell TE. Sleep neurobiology from a clinical perspective. Sleep 2011; 34:845.
  14. Anderson KN, Bradley AJ. Sleep disturbance in mental health problems and neurodegenerative disease. Nat Sci Sleep 2013; 5:61.
  15. Yu X, Zhao G, Wang D, et al. A specific circuit in the midbrain detects stress and induces restorative sleep. Science 2022; 377:63.
  16. Porkka-Heiskanen T, Zitting KM, Wigren HK. Sleep, its regulation and possible mechanisms of sleep disturbances. Acta Physiol (Oxf) 2013; 208:311.
  17. Hauglund NL, Pavan C, Nedergaard M. Cleaning the sleeping brain – the potential restorative function of the glymphatic system. Curr Opin Physiol 2020; 15:1.
  18. Komaroff AL. Does Sleep Flush Wastes From the Brain? JAMA 2021; 325:2153.
  19. Xie L, Kang H, Xu Q, et al. Sleep drives metabolite clearance from the adult brain. Science 2013; 342:373.
  20. Lewis LD. The interconnected causes and consequences of sleep in the brain. Science 2021; 374:564.
  21. Eide PK, Vinje V, Pripp AH, et al. Sleep deprivation impairs molecular clearance from the human brain. Brain 2021; 144:863.
  22. Yang G, Lai CS, Cichon J, et al. Sleep promotes branch-specific formation of dendritic spines after learning. Science 2014; 344:1173.
  23. Diering GH, Nirujogi RS, Roth RH, et al. Homer1a drives homeostatic scaling-down of excitatory synapses during sleep. Science 2017; 355:511.
  24. de Vivo L, Bellesi M, Marshall W, et al. Ultrastructural evidence for synaptic scaling across the wake/sleep cycle. Science 2017; 355:507.
  25. Brüning F, Noya SB, Bange T, et al. Sleep-wake cycles drive daily dynamics of synaptic phosphorylation. Science 2019; 366.
  26. Noya SB, Colameo D, Brüning F, et al. The forebrain synaptic transcriptome is organized by clocks but its proteome is driven by sleep. Science 2019; 366.
  27. Girardeau G, Lopes-Dos-Santos V. Brain neural patterns and the memory function of sleep. Science 2021; 374:560.
  28. Siegel JM. Clues to the functions of mammalian sleep. Nature 2005; 437:1264.
  29. Tononi G, Cirelli C. Sleep and the price of plasticity: from synaptic and cellular homeostasis to memory consolidation and integration. Neuron 2014; 81:12.

著者

鎌形博展　株式会社EN　代表取締役兼CEO、医療法人社団季邦会 理事長

専門科目　救急・地域医療

所属・資格

  • 日本救急医学会
  • 日本災害医学会所属
  • 社会医学系専門医指導医
  • 日本医師会認定健康スポーツ医
  • 国際緊急援助隊・日本災害医学会コーディネーションサポートチーム
  • ICLSプロバイダー(救命救急対応)
  • ABLSプロバイダー(熱傷初期対応)
  • Emergo Train System シニアインストラクター(災害医療訓練企画・運営)
  • FCCSプロバイダー(集中治療対応)
  • MCLSプロバイダー(多数傷病者対応)

研究実績

メディア出演

  • フジテレビ 『イット』『めざまし8』
  • 共同通信
  • メディカルジャパン　など多数

SNSメディア

関連リンク

医療情報 睡眠時無呼吸症候群

関連記事

目次