우리가 자는 동안 뇌에서 일어나는 일은 무엇일까요?

자는 동안 뇌에서 일어나는 일

오늘은 우리가 자는 동안 뇌에서 일어나는 일은 무엇인지 알아볼까 합니다. 우리가 눈을 뜨고 있는 동안, 활동을 하거나 식사를 하거나 혹은 휴식을 하고 있는 것과 같은 시간에 있어서의 뇌의 연구는 상당히 진행이 되고 있지만, 반대로 눈을 감고 자고 있을 때는 뇌에서 어떤 일들이 일어날지 궁금해 집니다. 우리가 깊은 잠에 빠졌을 때 뇌에서는 어떤 일들이 일어날까요? 수면의 여러 단계는 무엇이며 학습 및 기억 형성에서 어떤 역할을 합니까? 불안과 고통은 느낄 수 있을까요? 의식하지 않는 수면 중에도 뉴런과 신경전달물질도 역할을 할까요?

 

 

우리는 인간의 뇌가 잠들었을 때의 복잡한 작용을 설명하는 데 도움이 되는 신경과학적 증거를 정리합니다. 과학자들은 일반적으로 우리가 매일 밤 여러번 순환하는 네 단계의 수면이 있다는 데 동의합니다. 처음 세 개는 소위 비렘 수면(non-rapid eye movement sleep, non-REMs)을 형성하고 네 번째는 꿈이 일어나는 렘수면(rapid eye movement sleep, REMs)입니다.

 

첫 번째 비렘 단계에서는 신체와 뇌가 각성 상태에서 수면 상태로 전환됩니다. 뇌는 뇌파의 활동적이고 각성 패턴에서 더 느린 리듬으로 전기적 진동을 변화시킵니다. 몸 전체의 근육 긴장이 이완됩니다. 이것은 우리가 수면에 들어갈 때 우리 몸이 경련을 일으킬 수 있는 단계입니다.

두 번째 비렘 단계는 체온이 떨어지고 심장 박동과 호흡이 느려지고 뇌파가 더 느려집니다. 뇌의 짧은 전기 활동이 여전히 이 수면 단계의 특징 일 수 있습니다.

비렘 수면의 세 번째 단계는 깊은 수면 단계로, 우리 몸은 상쾌하고 회복된 느낌으로 깨어나야 합니다. 이 단계에서는 심박수, 호흡 및 뇌 활동이 모두 최저점으로 떨어집니다.

꿈으로 가득찬 얕은 수면 단계인 렘(REM)은 네 번째이자 마지막 단계입니다. 신경 질환 및 뇌졸중의 국립 연구소(NINDS)에 따르면, 렘은 잠들기 후 90 분에 대해 발생합니다. 렘 수면은 처음에 대략 10분 동안 지속되며 각 렘 주기에 따라 증가합니다. 눈이 닫힌 눈꺼풀 뒤에서 문자 그대로 빠르게 움직이기 때문에 빠른 안구 운동이라(REM) 합니다.

렘 동안 호흡은 더 빠르고 불규칙해지고, 심박수와 혈압은 거의 깨어있는 수준으로 증가합니다. 렘 수면에 대한 흥미로운 사실은 사람들이 나이가 들어감에 따라 점점 더 적게 경험한다는 것입니다.

 

일주기리듬과 수면 조절 뉴런

수면을 조절하는 두가지 주요 요소 중 하나는 일주기리듬( circadian rhythm )이라고 하는 ‘일일주기를 따르는 신체적, 정신적, 행동적 변화’ 의 전체입니다. ‘일주기’ 라는 용어는 ‘주변’을 의미하는 라틴어 circa 에서 유래되었으며 ‘일’을 의미하는 dies 를 의미합니다.

일주기 리듬은 명암주기에 반응하며, 적어도 부분적으로는 유전적으로 미리 결정되며 인체의 모든 조직과 기관의 세포 내에서 상호 작용하는 단백질인 이른바 생물학적 시계에 의해 결정됩니다.

