[뇌과학] 수면과학이 답하다. 왜 우리는 잠을 자야할까?

우리는 늘 잠을 잔다. 그리고 잠의 효능도 알고 그 중요성에 대해서도 들어보았거나 알고 있다. 하지만 우리 대부분은 겉으로 알고 있지만 그 중요성을 제대로 알지 못해 수면 건강을 챙기지 못하고 있다. 알람 없이 상쾌하게 일어날 수 있는 날이 언제였는가? 아마 대부분은 답하기 어려울 것이다.

수면 주기와 생존 적합도

사람은 개개인별로 3가지 수면 주기가 있다. 첫 번째는 아침형 인간으로 전체인구의 40%에 해당하며, 두 번째는 저녁형 인간으로 전체 인구의 30%에 해당한다. 마지막은 아침형과 저녁형 인간의 중간인 사람들로 전세계 인구의 30%에 해당한다. 왜 사람마다 이런 차이가 발생하게 된 것일까? 가장 설득력 있는 근거는 우리 조상의 생존 적합도를 높이기 위함이라는 것이다. 낮에 사냥과 채집과 같은 활동을 하다가 밤이 되면 잠에 들게 되는데, 이 때 모든 무리의 구성원이 잠을 자게 된다면 외부의 위협으로부터 위험하다. 때문에 두 그룹의 구성원으로 나누어 잔다는 것이다. 가령 첫 번째 그룹은 오후 9시나 10시에 잠이 들어 오전 4시 오전5시에 깬다면 두 번째 그룹은 보초를 서다가 오전 1시나 2시에 잠이 들어 오전 10시나 오전 11시에 깬다는 것이다. 이렇게 함으로써 외부의 위협으로부터 어느정도 안전해질 수 있다. 이러한 방식으로 진화해온 결과가 지금의 수면 주기의 차이를 빚어낸 것이다.

 

하지만 현대 사회에는 이러한 진화 과정의 차이를 무시한 채 저녁형 인간에게 약간의 불이익을 가하고 있다. 첫 번째는 저녁형 인간이 게으르다는 인식을 심는 것이며, 두 번째는 일과의 시작이 아침형 인간을 중심으로 이루어진다는 것이다. 때문에 저녁형 인간은 오후쯤 되어 활동을 하다가 비교적 늦게 잠이 들게 되는데 일과가 아침에 몰려 있다보니 충분한 수면에 있어 불리함에 놓이게 된다. 이러한 차이를 알고 있는 기업들이 있기 때문에 자율출퇴근제도나 수면실을 갖추게 되는 것으로 보인다. 여담이지만 저녁형 인간에 가까운 나로서는 향후 창업을 할 경우 자율출퇴근제도와 수면실을 반드시 갖출 것이다.

 

수면의 원인과 카페인

우리는 왜 수면을 할까? 왜 낮에 깨어 있다가 밤이 되면 잠이 올까? 그 답은 수면에 관여하는 단백질인 아데노신에 있다. 우리가 깨어있는 동안 꾸준히 뇌의 어딘가에 아데노신이 쌓이게 된다. 그래프로 표현하자면 시간의 흐름에 따라 하락하지 않고 아데노신이 꾸준히 상승하는 선형에 가까운 그래프라 볼 수 있다. 이 물질이 우리에게 수면 압력을 가하는 물질이다. 때문에 졸음이 쏟아지게 되며 비로소 우리는 잠을 자는 것이다. 잠의 효능 중 하나를 먼저 이야기하면 이 아데노신이 청소된다는 것이다. 하지만 만약 잠을 적게 자거나 못자게 되면 아데노신이 청소되지 않아 다음날도 피로감이 쉽게 찾아오고 잠이 계속 오게 된다는 것이다. 8시간 정도를 자야 아데노신을 말끔히 청소할 수 있다. 사람마다 개인차는 있지만 4~6시간만 자도 괜찮다는 사람은 정말 전 세계적으로 극소수라고 한다. 어느 한 뇌과학자는 전세계에서 5시간 미만으로 자도 괜찮은 사람의 비율을 올림 해도 0이라고 한다. 즉, 우리 모두는 잠을 잘 자는 것에 있어서 벗어날 수 없다는 것이다.

