Sleep Physiology Ii(960306)

Sleep physiology - Part II 嘉義長庚醫院胸腔內科 嘉義 (cy) 長庚醫院 (cgmh) 睡眠 (sleep) 中心 (center) 周育廷醫師 [email protected]

各睡眠週期的生理變化

各睡眠週期的生理變化

人一天需要多久時間的睡眠 • 成年人： 7.5~8 小時 • 一天睡眠時間超過 9 個小時或少於 4 個小時的人 ，因為心血管疾病、中風或癌症而死亡的機

會較高。 • 睡眠時間太多，睡眠的品質會變差，躺床時間增 加或是 arousal 時間增加，反而更覺得精疲力盡 或易怒、焦躁不安 Rip Van Winkle effect.

林口 2002 年 RT 的學生睡眠時間 • • • • • • • •

2/34: 8 hours or above 0/34: 7.5 hrs 6/34: 7 hrs 6/34: 6.5 hrs 3/34: 6 hrs 12/34: 5.5 hrs 2/34: 5 hrs 3/34: <5 hrs

睡眠的功能在哪裡？ • 恢復健康理論：讓身體及大腦有時間恢復好的狀 態。 • 能量保存理論：在 NREM stage ，整個身體的代 謝速率降低。 • 適應理論：讓身體去適應環境的週期。 • 本能理論。 • 記憶增強及鞏固原有記憶理論。 • 神經元及其突觸從新建構需要的神經網路理論。 • 溫度調節功能理論。

睡眠與夢 • Aserinsky and Kleitman – discover of REM sleep in 1953 (science) • 大部分做夢都是發生在 REM stage • REM 的夢：較多情緒的變化，較複雜且較 奇異。清醒後大多可以大略描述夢的內容 。 • NREM 的夢：叫切合真實狀況及較合理。 但是清醒後通常都很混亂甚至不記得，無 法描述夢的內容。

夢的重要性 • 活化腦部內整個神經網路。 (Hobson and McCarley in 1977) • 重組、重新建構及重新解釋儲存在記憶中 的資料。 (Koukkou and Lehmann 1980). • 不確定：讓非必要或是無用的資料從腦中 消除。 (Crick and Mitchison 1983)

年紀對正常睡眠週期的影響 • 出生後，約到 2-6 個月 NREM sleep 的發 展才漸漸完成，剛出生的嬰兒可能直接進 入 REM stage ，甚至沒有 NREM sleep 。 • 嬰兒的 NREM-REM cycle 約只有 50-60 分 鐘。 • SWS 在小孩子時期最多，之後隨著年紀增 長而慢慢減少。且 SWS 的減少與大腦皮質 的突觸減少似乎相並行。

年紀對正常睡眠週期的影響 • REM sleep 的比例在整的人生中大致不變 ，但隨著年紀越大睡眠時間越來越少， REM 的時間也變少。 REM 的量似乎與智 力功能有關。 • Arousal 會隨著年紀便大而越顯得明顯

年紀對正常睡眠週期的影響

年紀對正常睡眠週期的影響

睡眠對各項生理的影響 1. 2. 3. 4. 5.

自主神經系統 心臟血管系統 循環系統 呼吸系統 其他

自主神經系統 – NREM sleep •

相對而言較穩定的自主神經系統，主要是增加 副交感神經的活性，降低交感神經的活性。 • 一些神經反射受器的閥值會提高。 • 在心臟血管的交感神經活性， stage 4 sleep 時 只有醒著時的一半 → 會 hypotension, bradycardia and reductions in cardiac output and systemic vascular resistance → 提供一個 metabolic restoration 的機會

自主神經系統 – REM sleep • 在 NREM 要轉換成 REM 時，或在 tonic REM 時，更進一步的的增加副交感神經活 性及減低交感神經的活性。 • 但在 phasic REM 時，交感神經興奮會壓過 副交感神經的活性。 ☆Tonic REM ： REM 中沒有眼動，完全沒有肌肉 張力時。