시교차상핵(suprachiasmatic nucleus), 약 2만의 뉴런, 또는 신경세포 그룹에 의해 형성되는 뇌의 구조는 모든 생물학적 시계를 조정합니다.

두번째로, 수면-각성 항상성(sleep-wake homeostasis)은 사람의 수면 필요성을 추적하고 졸릴 때 지시합니다. 소위 항상성 수면 욕구(homeostatic sleep drive)는 사람이 깨어있는 시간에 따라 증가합니다. 뇌 활동과 뉴런 간의 연결에 대한 가시적인 영향은 잘 기록되어 있습니다.

 

수면, 기억 및 학습 : 렘 수면/비렘 수면

많은 연구의 초점이 된 또 다른 영역은 수면과 학습 또는 기억 형성 간의 관계입니다. 과학자들은 수면이 학습에 중요하다는 것을 확실히 알고 있습니다. 하지만 어떤 단계의 수면이 더 중요할까요? 학습은 가벼운 렘 수면 단계 또는 깊은 비렘 수면 단계에서 발생합니까?

다른 뇌 영역의 뉴런은 학습 및 기억 통합을 촉진하기 위해 수면 단계에서 어떻게 조정합니까?

 

수면은 두뇌가 학습하고 유연성을 유지하도록 도와줍니다.

첫 번째 연구에서 실험자들은 새로운 움직임을 배우도록 요청한 후 연구 참가자의 깊은 비렘 수면 단계를 조작했습니다. 과학자들은 연구 전반에 걸쳐 참가자의 뇌 활동, 특히 운동 피질을 모니터링했습니다.

스위스에 기반을 둔 과학자들이 이끄는 팀은 불안한 깊은 수면으로 인해 학습 효율성이 눈에 띄게 감소한다는 것을 발견했습니다. 연구자들은 그들의 결과가 뇌의 시냅스와 학습에서의 역할에 달려 있다고 설명했습니다.

시냅스(Synapse)는 뇌 화학 물질 또는 신경전달물질(neurotransmitters)과 함께 하나의 뉴런에서 다른 뉴런으로 전기 자극을 전달하는 것을 촉진하는 뉴런 간의 미세한 연결입니다.

낮에는 뇌가 환경으로부터 받는 자극에 반응하여 시냅스가 켜집니다. 그러나 수면 중에 이러한 시냅스의 활동은 정상으로 돌아갑니다. 이 회복 기간이 없으면 그들은 너무 오랫동안 피크 활동에 흥분합니다. 이것은 뇌의 신경가소성(brain’s neuroplasticity)을 방해합니다. 즉, 스스로를 다시 연결하고 뉴런 사이에 새로운 연결을 만드는 능력을 방해합니다.

신경가소성(neuroplasticity)은 뇌가 새로운 기술을 ‘습득’ 하고 환경 자극에 적응하고 변화하며 궁극적으로 새로운 것을 배울 수 있도록 합니다.

독일의 한 연구에는 강하게 흥분된 뇌 영역에서 학습 효율이 포화되었고, 더 이상 변경할 수 없었기 때문에 운동 기술 학습을 방해했다고 합니다. 이것은 수면의 깊은 단계와 학습 효율성 사이의 인과 관계를 보여준 최초의 연구였습니다.

연구 공동 저자는, 뇌의 특정 부분에서 수면 깊이를 줄일 수 있는 방법을 개발하여 깊은 수면과 학습 효율성 사이의 인과 관계를 증명했습니다.

 

수면은 또한 우리가 배우지 못하도록 도와줍니다

두 번째 연구는 다양한 수면 단계를 살펴 보았습니다. 그러나 이 연구에 따르면 수면은 뇌가 새로운 것을 배울 수 있을 뿐만 아니라 학습을 잊게 할 수도 있습니다.

원래 2017년 연구에는 청각 학습 과제가 포함되었습니다. 연구자들은 참가자들이 잠들고 깨어있는 동안 사운드 시퀀스를 재생했습니다. 그들은 뇌전도 (EEG, electroencephalogram)를 사용하여 자원 봉사자의 뇌 전기 활동을 모니터링했습니다.