 

충분한 수면을 하지 못하게 되는 원인 중 하나는 흔히 카페인이 있다. 카페인은 석유다음으로 가장 많이 거래되는 상품으로, 카페인의 효능은 모두 알다시피 각성의 효과가 있다. 약 30분 뒤가 최고조라고 알려져 있다. 하지만 카페인이라고 하는 것이 반감기가 있다는 사실을 아는가? 카페인의 반감기는 평균 5시간에서 7시간이다. 때문에 매일 마시게 되는 사람들은 반감되어 사라지기도 전에 계속 섭취하게 되는 것이다. 이 카페인의 부정적인 측면은 바로 아데노신의 수면 신호를 차단하는 물질이라는 것이다. 밤 늦게 카페인을 마시게 되면 뇌가 반대세력인 카페인에 맞서 싸우게 되기 때문에 쉽게 잠이 오지 않거나 잠을 설치게 되는 것이다. 그렇다고해서 디카페인을 주로 마시는 것도 권장되지는 않는다. 디카페인은 용어 그대로와는 달리 기존 카페인의 15%~30%가 들어 있기 때문에 이름 그 자체와는 거리가 멀다.

수면의 종류와 특징

수면의 중요성을 말하기 위해 먼저 수면의 종류를 살펴볼 것이다. 수면은 크게 비렘수면과 렘수면이 있다. 렘(REM)수면이란 Rapid Eye Movement를 의미하는 것으로 수면 중 우리의 눈이 빠르게 움직이는 수면 상태를 말한다. 우리는 수면도중 이런 비렘수면과 렘수면을 반복적으로 거치게 된다. 여담이지만 렘수면의 주기가 90분인 것을 이용해 1시간 30분 단위로 자면 깨어날 때 조금 덜 피곤하다는 점을 이용하여 수면에 적용하는 사람도 있다. 2년전 우연히 만났던 서울대학교 학생이 그랬다. 처음에는 그런 것도 있구나 하고, 서울대생은 다르구나 느꼈다. 그때까지만해도 단순히 그런 것이 있구나 싶었는데 이런 렘수면의 중요성을 알게 된 것은 최근들어서이다.

 

여하튼 이런 렘수면과 비렘수면 사이에는 90분이라는 주기가 있다고 했다. 초반부에 비렘수면 상태가 우세하고 후반부에 렘수면 상태가 우세해진다. 비렘수면은 낮 동안 받아들였던 신호를 큼직큼직하게, 덩어리로, Abstract하게 처리하여 기억 다발에다 연결한다. 반면 렘수면은 낮 동안 받아들였던 신호를 미세미세하게, 조각으로, Concrete하게 처리하여 기억다발에다 연결한다. AI에 관심이 있는 사람으로써 AI로 비유를 하자면 BERT라는 자연어처리 모델이 있을 때 일반화된 성능을 위해 pre-training하는 것이 비렘수면의 기능이며 구체적인 태스크를 수행하기 위해 fine-tuning하는 것이 렘수면의 기능이라 이해할 수 있다. 사람은 8시간을 자야 비렘수면과 렘수면을 통해 pre-training, fine-tuning이 가능해지면서 기억을 강화할 수 있다. 하지만 만약 2시간을 덜자서 6시간 밖에 잠을 못잤다면 어떻게 될까? 논리적으로는 25%가 줄었지만 기억을 미세하게 다루는 렘수면 단계가 후반부에 몰려있기 때문에 Concrete하게 처리하는 과정의 60%~90%를 잃게 된다. 이런 렘수면과 비렘수면의 메커니즘 때문에 수면 시간을 충분히 하지 않을 경우 기억 강화에 심각한 손상을 입게 되고 학습 능력에 저하가 오게 된다.