☆Phasic REM ： REM 中快速眼動頻繁的時候。

自主神經系統 - 可能負責心血管變化的中樞 •

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Insular cortex : 負責調控交感及副交感神 經活動的地方，右邊主要負責交感，左邊 主要負責副交感。 Cerebellum( 小腦 ) : 主要藉由前庭 / 小腦 的機制調控血壓。在快速的姿勢改變時負 責調控血壓及心跳，若有病變，或造成姿 態性低血壓或休克。

心臟血管系統 – NREM sleep • • • •

副交感神經活性增加，所以會 bradycardia 交感神經活性減弱，所以會 hypotension 會有 normal respiratory sinus arrhythmia ( 正常的呼吸性竇性心律不整 ) 在正常人身上，這樣的改變是可以被接受的，不會造成 生命的危險，但在有心臟功能不好，冠狀動脈疾病，腦 部傷害或是阻塞型睡眠呼吸中止症的人身上可能就會造 成危及生命的影響。

心臟血管系統 – NREM sleep normal respiratory sinus arrhythmia ( 正常的呼吸性竇性心律不整 ) • •

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心跳由正常的節律點開始，但是受呼吸運動及 腦部控制心肺中樞的影響而呈現忽快忽慢 吸氣時，心跳加速。因為吸氣時靜脈回流增加 ，心臟為了將多的血量排出而增加速率，此時 心輸出量增加。 吐氣時，心跳又慢慢減速

normal respiratory sinus arrhythmia 吐氣

吐氣

吸氣

吸氣

心臟血管系統 – NREM sleep •

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暫時性的血壓升高：這會造成對呼吸的刺 激減慢、減少或停止。這些呼吸的暫停及 心跳的變快及變慢相互伴隨，主要是為了 穩定血壓。 心臟危險性的發生通常會伴隨這種心跳變 異性的減少，通常是代表著失去迷走神經 的正常功能。

心臟血管系統 – REM sleep •

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從 NREM 轉換到 REM 時，會突然間的迷 走神經活性的爆發，而造成心律暫停甚至 直接變成心跳停止。這種迷走神經的爆發 還可能發生在 tonic REM 時。 在 phasic REM ，交感神經的活性會呈現 surge( 像波動一樣忽上忽下 ) 。 因為在 REM 的這些交感神經及副交感神 經的不穩定，而打破心肺功能的恆定性。

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所以在 REM sleep 時會有 tachycardia, polypnea, sweating, and traumatic elevations in arterial blood pressure ，主 要是自主神經的活性加強的緣故。

心臟血管系統 – REM sleep 在心律方面，會呈現明顯的 tachycardia and bradycardia • heart rate surge : tachycardia 是因為交感神經 對心臟的影響，與副交感神經的減弱無關。而 心跳加速後，血壓上升，而經由 baroreceptor 的神經反射造成心跳減慢。 • heart rhythm pause ：通常在 NREM 轉成 REM 或 tonic REM 時，是由中樞神經直接來的影響 ，可見突然中斷的 PGO wave ，主要由傳入心 臟的迷走神經活性來決定，與交感神經的減弱 無關。

心臟血管系統 – REM sleep • heart rhythm pause : 是由中樞神經直接造 成的迷走神經活性爆發，沒有心跳或血壓 變化的前兆或後遺症，可造成各種程度的 heart block 。 • Baroreceptor 神經反射引起的心跳變慢： 是經由血壓升高的反射造成，持續 1-8 秒， 接著可以明顯的看到 coronary blood flow 的增加。

心臟血管系統 - 誘發心律不整的神經機轉 • •

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在中樞神經方面，小腦的刺激及下視丘的活化 所引起的交感神經興奮是主要誘發 ventricular arrhythmia 的機轉 中樞神經刺激之後造成的心律不整 (post-CNS stimulation arrhythmia) 也佔一重要角色，它是 因交感神經的刺激停止，而副交感神經活性重 新出現時造成的 bradyarrhythmia NREM sleep 一般也是有助於 ventricular arrhythmogenesis ，因副交感神經活化是心跳 變慢，容易誘發不成熟的心房跳動 (VPC)