뇌전도(EEG, electroencephalogram)는 또한 수면중인 뇌가 새로운 소리를 습득했을 때 발생하는 수면 방추(Sleep spindle)들을 포착했습니다. 수면 방추(Sleep spindle)들은 이전 연구가 학습 및 기억 강화와 관련한 진동 뇌 활동의 급증입니다.

각 수면 세션 후 실험자들은 참가자들에게 사운드 시퀀스를 다시 듣고 인식하도록 요청했습니다. 그들은 테스트를 통해 학습 성과를 평가했습니다. 뇌전도(EEG) 판독 값을 사용하여 과학자들은 렘 수면, 가벼운 비렘 수면 및 깊은 비렘 수면의 세 가지 수면 단계를 조사했습니다.

렘 수면 또는 가벼운 비렘 수면 중에 소리에 노출되었을 때 참가자는 깨어있을 때 소리를 더 잘 인식했습니다. 그러나 깊은 비렘 수면 중에 새로운 소리에 노출되면 깨어있는 동안 소리 순서를 인식하는 데 더 어려움을 겪었습니다. 또한 학습의 뇌전도(EEG) 마커는 가벼운(비렘) 수면에서 쉽게 관찰되었지만 깊은 (비렘) 수면에서는 현저하게 부족했습니다.

더욱이 중요한 것은 참가자들이 연구자들이 깊은 비렘 수면에서 연주한 소리를 인식하는 것이 어려웠을 뿐만 아니라 전체적으로 새로운 소리와 비교했을 때 이러한 소리를 완전히 학습하는 것보다 (재)학습하는 것이 더 어렵다는 것을 발견했습니다.

연구 결과에 따르면 깊은 비렘 수면은 새로운 것을 배우기 보다는 정보를 억제하는 것 입니다.

가장 놀라운 것은 학습을 잊는 두뇌의 능력입니다. 따라서 수면 중에 우리는 새로운 기억을 형성하거나 배우거나 그 반대로 할 수 있는 것 같습니다. 기억을 억제하고 배우지 않는 것입니다. 또한 깊은 수면이 신경 가소성을 유지하는 데 도움이 된다는 증거를 추가합니다.

특히, 가벼운 비렘 수면(2단계)은 시냅스를 자극하는 데 도움이 될 수 있는 반면, 깊은 비렘 수면은 긴장을 풀거나 ‘저감’ 하는 데 도움이 될 수 있습니다. 연구자들은 가벼운(비렘) 수면과 깊은(비렘) 수면 사이의 이러한 대조는 신경 가소성과 관련하여 이 두 수면 단계 간의 질적 차이와 일치합니다.

이 관점에 따르면, 가벼운(비렘) 수면은 시냅스 강화를 선호하는 반면 깊은(비렘) 수면은 시냅스 축소를 선호합니다.

우리는 수면 중에 제공되는 정보의 억제 효과에 대한 기능적 역할을 제안하지 않습니다. 오히려 항상성 목적에 필요한 시냅스 축소의 불가피한 부산물인 것 같습니다.

즉, 잊음은 신경 가소성을 보존하는 자연스러운 부산물이기 때문에 깊은 수면은 우리가 잊거나 잊어 버리는 데 도움이 될 수 있습니다. 망각은 우리의 학습 능력의 부산물입니다.

 

수면 이론 통합

위의 연구자들은 또한 이전에 모순되었던 두 가지 사고를 통합하는 데 도움이 되기 때문에 그들의 연구 결과가 중요하다고 설명했습니다.

수면의 주요 기능은 새로운 정보를 배우고 통합하는 것으로 생각합니다. 다른 하나는 뇌를 압도하지 않도록 쓸모없는 정보를 버리는 것으로 간주합니다.

