잠 잘때 뇌는 무슨 일을 하고 있을까?

‘조와여의 뇌 마음건강’ 유튜브 채널과 함께하는 뇌 이야기

브레인 89호
2021년 09월 23일 (목) 13:50
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평소에 잠을 잘 주무시나요?

우리는 평균 하루에 3분의 1을 잔다. 수면은 우리 건강에 많은 영향을 미치고 있으며 일상생활에도 많은 영향을 끼치고 있다.

개개인마다 건강 상태와 환경이 모두 다르기 때문에 사람마다 필요한 수면 시간은 차이가 있지만 일반적으로는 성인 7~8시간, 어린이 9~10시간으로 알려져 있다.
 

▲ 조와여의 뇌 마음건강 유튜브 채널 '잠 잘때 뇌는 무슨 일을 할까?!' 편 

이렇게 긴 시간 뇌는 무엇을 할까?

잠을 단순히 의식이 사라진 상태라고 보아서는 곤란하다. 잠을 잘 때, 특히 렘수면 (Rapid Eye Movement : REM수면) 상태에서는 적극적인 두뇌활동이 이루어지기 때문이다. 잠을 자는 동안 뇌는 외부 자극을 크게 받지 않아 뇌는 가장 유용한 기억만을 유지하고 모든 기억들을 평가할 수 있는 상태가 된다.

수면은 새로 습득한 기억의 재활성화와 통합에 도움이 된다. 하지만, 우리의 뇌가 어떻게 수면 중에 재처리 될 주목할 만한 정보를 선택하는지 어떤 과정으로 처리되는지 대부분 알려지지 않았다.

▲ 잠을 자는 동안 뇌는 외부 자극을 크게 받지 않아 뇌는 가장 유용한 기억만을 유지하고 모든 기억들을 평가할 수 있는 상태가 된다. 

잠자는 뇌는 어떤 생각을 할까?

최근 스위스 제네바대의 과학자들은 잠들어 있을 때 어떤 생각을 하는지 확인하는 연구를 진행했다. 연구팀은 보상되지 않은 것에 비해 보상된 이벤트의 신경 표현이 수면 중 재활성화에 우선하는지 여부를 테스트했다.

연구팀은 지원자들에게 오후 6시경, 전날 밤 수면의 질을 평가하는 수면 설문지(St. Mary's Hospital Sleep Questionnaire)를 작성, 사전교육을 진행 후 오후 8시 경 MRI 스캐너 내부에서  'Guess Who?(24명 중 각자 한명을 고른 후, 서로 번갈아가며 질문을 하며 그 고른 사람을 맞추는 2인용 보드게임)'와 비슷한 얼굴 인식 게임과 출구를 찾아야 하는 3D 미로 등 두 가지 비디오 게임을 하도록 했다. 이 때 각성, 주의력 및 불안 상태는 10점 시각적 아날로그 척도(VAS, Karolinska Sleepiness Scale for vigilance)를 사용하여 평가했다.
 

▲ 'Guess Who'와 비슷한 얼굴 인식 게임과 출구를 찾아야 하는 3D 미로 등 두 가지 비디오 게임 동안 .현 상태를 EEG-fMRI로 기록했다. (사진출처 : Nature Communications)  

이 게임들은 매우 다른 뇌 영역을 활성화하고 따라서 MRI 영상에서 구별하기가 더 쉽기 때문에 선택되었다. 또한, 두 게임 중 한 게임만 이길 수 있도록 지원자 몰래 사전에 조작하여 뇌가 게임에서 이긴 것을 긍정적인 감정과 연관 짓도록 하였다.

그리고 나서, 지원자들은 수면 주기의 길이인 한두 시간 동안 MRI에서 잠을 잤고 그들의 뇌 활동을 다시 기록했다. 연구팀은 수면 상태를 측정하는 뇌전도(EEG)와 2초마다 뇌 활동을 촬영하는 기능적 자기공명영상(MRI)을 결합한 뒤 놀이 기간 동안 관찰된 뇌 활동이 수면 중에 자연스레 다시 나타났는지 여부를 뇌 해독 방식을 이용하여 판단했다.

뇌를 관찰한 본 결과, 깨어 있는 동안 관찰된 뇌 활동의 패턴이 저파수면 동안 자연적으로 다시 나타났다. 잠에서 깨는 단계와 잠자는 단계의 MRI 스캔을 비교해 본 결과, 숙면 시 뇌 활성화 패턴이 게임 단계에서 기록된 것과 매우 유사하다는 것을 발견했다.

그리고 깨어 있는 동안 사용된 부위를 다시 활성화함으로써 게임에서 이긴 것이지 진 것이 아니라는 것을 두뇌는 분명히 알고 있었다. 잠을 자자 마자 두 게임에 대해 다시 생각하기 시작했고, 깊은 잠에 빠졌을 때 이긴 게임에 대해 생각하는 것을 연구팀은 확인했다.