 

 

렘수면과 운동신경

잠을 잘 때 누구와 싸우는 꿈을 꾼적이 있는가? 그렇다면 그 때 주먹이 날아가지 않아 답답했던 적은 없는가? 싸우는 꿈을 꿀때면 주먹이 나가지 않아 시원하게 펀치를 날릴 수 없어서 매우 가슴이 언짢은 상태로 깼다. 이는 렘수면의 특징이라고 한다. 렘수면 때 꿈을 꾸게 되는데 렘수면 상태가 되면 몸의 근육 활동이 '불법화' 된다는 것이다. 즉 근육억제체계가 활성화되어 꿈을 꿀 때 몸을 구금시키게 된다. 때문에 몸이 움직이지 않게 되는데 이는 생존을 위한 것이라고 한다. 우리는 잠을 자면서 주위 환경에 대한 의식을 인지하지 못하기 때문에 만에 하나 꿈과 현실을 구분하지 못해 주먹질을 하고 일어나거나 달리게 된다면 위험해진다는 것이다. 자연은 우리가 렘수면을 취하는 동안 우리의 몸이 움직이지 못하도록 프로그래밍 한 것이다. 이런 근육억제체계는 우리가 자라면서 계속해서 형성된다.

우리가 자라면서 근육억제체계가 계속해서 형성되기 때문에 태아 때는 발달 되지 않은 상태이다. 산모의 배에 태아의 손이나 발이 움직이는 것을 본적이 있을 것이다. 태아의 경우 대부분의 상태를 렘수면 상태로 보낸다. 렘수면의 전형적인 특징이 뇌의 전기 활성이 무작위로 솟구치게 되며 그로 인해 태아의 팔다리가 움직이게 되는 것이다. 성인의 경우 렘수면시 근육억제체계가 발달해서 움직이지 못하지만 태아의 경우 근육억제체계가 발달되지 않아 몸이 렘수면 상태임에도 불구하고 움직이게 되는 것이다.

렘수면의 다른 특징으로는 깨어있을 때 집중하는 뇌파와 동일하다는 것이다. 이를 통해 신경 통로들이 무성하게 자라도록 자극하며 각 통로에 시냅스 말단을 풍부하게 덧붙이게 된다. 태아의 발달 2분기 3분기 때 뇌와 구성 부분의 세세한 측면이 빠르게 형성되는데 그 때 렘수면이 대폭 늘어나는 시기이기도 하다. 이는 우연의 일치가 아니며 때문에 우리 성인도 낮 동안 학습한 것을 세세하게 신경다발로 연결하기 위해서는 잠의 후반부에 몰린 렘수면을 충분히 취할 수 있어야 한다는 것이다. 실제로 태어나기 전이나 태어난 직후에 발달중인 아기의 렘수면을 방해하거나 교란하면 후유증이 생기며, 렘수면만 막더라도 태아의 발달 과정이 지체된다.

 

비렘수면의 특징

비렘수면 시 강한 뇌파가 전두엽에서 생성된다. 이 뇌파가 뇌의 전반에 신호를 보낸다. 추후 아래에서 다시 한번 이야기하겠지만 이 신호는 수면방추라는 뇌파이다. 수면방추가 많이 일어나면 일어날수록 우리는 일어났을 때 개운하다고 느낄 수 있다. 수면방추의 특징은 짧고 강력한 뇌파인데, 운동 신경에도 관여하여 낮에 축적된 피로도를 줄일 수 있다. 또한 학습할 수 있는 일종의 공간을 다시 재마련해주는 일종의 휴지통 비우는 작업을 한다. 실제로 기억하는 자료의 양 사이의 상관관계는 깊은 렘수면을 더 취할수록 다음 날 더 많은 정보를 기억한다. 사람은 기억하라고 한 것과 기억하지 말라고 한 것을 분류하는 작업은 이러한 비렘수면을 취할 때 일어난다.