과학자들이 수면이 어떻게 작용하는지에 대한 신경 과학적 증거를 점점 더 많이 수집함에 따라, 전반적으로 그러한 구분과 이분법이 수면을 보는 데 가장 유용한 방법이나 수면이 학습에서 갖는 역할이 아니라는 것이 분명해졌습니다.

예를 들어, 지난달에만 발표된 연구에 따르면 렘 수면과 비렘 수면이 함께 작동하여 학습을 촉진합니다. 즉, 비렘 수면은 유연성과 신경 가소성을 회복하여 새로 습득한 기술의 성능을 향상시키는 반면, 렘 수면은 이러한 개선을 안정화하고 새로운 학습이 이를 지워지는 것을 방지합니다.

새로운 연구는 위의 연구가 강조하는 것처럼 보이는 동일한 가설에서 시작되었습니다. 수면은 낮 동안 생성 된 시냅스와 신경 연결을 강화해야합니다. (새로운 지식을 강화하고 새로운 정보로 덮어 쓰는 것을 방지하기 위해) 그러나 유연성과 뇌의 신경가소성을 보존하기 위해 시냅스를 ‘축소’하거나 이완 또는 약화시켜야합니다.

다른 연구팀은 시각적 학습 작업을 포함했습니다. 연구원들은 한 그룹의 참가자에게 두 가지 작업을 할당했습니다. 하나는 수면 전과 하나는 수면 후입니다. 다른 그룹은 학습 과제를 받지 못했습니다.

과학자들은 참가자의 머리와 눈꺼풀에 적용한 MRI 스캐너와 전극을 사용했습니다. 그들은 또한 자기 공명 분광법을 사용하여 신경가소성(또는 시냅스의 유연성) 및 안정화와 관련된 두 가지 뇌 화학 물질을 측정했습니다.

이 연구팀은 비렘 수면 중에 신경가소성이 증가한다는 것을 발견했습니다. 이것은 수면 후 더 나은 학습 및 작업 수행과 관련이 있습니다. 렘 수면 중에 참가자의 신경가소성이 떨어졌고, 이는 배운 내용의 안정화와 관련이 있었습니다.

연구원들은 렘 수면으로 수면 전 학습이 후속 학습에 의해 덮어 쓰여지는 것을 방지하는 데 도움이 된다고 가정합니다. 비렘 수면과는 달리 연구자들은 학습 과제를 가진 자원 봉사자들 사이에서 렘 수면 중에 가소성이 급격히 떨어지는 것을 보였습니다.

신경가소성은 수면 전 학습이 발생했는지 여부에 관계없이 비렘(NREM) 수면 중에 증가했지만, 수면 전 성능에 비해 수면 후 성능 향상과 관련이 있었습니다. 대조적으로, 신경가소성은 렘 수면 중에 감소했지만 수면 전 훈련 후에만 ​​감소했으며, 그 감소는 수면 전 학습의 안정화와 관련이있었습니다.

이러한 결과는 비렘(NREM) 수면이 가소성을 촉진하여 학습과 무관하게 수행 능력을 향상시키는 반면, 렘 수면은 가소성을 감소시켜 학습별 방식으로 학습을 안정화 시킨다는 것을 나타냅니다.

 

꿈을 잊게 만드는 뉴런

수면 중에 학습 과정을 돕거나 방해하는 것은 시냅스뿐만 아니라 뉴런 자체도 마찬가지입니다. 일부 연구자들은 우리가 꿈을 ‘적극적으로 잊는’데 도움이 되는 기억 형성에 중요한 역할을 하는 특정 뉴런을 확인했습니다. 예를 들어 사이언스 저널에 실린 연구에 따르면 이러한 뉴런 중 일부는 기억을 형성하고 학습하는 데 중요한 뇌 영역인 해마에서 발견되었습니다.

일본의 나고야 대학 연구팀은 수면과 식욕을 모두 조절하는 흑색소 응집 호르몬 (MCH, melanin-concentrating hormone) 을 생성하는 이러한 뉴런 중 일부를 실험했습니다. 연구팀은 쥐를 대상으로 실험을 수행했는데, 이 실험은 렘 수면 중에 흑색소응집호르몬(MCH) 생성 뉴런의 특정 그룹이 숙면 후 뇌가 새로운 정보를 기억하는지 여부를 제어합니다.