이틀 후, 지원자들에게 게임의 모든 얼굴을 인식하고 미로의 시작점을 찾는 메모리 테스트를 실시했다. 여기서도 게임과 관련된 뇌 영역이 수면 중에 활성화될수록 기억력이 향상되었다. 보상과 관련된 기억은 수면 중에 자발적으로 재활성화될 때 더 높았다. 잠을 잘 때도 뇌는 보상을 좋아한다는 것을 알 수 있었다.

낮에 처리되는 수천 개의 정보를 분류하는 작업이 숙면 시간에 이루어진다는 것도 알 수 있었다. 숙면 중에 해마는 대뇌 피질에게 낮 동안 저장된 정보를 되돌려 보낸다. 정보와 사건들을 재현함으로써 기억의 통합을 가능하게 하고 뉴런들 사이의 연결을 강화시킨다. 이 연구는 '네이처 커뮤니케이션' 저널에 실렸습니다.[1]

수면, 뇌의 독소를 치료하는 시간이라고?! 

수면은 우리 건강에 많은 영향을 미치고 있으며 일상생활에도 많은 영향을 끼치고 있다. 개개인마다 건강 상태와 환경이 모두 다르기 때문에 사람마다 필요한 수면시간은 차이가 있다.

일반적으로는 성인 7~8시간, 어린이 9~10시간으로 알려져 있다.수면은 신체 회복, 에너지 보존, 감정 조절, 면역 등의 역할을 하고 있으며 수면이 부족한 경우 피곤하거나 졸림 현상이 생긴다. 이 때 기억력과 집중력이 감소할 수 있다.

수면을 취하는 동안 뇌세포들 사이사이에 공간이 넓어지게 되고 그 공간을 통해 낮 동안에 쌓인 독소가 제거될 수 있다는 연구결과가 있었다. 우리가 자는 동안 뇌는 많은 일을 하고 있다. 뇌척수액(뇌와 척추를 에워싸는 맑은 액체)에는 단백질로 구성된 각종 노폐물들이 쌓여있는데 이 노폐물들을 제거하는 일은 우리가 자는 동안 하고 있다.
 

▲ 숙면 중에 해마는 대뇌 피질에게 낮 동안 저장된 정보를 되돌려 보낸다. 정보와 사건들을 재현함으로써 기억의 통합을 가능하게 하고 뉴런들 사이의 연결을 강화시킨다. 

2012년 뇌 속에 글림프 시스템(glymphatic system)이라는 불리는 뇌의 노폐물을 제거하는 세척 메커니즘이 있다는 점이 발견되었다. 2013년에는 글림프 시스템이 non-REM 수면(깊은 수면)을 할 때 활발해진다는 게 발견됐고, 글림프 시스템에 의해 청소되는 용질 속에 뭐가 들어있는지는 아직 분석되지 않았었다. 2015년 네이처지에 발표된 연구에 따르면, 글림프 시스템(세척 메커니즘)에 의해 제거되는 노폐물이 '베타 아밀로이드'와 '타우' 단백질이라는 것이 밝혀졌다.[2]

이 두 가지 단백질은 수용성 단백질인데, 덩어리로 뭉치는 성질을 가지고 있어서 적기에 밖으로 배출되지 않게 되면 뇌세포에 엉겨 붙게 되고 뇌세포를 죽이게 된다.

뇌세포에 남아 있으면 치매를 유발하는 것으로 잘 알려진 물질이다. 아직 치매의 발병 원인이 정확히 밝혀진 것은 아니지만, 베타 아밀로이드와 타우 단백질이 쌓여 신경독성을 유발해 뇌세포를 손상하는 게 원인이라는 주장이 정설로 여겨지고 있다.

[1]Reward biases spontaneous neural reactivation during sleep.(Virginie Sterpenich)Nature Communications volume 12, Article number: 4162 (2021)
https://www.nature.com/articles/s41467-021-24357-5
[2]The Glymphatic System – A Beginner's Guide. Nadia Aalling Jessen,1 Anne Sofie Finmann Munk,1 Iben Lundgaard,1 and Maiken Nedergaard. Neurochemical Research volume 40, pages2583–2599 (2015) https://link.springer.com/article/10.1007/s11064-015-1581-6

글. 조용환 유튜브채널 ‘조와여의 뇌 마음건강’ 운영자
재미있는 뇌이야기 및 마음건강트레이닝을 소개하는 ‘조와여의 뇌 마음건강’ 유튜브 채널을 직접 운영하고 있는 유튜버이기도 하다. 국가공인 브레인트레이너.

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