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(번역) 수면이 필수적인 이유

2013년 매사추세츠 주 보스턴에 있는 하버드 의과대학의 실험실에서 신경생물학자 드래가나 로굴야가 수면을 연구하기 시작했을 때, 그녀는 자신의 실험이 수면이 신체에 미치는 영향에 대해 어떤 결과를 가져올지 전혀 몰랐습니다. 그녀는 많은 사람들처럼 수면이 주로 뇌의 기능이라고 생각하지 않았습니다. 이제 막 실험을 시작한 그녀는 동물이 수면 부족에 걸리면 죽을 때까지 얼마나 걸릴까, 그리고 죽으면 구체적인 원인은 무엇일까라는 질문을 던지기로 결심했습니다.

그녀는 이러한 질문에 답하는 데 몇 년이 걸릴 것이라고 예상했습니다. 하지만 6개월 만에 로굴자의 박사후 조교인 알렉산드라 바카로가 흥미로운 단서를 발견했습니다.

"수명을 조사하기 시작한 결과 수면이 부족한 동물이 죽기 시작하는 순간이 거의 항상 같다는 것을 알게 되었습니다."라고 Rogulja는 말합니다. "매일 밤 수면의 약 90%를 잃으면 약 10일 이내에 죽기 시작했습니다." 이 연구는 파리와 생쥐를 대상으로 한 것이지만 인간을 포함한 다른 동물에 대한 시사점은 흥미로웠습니다.

성인은 일생 중 평균 20년 이상을 잠을 자는 데 보내며, 충분한 수면을 취하지 못하면 그 결과는 분명히 해롭습니다. 하지만 놀랍게도 수면이 왜 필요한지에 대해서는 알려진 바가 거의 없습니다. 그 이유는 부분적으로는 지난 수십 년 동안에야 과학자들이 수면의 근본적인 생물학적 기능을 이해하는 데 도움이 되는 도구를 사용할 수 있게 되었기 때문입니다. 여기에는 특정 뉴런에 레이저 광선을 조사하여 사람을 깨우거나 깊은 잠에 빠지게 하는 광유전학, 수면 중에 발생하는 뇌 심부 신경 진동을 볼 수 있는 방법으로 지난 5년 동안 등장한 집속 초음파가 포함됩니다.

이러한 도구의 도움으로 연구자들은 수면이 우리의 뇌와 신체가 낮 동안의 고된 활동에서 벗어나 휴식을 취하는 것 이상의 역할을 한다는 사실을 이해하기 시작했습니다. 수면 중에는 유전자, 신진대사, 호르몬의 활동이 활발해지거나 느려짐으로써 조절됩니다.

항상성 찾기

뇌의 가장 중요한 기능은 무엇일까요? 의사소통, 음식 찾기, 포식자 피하기와 같은 특정 작업을 꼽고 싶을 수도 있습니다. 하지만 뇌의 세포 기계가 안정적으로 작동하지 않는다면 이러한 역할 중 어느 것도 불가능합니다. 실제로 미주리주 세인트루이스에 있는 워싱턴 대학교의 신경과학자 키스 헨겐은 수면의 주된 목적이 바로 이러한 신뢰성을 유지하는 것이라고 말합니다.

"이것은 오래 전에 저에게 전구 같은 것이었습니다."라고 Hengen은 말합니다. 머신 러닝의 관점에서 보면, "딥러닝 네트워크가 있는데 계속 학습을 시키면 치명적인 건망증이 나타나서 바퀴가 빠지고 작동이 멈추게 됩니다. 결국 실패하게 됩니다."

생물학에서는 주로 수면 중에 발생하는 '임계점'으로 재설정함으로써 이러한 뇌 과부하 문제를 해결했습니다. 낮 동안 뇌는 학습, 움직임 조정, 얼굴 인식 등 해야 할 많은 일들로 인해 소모됩니다. 이러한 작업은 모두 뇌의 연결을 변화시켜 학습을 위해 설정된 플랫폼을 근본적으로 약화시킵니다. 헨겐은 수면이 뇌를 리셋할 수 있게 해준다고 주장합니다. 이 가설에 따르면, 항상성이라는 일반적인 생물학적 과정을 통해 일어나는 이 회복은 뇌가 정보 처리 잠재력을 극대화할 수 있는 '설정점'입니다.