생쥐에서 이러한 뉴런을 유전적으로 삭제하면 이러한 세포가 ‘뇌가 새롭고 중요하지 않은 정보를 적극적으로 잊는 데 도움이 된다’ 고 제안했습니다. 더욱이 연구 결과는 이 뉴런이 꿈을 잊는 데 있어 갖는 역할을 지적합니다.

연구팀의 수석 저자는 ‘꿈은 주로 흑색소응집호르몬(MCH) 세포가 켜지는 수면 단계인 렘 수면 중에 발생하는 것으로 생각되기 때문에 이러한 세포의 활성화는 꿈의 내용이 해마에 저장되는 것을 방해 할 수 있습니다. 결과적으로 꿈은 금방 잊혀집니다.’ 라고 설명합니다.

 

수면은 뇌의 통증과 불안을 완화합니다

수면의 신경 과학은 수면을 통해 우리가 배우고 잊는데 어떻게 도움이 되는지 설명하는 데 도움을 줍니다.  또한 수면의 통증 완화 및 불안 완화 효과에 대해 밝힙니다.

예를 들어, 발표된 연구에 따르면 통증 감수성과 관련된 뇌 영역(체성감각피질, somatosensory cortex이라고 함)이 수면 부족 참가자에게 과민 반응을 보입니다. 연구 결과는 충분한 수면을 취하지 않으면 뇌의 통증 처리 신경 회로를 방해한다는 것을 시사했습니다.

또한 같은 연구에서 잠 못 이루는 밤 이후 뇌의 중격의지핵(nucleus accumben) 부위의 활동이 감소한 것으로 나타났습니다. 중격의지핵(nucleus accumben)은 신경전달물질인 도파민을 방출하여 쾌락감을 높이고 통증을 감소시킵니다. 수면 손실은 뇌의 통증 감지 영역을 증폭시킬뿐만 아니라 자연 진통 센터도 차단합니다.

연구팀은 또한 통증 신호를 평가하고 통증 반응을 준비하는 뇌의 절연체가 수면이 부족한 사람들에게도 활동이 적다는 것을 발견했습니다. 불면증은 통증 신호를 평가하고 분류하고 신체의 자연 진통제가 구출 될 수 있도록 하는 중요한 신경 시스템을 방해한다고 설명합니다.

 

 

깊은 수면은 주요 뇌 영역의 불안을 완화합니다

수면의 불안 완화 효과와 관련하여 기능적 MRI스캔(functional MRI scans)과 수면다원기록(polysomnograms)은 뇌의 내측 전두엽 피질(medial prefrontal cortex)이 핵심임을 보여주었습니다. 이 지역은 잠 못 이루는 밤 후에 비활성화되었습니다. 이전 연구에 따르면 내측 전두엽 피질이 불안을 진정시키고 스트레스 수준을 줄이는 데 도움이 된다고 합니다.

연구에서 감정 처리와 관련된 다른 영역은 수면이 부족한 환자에서 과민 반응을 보였습니다. 수면 없이는 거의 브레이크 없이 감정 가속 페달을 밟고 있는 뇌가 너무 무거워지는 것과 같다고 연구팀은 설명합니다.

그들의 연구에서 잠 못 이루는 밤은 불안 수준을 최대 30 % 까지 올렸다고 합니다. 또한, 이 연구는 밤새 잠을 자고 나면 불안 수준이 낮아졌고 이 감소는 깊은 비렘 수면 단계에서 더 많은 시간을 보낸 참가자들에게서 훨씬 더 급격히 감소한 것으로 나타났습니다.

깊은 수면은 우리의 감정을 조절하고, 정서적 및 생리적 반응성을 낮추고, 불안의 증가를 방지하는 뇌의 전두엽 메커니즘을 회복 시켰습니다.

 

[Mov] What happens when we sleep?