心臟血管系統 - 誘發心律不整的神經機轉 • 迷走神經釋放 acethylcholine ，藉由它對交感神 經的突觸前抑制使交感神經末端的正腎上腺素無 法分泌，而達到與交感神經的拮抗。另外 acethylcholine 也在心肌細胞上的接受器上直接與 正腎上腺素做拮抗作用。 • 另一方面，由中樞神經的神經傳導物質，或直接 作用在心肌細胞或心電位傳導系統，或調控冠狀 動脈的血管張力影響心肌的灌流，或影響血小板 的凝集，也都可能直接引起心律不整。

心臟血管系統 - 結論 •

NREM sleep ：因副交感神經會降低心跳 速度，增加心肌電位的穩定度，降低心律 - 壓力的相關變化，且全身血壓下降，在 一點點冠狀動脈狹窄的人是可以改善供給 與需求的平衡。但是在嚴重冠狀動脈狹窄 或急性心肌梗塞的人， NREM 造成的低 血壓反而會減少冠狀動脈的灌流而造成進 一步的心肌缺氧及誘發心律不整。

心臟血管系統 - 結論 •

REM sleep ：交感神經及負交感神經活性的交 替起伏變化，而產生 heart rate surge 或 heart rhythm pause ，而存在著誘發 ventricular arrhythmia 的危險性。在正常的人是可以忍受 的，但是在心臟功能不好或冠狀動脈有異常的 人，可能引起心律不整，心肌缺氧或心肌梗塞 。 ★ 所以，睡覺是對心臟造成一種來自自主神經的壓 力試驗，夜間對心肺功能的監測對這方面具有 診斷的價值。

循環系統 – 冠狀動脈循環 • •

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正常沒有狹窄的情況下，冠狀動脈血流在 NREM 時減少，在 REM 時增加。 在 NREM 轉變到 REM 時因為 heart rhythm pause ，而會在沒有增加心臟代 謝速率的情況下，增加血流。主要是因為 副交感神經作用使血管擴張。 REM 時因交感神經興奮造成心跳加速， 使代謝增加，而造成後續的血管擴張，進 而增加血流量。

循環系統 – 冠狀動脈循環 •

但在有嚴重冠狀動脈狹窄的人， REM stage 的 surge 反而造成冠狀動脈血流減 少而非增加，主要因為 2. 因交感神經作用在冠狀動脈血管的平滑肌 上使血管收縮 3. 心跳忽快忽慢，造成心臟舒張的時間不足 ，而減少冠狀動脈灌流的時間而減少冠狀 動脈的血液循環

循環系統 – 冠狀動脈循環 • • • • •

腦部血流的變化與獨立於全身血壓變化之外的。 就是在全身血壓低時，腦部的灌流仍能儘量保持 。 腦部血流的變化與血管阻力有關，但調控機制目 前仍不清楚。最主要的機制可能是 flow-metabolism coupling ：就是需要與供給的 平衡 chemical regulation ： 由局部的 PaCO2 決定 Autoregulation ： 在急性低血壓時，腦部的血管 會自我調節的造成血管擴張，以爭取血流量。

循環系統 – 腦部循環 • •

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神經突觸的活性、代謝功能與腦部血流， 都與睡覺或非睡覺有關。 在 brainstem-thalamus 等控制中樞的腦 部血流在 NREM 時相對清醒而言是降低 的，而在 REM 時又再增加。 這種 NREM 比清醒時血流減少，同時代 表代謝減少，支持睡眠是具有”助於恢復 健康”的功能。

Thermoregulatory function （溫度調控功能） • 在 pre-optic-hypothalamus 處有一個維持體溫恆 定的中樞，會依周遭環境溫度而影響身體及內臟 的循環及作用。 • 溫度高時要散熱，所以血管擴張，呼吸會加快， 溫地低時要保留熱量，血管會收縮，呼吸會變慢 。 • 在 NREM 時這個機制仍然存在，只是受刺激的閥 值跟反應的程度減少。 • 在 REM 時則此機制完全不存在，所以可能發生相 反的情況。