 

수면패턴의 변화

인간은 자라면서 수면 패턴이 바뀌게 된다. 크게 다상 수면, 이상 수면, 단상 수면이 있다. 먼저 다상 수면이란 분할 수면을 의미하는 것으로 아이처럼 여러번 일어났다 깼다 하는 수면 패턴을 의미한다. 때문에 다상 수면의 경우 유아기에서 많이 볼수 있는 특징이다. 이러한 다상 수면이 일어나게 되는 원인은 무엇일까? 답은 인간의 몸안에 있는 하루 주기 리듬을 조절하는 기관에 있다. 그 기관은 시교차상핵이라 하여 뇌 속에서 시신경들이 교차하는 지점 바로 위에 존재한다. 역할로는 태양과 같은 빛 신호를 추출해서 약 24시간 주기를 맞춰준다. 하지만 빛 신호가 아니더라도 기온 변화나 규칙적인 음식과 같이 반복되는 신호들에 연동되면 점점 더 강하게 하루 주기 리듬이 맞춰지게 된다.

이러한 이유로 갓 태어난 아기는 시교차상핵에 하루주기리듬이 매여있지 않으므로 첫돌이 지나 일정한 주기가 생길때까지 다상 수면 패턴을 유지게 하게 된다. 만 4세쯤 되면 다상수면 패턴에서 이상 수면 패턴으로 넘어가서 밤에는 쭉자고 낮에 한 차례 정도 낮잠을 자게 되고, 이후 유년기가 끝나게 되면 단상 수면 패턴으로 바뀌면서 낮에 깨어있다가 밤에 자는 패턴이 된다.

기억용량과 수면의 상관관계와 수면방추

해마와 주위 기관

수면은 우리가 낮에 배웠던 학습 내용들을 단기기억에서 장기기억으로 옮기는 역할을 하게 된다. 단기기억에 관여하는 기관은 해마(Hippocampus)로, 일종의 용량 작은 USB이다. 잠을 자면서 해마에 들어 있던 학습 내용을 장기기억에 관여하는 기관인 피질(Cortex)에 옮기게 된다. 피질은 일종의 대용량 하드 디스크(HDD)이다. 잠을 잠으로써 해마에서 피질로 정보가 옮겨지면서 기억 공간의 용량을 확보하는 효과를 누릴 수 있게 된다. 이와 관련해서 실험이 하나 있다. 실제로 학습을 시킨 뒤 낮잠을 잔 그룹과 낮잠을 자지 않은 그룹의 학습 능력과 기억력을 평가한 결과 낮잠을 잔 그룹이 20%가 높다는 연구 결과가 있었다. 즉, 수면이 뇌로 하여금 학습을 가능하게 하는 용량을 복구하여 새로운 기억을 위한 공간을 마련한 것이다.

수면방추 (sleep spindle)

그렇다면 어떤 원리로 새로운 기억 공간을 마련할 수 있는 것일까? 그 답은 수면방추라는 뇌파에 있다. 약 8Hz ~ 14Hz에 해당한다. 이 수면방추는의 특징은 비렘수면 단계때 전기 활성이 짧고 강력하게 치솟게 한다. 낮잠을 잘 때 수면방추가 많이 나타났다면 깨어났을 때 단기 기억 용량을 더 많이 복원한다. 반대로 수면방추가 더 적게 나타나면 단기 기억 용량을 비우지 못했기 때문에 일어났을 때 학습 능력이 저하된다. 비렘수면에서 특이하게 발생하는 이런 수면방추 같은 경우는 아침에 가까울수록 특히 많이 나타난다고 알려져 있다. 정확히는 8시간 수면 중 마지막 2시간쯤에서 수면방추가 가장 많이 치솟는다고 한다. 수면방추는 단기 기억 용량을 늘릴 뿐만아니라 기억력에도 관여한다고 한다. 해야 할 것 기억하지 말아야 할 것을 잘 구분한다고 하며, 이에 대해서 구체적으로 정확히 아는 바는 없지만 솟구치는 전기 활성으로 인해 가진 더 많은 에너지로 넓은 범위의 신경 회로 전달하기 때문이 아닐까 한다.