헨겐은 항상성을 가정 난방 시스템의 익숙한 작동 원리와 비교합니다. 실내 온도가 설정점 아래로 떨어지면 히터가 작동하여 환경을 원하는 수준의 따뜻함으로 회복시킵니다.

마찬가지로 뇌가 임계점에서 멀어지면 사람은 더 피곤함을 느끼고 재설정을 위해 잠을 자야 합니다. 뇌가 임계점에 가까울수록 일을 하고 학습할 수 있는 능력이 충분하기 때문에 깨어 있을 가능성이 높아집니다.

수면에는 하루 동안의 자극과 정보의 맹공격 이후 뇌가 리셋하는 데 도움이 되는 몇 가지 메커니즘이 있습니다. 2024년에 발표된 연구에 따르면, 수면 중에는 해마의 일부가 침묵을 유지하면서 다음 날 다시 사용할 뉴런을 준비한다고 합니다. 그리고 2017년 연구에 따르면 쥐의 뇌에서 수면은 낮 동안 성장하고 수면 중에는 축소되는 시냅스라는 뉴런 간 접합부의 균형을 회복시키는 것으로 나타났습니다.

로굴자 연구팀은 수면이 실제로 항상성에 중요하다는 사실을 확인했지만, 수면이 일어나는 기관은 뇌가 아니라는 사실을 확인했습니다.

이전에 수면 부족과 노화를 연구했던 바카로는 파리의 수면 부족과 죽음에 이르는 열흘간의 타임라인을 확인한 후, 이 곤충에서 노화의 마커를 찾기 시작했습니다. 그녀와 동료들은 파리가 죽기 시작할 때 내장의 활성산소종(ROS) 농도가 가장 높다는 사실을 발견했습니다. 소량의 활성산소는 신체의 면역 반응을 조절하고 세포가 병원균을 방어하는 데 도움이 되는 유익한 물질입니다. 그러나 수면이 없으면 이러한 분자는 독성 수준까지 축적됩니다.

"우리는 몸 전체의 조직을 살펴봤습니다."라고 바카로는 말합니다. "뇌를 살펴봤지만 아무것도 보이지 않았습니다. 파리가 죽기 시작했을 때 가장 많은 손상을 보인 조직은 장이었습니다."

생쥐에서도 마찬가지였습니다. 쥐에게 수면을 박탈했다가 짧은 시간 동안 수면을 취하게 한 결과, 그 기간 동안 지방 섭취를 위한 유전자 발현이 중단되었습니다. 미토콘드리아라는 세포 소기관은 이러한 영양소 결핍을 감지하고 세포 효소에 신호를 보내 흡수가 더 잘되는 장내 세포의 증식을 자극하는 ROS를 생성한다고 로굴자는 말합니다. 하루 동안 쥐의 수면을 제한한 결과, 로굴자는 동물의 장에서 순환되지 않던 지방이 순환되는 것을 볼 수 있었습니다. 5일 후, 쥐의 몸에는 영양분이 부족했지만 내장은 지방으로 가득 차 있었습니다.

쥐의 경우 대부분의 유전자는 동물이 깨어 있는 동안에는 상향 조절되고 수면 중에는 하향 조절되는 것으로 보입니다. 수면 부족 기간 동안 상향 조절되는 유전자는 에너지 대사, 호르몬 수용 및 단백질 합성과 같은 기능을 담당합니다. 2023년 브라질의 연구자들은 수면이 부족한 초파리에서 신진대사, 포도당, 중성지방 및 호르몬 도파민 수치에 영향을 미치는 유전자가 주로 과발현되는 것을 발견했습니다.

세뇌 효과

수십 년 동안 수면의 주된 목적은 뇌 건강을 유지하는 것으로 여겨져 왔습니다. 이 이론에 따르면 아기와 청소년이 장시간 수면을 취하는 이유는 이 시기에 두뇌 발달이 활발하게 일어나기 때문입니다.