循環系統 - 皮膚循環 • NREM 時減少，因為身體代謝降低，體溫 降低，平均降 1-2℃ 。 • REM 時，因失去適當的 thermoregulatory vasomotor response ，所以在冷的環境下 ，血流反而增加，在溫暖的環境下，血流 反而減少，與正常狀況剛好相反。

循環系統 - 腎臟循環 • 睡眠本身並不會影響腎臟的血流量。 • 但腎臟血流量受到 thermoregulatory vasomotor response 影響， REM 時因睡 覺時體溫較低，因造成血流的增加。

循環系統 • 內臟循環：在睡眠時，其他內臟器官的血 流量沒有太大的改變。 • 骨骼肌肉循環：由清醒到睡著時血流量沒 有變化。但在 REM 時， red fiber 血流減少 ，而 white fiber 則不一定。

呼吸系統 - 呼吸的控制 （清醒時 ） Higher central information Vagus nerves Medulla Mechanical information

Chemical information

PaO2, PaCO2, pH

Respiratory muscles

Receptors from lung and chest wall

呼吸系統 - 呼吸的控制 （睡覺時 ） Higher central information Vagus nerves Medulla Mechanical information

Chemical information VE, RR↓

？ ？？ Responses to PaO2, PaCO2, pH ↓

Respiratory muscles

Receptors from lung and chest wall

ventilation 對 hypoxemia 的反應 • 在睡覺時 ，呼吸對 hypoxemia 的反映 下降 • 由清醒 至 REM ，雖然 SaO2 下降程度 相等 ，但 在 REM 時每分鐘 通氣 量 顯著較 清醒 時低 • Men: awake > NREM > REM • Women: awake ≒ NREM > REM

ventilation 對 hypercapnia 的反應 • 在睡覺時 ，呼吸對 hypercapnia 的反 映下降 • 由清醒 至 REM ，雖然 ETCO2 上升 程度 相等， 但在 REM 時每分 鐘通氣 量顯著 較清 醒時低 • 由清醒 至 REM ，需要 較 高的 ETCO2 上升程度 ， 才能造 成每 分鐘通 氣量 的改變

呼吸系統 – NREM •

從清醒到 stage 1 and stage 2 NREM sleep ，清醒的意識對呼吸的影響慢慢減 少，而自主控制系統對呼吸的控制慢慢主 導呼吸。這時候會出現一段呼吸不穩定的 時間，會忽快忽慢，忽淺忽深，稱之為 periodic phenomena 。

呼吸系統 - NREM • deep REM stage (stage 3 and 4) ，呼吸完 全交由自主控制系統控制。所以速率減緩 ， tidal volume(Vt) 輕微的減少，而 ventilation 依代謝速率減少的程度而跟著減 少。所以 Vt 及 minute ventilation(MV) 都減 少， PaCO2 會上升， PaO2 會下降。 PaCO2↑3-7 mmHg ， PaO2↓3.5 to 9.4 mmHg ， SaO2 ↓2% or less 。

呼吸系統 - NREM • •

Airway resistance 會增加。 pulmonary inflation and deflation reflex 在 NREM sleep 仍然活化， intercostal muslce 的本體感覺反射也仍然存在。

NREM 淺睡期的呼吸

NREM 深睡期的呼吸

呼吸系統 - REM • •

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在 tonic REM ，呼吸大部分是規則的，跟 stage 3 & 4 差不多。 在 phasic REM ，控制呼吸的 automatic control mechanism 受到影響，呼吸變得 非常的不規則，可能變快也可能變慢。並 且較容易發生 central apnea 。 這些 REM stage 呼吸變化都是由中樞神 經來的，切斷神經反射路徑或改變 O2 and CO2 狀況都不會影響。

呼吸系統 - REM • MV, Vt 較清醒時少，但相較於 NREM ， 可能增加，不變或下降。 • Hypoxemia 可能在 REM(=, >)NREM ，主 要可能來自於 hypoventilation 。 ventilation 也是多變的， PaCO2 可能降低 或維持。

呼吸系統 - REM • intercostal muscle 活性減低，可能造成 paradoxical respiration 。 • upper airway resistance 增加，而對於呼吸 作功的補償是不規則且微弱的。 • inflation reflex 完全消失。 • thermoregulation 對呼吸的影響力，在 REM 比 NREM 更差。