마지막으로, 수면방추는 운동 신경에도 관여한다고 한다. 운동을 한 뒤 잠을 자게 되면 수면방추는 비렘수면 때 학습했던 운동 역량을 미세하게 다듬는다고 한다. 이를 운동기술기억 향상이라하며 또한 수면방추를 통해 근육피로도를 줄이고 활력을 다시 샘솟게 할 수 있다. 그래서 올림픽과 같은 대회에 서는 선수들의 역량을 가르는 핵심 요인 중 하나로 시합 직전의 낮잠이 있다고도 한다. 실제로 우사인볼트는 대회 몇 시간 전에 낮잠을 자고 일어나 세계기록을 세웠다.

수면과 질병의 상관관계

기억력 저하
노년이 되면 잠이 잘 오지 않는다고들 한다. 하지만 이런 양상과는 달리 노년에도 청년이나 중년처럼 많은 잠이 필요하다. 다만 필요한 만큼 잠을 잘 수 없을 뿐이다. 40대 중후반으로 들어서게 되면 10대 때 누렸던 깊은 수면 중 60% ~ 70%가 사라진다고 한다. 여기서 핵심 문제점은 깊은 수면이 줄어드는 것 뿐만 아니라, 우리가 잠을 얼마나 푹 잤는지 평가할 수 있는 평가지표가 없다는 것이다. 즉 사람들이 자신이 늙어 갈수록 자신의 깊은 잠의 양과 질이 얼마나 떨어지는지 깨닫지 못한다. 이로 인해 노인들은 수면악화와 건강악화가 연결되어 있음을 알아차리지 못하게 되는 것이다. 수면이 만성적으로 악화, 교란된다면 신체 질병이나 정신 건강 불안정, 각성도 저하, 기억 장애가 발생하게 된다.

나이가 들면 가장 극적으로 퇴화하는 영역은 전두엽이다. 전두엽의 역할 중 하나는 비렘수면 시 강한 뇌파를 생성하여 뇌의 전반에 신호를 보내주는 역할을 한다. 하지만 비렘수면과 관련된 전두엽의 기능이 떨어지면서 뇌의 전반에 신호를 보내지 못하게 된다. 이로 인해 수면의 양과 질이 떨어지게 되는 것이며, 이로 인해 학습 능력이 떨어지고 결과적으로 기억력이 저하 된다. 노년에 나타나는 이런 기억력 저하와 수면 악화의 경우 우연의 일치가 아닌 것이다.

자폐증
렘수면 부족은 자폐증과도 연관성이 있다. 자폐증의 핵심 증상은 사회적 상호 작용의 부족이라 할 수 있다. 자폐의 정확한 원인은 제대로 밝혀지지 않았지만 뇌 초기 발달 단계 때 시냅스 형성 과정에서 부적절한 배선이 장애의 핵심이라고 여겨지고 있다. 여기서 흥미로운 것은 자폐 진단을 받은 자폐아의 수면 패턴과 비자폐아의 수면 패턴이 다른데, 수면 패턴 차이점의 핵심은 렘수면 부족이다. 앞서 언급한 바와 같이 학습한 내용을 렘수면을 통해 우리 신경 회로들을 추가하고 붙이는 역할을 하지만 그 회로가 잘못 놓여 있고, 그 회로를 형성에 관여하는 렘수면이 매우 적다는 것이다. 실제로 자폐아의 경우 비자폐아에 비해 렘 수면 양이 30% ~ 50%가 부족하다고 알려져 있다.