하지만 중요한 것은 수면 시간만이 아닙니다. 수면의 질, 특히 깊은 수면의 양은 기억력 통합을 크게 향상시킬 수 있습니다. 그리고 연구자들은 헤드셋을 통해 잠자는 사람에게 부드러운 펄스의 '핑크 노이즈' 형태의 음향 자극을 전달함으로써 인위적으로 깊은 수면, 즉 서파 수면을 늘릴 수 있는 방법을 발견했습니다. 사운드 스펙트럼의 동일한 부분을 포함하는 익숙한 백색 소음과 달리 핑크 노이즈에는 고주파보다 저주파 사운드가 더 많이 포함되어 있습니다.

소규모 연구에서 참가자의 절반은 핑크 노이즈 음향 자극을 받았고 나머지 절반은 대조군으로 다른 소리 패턴을 재생하는 헤드셋을 착용했습니다. 연구진은 뇌파를 통해 뇌 활동을 모니터링한 결과 핑크 노이즈를 받은 참가자의 서파 활동이 증가했다는 사실을 발견했습니다. 중요한 것은 다음 날 기억력도 증가했다는 점입니다.

일리노이주 시카고에 있는 파인버그 의과대학의 신경과 전문의이자 수면 의학 전문가인 필리스 지는 "낮 동안 단어 쌍을 기억하도록 한 다음 잠을 잤습니다."라고 공동 저자인 필리스 지(Phyllis Zee)는 말합니다. 전반적으로 핑크 노이즈 자극을 받은 사람들은 대조음을 들은 사람들보다 기억력 테스트에서 거의 30% 더 나은 성적을 보였다고 Zee는 말합니다.

수면은 기억이 뿌리내리는 데 도움이 될 뿐만 아니라 뇌에서 불필요한 것들을 제거하는 데도 도움이 되는 것으로 알려져 있습니다. 뉴욕 로체스터 대학교의 신경과학자 마이켄 네더가드는 이러한 청소가 어떻게 일어나는지에 대한 이론을 가지고 있습니다.

2013년에 네더가드와 그녀의 동료들은 수면의 이점 중 하나가 뇌에서 신경 독소를 제거하는 것일 수 있다고 보고했습니다. 뇌의 글리프 시스템은 네더가드가 세포벽을 만드는 뇌혈관을 둘러싼 "도넛 모양의 터널"이라고 설명하는 구조로 이루어져 있습니다. 이 터널에서 뇌척수액은 간질액과 함께 흐르며 알츠하이머병에 관여하는 것으로 알려진 아밀로이드-β와 타우를 포함한 단백질을 제거합니다.

"우리가 보여준 것은 심장이 뛸 때마다 동맥이 확장되어 혈관벽을 움직이고 뇌로 체액을 공급한다는 것입니다."라고 그녀는 말합니다. "이것은 매우 아름다운 생물학적 시스템입니다." 이 논문에서는 쥐가 잠을 잘 때 간질 공간이 약 60% 증가한다고 보고했습니다. 이는 뇌척수액과 간질액의 교환량과 아밀로이드-β의 제거 속도를 크게 증가시켰습니다.

이 발견을 계기로 네더가드와 그녀의 동료들은 체액 제거의 원인을 찾기 시작했습니다. 네더가드는 심장이 한 가지 방법이지만, 체액 제거율보다 체액 이동을 설명할 가능성이 더 높다고 말합니다. 2월9일, 그녀와 동료들은 혈관 수축을 유도하는 노르에피네프린이 "동맥의 자발적이고 리드미컬한 수축과 확장"을 통해 체액 제거를 촉진하는 주요 촉진제라고 보고했습니다. 그리고 뇌에서 노르에피네프린 수치의 규칙적인 진동은 깊은 서파 수면 중에 발생합니다.

네더가드는 "수면은 우리 뇌가 단순히 쉬는 것이 아니라 모든 집안일을 하는 시간입니다."라고 말합니다. "신경교세포는 뇌가 조용할 때 들어와서 깨어 있을 때 다른 기관이 하는 일을 하는 청소부 역할을 합니다. 이는 아마도 깨어 있을 때와는 양립할 수 없는 뇌의 기능일 것입니다."