REM 期的呼吸 ( 主要為 phasic)

呼吸系統 – 結論 •

Drowsiness or unsteady NREM sleep 的 特徵： regularly oscillating periodic breathing ，因而造成 PaO2 and PaCO2 的波動，及 ventilation 的減少。因為呼吸 是由 autonomic nervous system （沈睡 ）及自主意識控制（清醒），當要開始失 去意識時，兩個控制系統在互相影響而產 生這樣的呼吸型態。

呼吸系統 – 結論 • steady NREM sleep 的特徵：規則的呼吸 型態，且更 hypoventilation 一點。這樣的 hypoventilation 是歸因於呼吸刺激的減少及 因睡著而產生對上呼吸道阻力增加的無法 適當調整。而 ventilation 的機制並沒有受 到任何破壞。

呼吸系統 – 結論 • REM sleep 的特徵：不規則且淺的呼吸， 同時容易產生中樞性呼吸暫停 (phasic REM) ，不規則不僅在呼吸的深度，還有呼 吸速率上，且會與 REM burst 同步發生。 Hypoxia 與 NREM 相同或再嚴重一點點， 主要是因為 hypoventilation 。

呼吸系統 – 結論 • 相對清醒而言，在睡眠中，呼吸道的阻力 都增加， MV 跟 Vt 都減少， PaO2 都較低 ， PaCO2 都較高。 • 總而言之， ventilation 在睡眠時是易受損 傷的，不穩定的，同時有 upper airway obstruction, hypoventilation, V-Q mismatch ，而危急其基本維持排除 CO2 及提供 O2 的功能。

一些對正常睡眠影響的因子 Gender

Age

•MV, VT, and RR (male = female) •Upper airway resistance↑, SaO2 during NREM and REM↓(male > female) •Older subjects: sleep instability ↑ →breathing instability ↑(periodic breathing) •MV, VT, and RR 並無顯著差異

Pregnancy

•FRC, RV, CO ↓ •Hypopnea and apnea 較少 (respiratory stimulatory effects of progestrone)

Drugs

•Alcohol: Apnea ↑, hypopnea ↑ ,SaO2 ↓(man, but not women) → 惡化 obstructive sleep apnea (depressive effects on upper airway) •Benzodiazepine: Depressive respiratory effects 可能和 upper airway muscle tone↓ 及抑制清醒有關

其他 – 腸胃系統 • 睡眠時，腸蠕動及分泌的功能都降低。 • 胃酸分泌具有 circadian rhythm ，在有十二 指腸潰瘍的人發現 10:00PM to 2:00AM 是 分泌的高峰，與睡眠的 stage 無關。 • 食道方面，吞厭及蠕動功能降低，排除時 間增加，所以容易產生胃酸逆流性食道炎 。 • 唾液分泌也減少。

其他 – 內分泌系統 • 生長激素：與深睡期有關，但仍有一些非睡眠相 關的調控機制。在 OSA 、 narcolepsy 、 schizophrenia 、 alcoholis m 、 depression 、 cushing’s syndrome 等患者 會減少。在甲狀腺功能抗進的人會增加，但治療 後會改善。 • ACTH and cortisol ：睡眠會抑制它們的分泌，在 剛睡著沒多久會降到最低，但是在要醒來時 (4:00 to 8:00 AM) 會回到最高。但是白天的小睡 並不會抑制 cortisol 的量。

其他 – 內分泌系統 • Prolactin ：在睡眠後 60-90 分鐘開始升高 ，在 5:00-7:00am 到達高峰，清醒後降低。 after sleep onset. Peak at 5:00 to 7:00 AM • Gonadotropic Hormone （性賀爾蒙）：與 睡眠無關。 • Thyroid-stimulating hormone ：白天最低， 傍晚開始上升，在睡著後一小段時間達最 高，之後被睡眠抑制而下降。

睡眠疾病的分類

OSA 如 narcolepsy or 腦部病變造成的嗜睡 如磨牙， sleep talking RLM, RLS