수면 장애
불면증이나, 수면과다증, 기면증의 경우 수면방추가 비정상적으로 감소하거나 증가됨으로써 발생한다. 만약 불면증 환자라면 수면방추를 늘려주는 방식으로 수면 장애를 치료할 수 있고, 수면과다증 환자의 경우 수면방추를 감소시켜주는 방식으로 수면 장애를 치료할 수 있다.

알츠하이머
실제로 비렘수면이 제대로 이루어지지 않으면 알츠하이머 발병에 많은 확률을 높인다. 알츠하이머는 베타아밀로이드라는 물질이 뇌안에 쌓이면서 발생하게 된다. 참고로 베타아밀로이드는 알츠하이머의 직접적인 원인은 아니다. 하지만 알츠하이머 환자를 분석했을 때 베타아밀로이드라는 일종의 끈적한 단백질이 쌓여 있어 주요 바이오 마커가 된다. 원래 베타아밀로이드는 원래 우리 몸의 방어기제로서 생성되는 긍정적인 단백질이다. 우리 몸에 독소가 들어와 시냅스를 파괴하려고 할 때 독소들을 끈끈하게 만들어 시냅스 파괴를 하지 못하도록 만든다. 정상적으로 생성된 베타아밀로이드는 비렘수면 때 나오는 글림프계의 뇌척수액에 의해 씻겨내려간다. 하지만 비렘수면이 줄어들게 된다면 뇌척수액에 다 씻겨내려가지 못한 부분이 남아있게 되고 이게 축적되면 알츠하이머가 되면서 되려 시냅스를 파괴하여 인지기능의 저하와 나아가 자신 스스로를 잊게 되는 증상을 가져오오게 되는 것이다. 실제로 생쥐를 비렘수면에 들지 못하게 막았다니 그 즉시 뇌안에 아밀로이드가 쌓이는 연구 결과가 있었다. 이렇듯 부족한 잠은 알츠하이머병을 유발하고 상호작용하면서 악순환을 일으키기 때문에 수면은 중요하다.

 

졸음운전과 미세수면

수면을 충분히 취하지 못하면 운전석에서 일시적으로 집중력을 상실하는 미세수면에 빠질 수 있게 된다. 미세수면 때는 우리 뇌는 잠시 바깥 세계와 단절이 된다. 시각 뿐 아니라 모든 지각 영역이 그렇다. 그 시간에 어떤 일이 일어났는지 지각하지 못한다. 실제로 경험을 해보니 확 느끼게 되었다. 운전면허시험 때 하룻밤을 새고 갔더니 정지 신호 받은 뒤 약 몇 분간의 시간이 블랙아웃되어 사라지는 경험이 있었고 정말 주의할 필요가 있다는 교훈을 얻게 됐다. 실제로 오전 7시부터 온종일 깨어있다가 새벽에 차를 몰고 귀가할 때는 음주 운전자만큼 지장을 받는다고 한다. 수면시간감소와 자동차 사고 사망률 그래프는 기하급수적인 양상을 띤다. 졸음운전은 음주운전과 위험 수준이 동일하다.

감정 조절과 수면

수면이 부족하게 되면 뇌의 양쪽에 있는 편도체에서 감정 반응을 60% 증폭시킨다. 잠이 부족하게 되면 뇌가 통제가 안되는 원시적인 양상으로 돌아가게 된다. 구체적으로 수면을 제대로 취하지 못하게 되면 편도체와 전전두엽피질 사이의 불균형이 발생한다는 것이다. 편도체는 일종의 감정가속폐달과도 같고 전전두엽피질은 브레이크와도 같은데 잠을 잘 못자게 되면 이 둘 사이의 강한 연결이 끊기게 된다고 한다.


"우리는 얼마나 수면부족이 우리에게 영향을 미치는지 알지 못한다. 모든 사람이 일관되도록 자신의 수행 능력 감소를 과소평가 한다"

Reference

[1] 『왜 우리는 잠을 자야할까?』
[2] https://www.scienceall.com/불면증은-이제-그만/