수면 중 단백질 제거에 대한 네더가드의 이론은 특히 수면과 알츠하이머병 사이의 연관성 때문에 최근 불완전한 설명으로 논란이 되고 있습니다. 임페리얼 칼리지 런던의 생물물리학자 닉 프랭크스는 이 이론에 대한 가장 두드러진 도전을 제기했습니다. 2024년 5월, 프랭크스와 그의 동료들은 형광 추적기를 사용하여 수면 중에 실제로 뇌 청소율이 감소한다는 것을 보여주었습니다.

네더가드는 수면 중에 일어나는 일에 대한 그녀의 버전을 옹호합니다. 그녀는 프랭크가 "뇌 클리어런스를 뇌의 한 위치에서 다른 위치로 추적자가 이동하는 것으로 잘못 정의하고 있다"고 주장합니다. 이와는 대조적으로, 뇌 클리어런스의 올바른 정의는 추적자가 뇌에서 완전히 빠져나가야 한다는 것입니다. 이는 부엌에서 침실로 쓰레기를 옮긴 후 집이 깨끗해졌다고 말하는 것과 비슷합니다."

프랭크스는 이러한 정의에 이의를 제기하며 자신의 연구 결과가 네더가드의 연구 결과와 정면으로 모순된다고 주장합니다. "우리는 뇌에 주입된 추적자가 깨어 있을 때보다 수면 중에 더 높은 농도로 유지되는 것을 보여주었습니다. 즉, 더 적게 제거되었습니다."라고 그는 말하며 자신의 데이터가 "수면 중 청소에 대한 그녀의 결론과 일치할 수 없다"고 덧붙입니다.

게다가 네더가드는 정리 능력에 대한 자신의 생각이 사람들이 잠을 자는 이유에 대한 잘 정립된 이론, 즉 시냅스 항상성 가설과 일치한다고 말합니다. 이 가설은 본질적으로 수면은 동물이 뇌 가소성을 위해 지불하는 대가라고 말합니다. 낮 동안 뇌는 에너지를 소비하고 소음과 기타 자극을 받아들이며 학습에 시간을 소비합니다. 수면 중에는 뇌 활동이 감소하고 세포가 회복됩니다.

신체에 좋은 작용을 합니다

수면을 중추신경계의 기능으로 보는 것은 직관적입니다. 하지만 중추신경계가 없는 생물도 수면과 유사한 행동을 보이기 때문에 꼭 그렇지만은 않습니다.

2020년, 연구자들은 뇌가 없는 담수 폴립인 히드라도 밤이 되면 나른한 상태에 들어간다는 사실을 발견했습니다. 이 생물도 수면 항상성이 필요하며, 수면이 부족한 다음 날에는 더 오래 쉬는 것으로 나타났습니다.

수면의 기능이 중추 신경계를 넘어선다는 다른 증거도 있습니다. 예를 들어 수면은 특정 호르몬의 분비를 촉진합니다. 이 과정은 심혈관 질환과 일부 암의 위험을 낮추는 등 다양한 생리적 효과를 가져옵니다. 불충분한 수면은 코티솔과 성장 호르몬을 포함한 유익한 호르몬의 생성을 늦출 수 있습니다. 그리고 멜라토닌 호르몬은 유방암 세포의 증식, 생존, 확산 및 약물에 대한 내성 발현을 억제할 수 있습니다.

서파 수면의 영향에 대한 Zee와 그녀의 동료들의 연구에 따르면 핑크색 소음을 들은 사람들은 아침 코르티솔 수치가 낮아지고 부교감신경 활동이 개선되어 심박수가 느려지고 혈압이 낮아지는 것으로 나타났습니다. 수면 중 부교감신경 활동은 심혈관계에 절실히 필요한 휴식을 제공합니다. "숙면을 취하지 못하면 심박수와 혈압이 상승하고 심혈관 질환에 걸릴 위험이 커진다는 것은 이미 잘 알려진 사실입니다."라고 Zee는 말합니다.

수많은 연구에도 불구하고 수면이 생존에 필요한 이유에 대한 합의는 아직 이루어지지 않았습니다. 하지만 이 기본적인 신체적 과정을 충분히 취하지 못했을 때의 결과는 계속해서 답을 찾는 것이 중요하다는 것을 증명합니다.