우리 자거나 졸고 있을 때, 우리의 뇌와 몸에서는 어떤 일이 일어나고 있을까? 수면 과학의 발달에 따라, 이러한 수수께끼가 차츰 규명되고 있다. 잠을 잘 자기 위해 알아야 두어야 할 '수면의 메커니즘'에 대해 알아보자.
0. 목차
- 수면 사이클
- '졸음'은 왜 오는가?
- 쾌면의 조건
- 체온 방열
- 블루라이트
- 각성 물질 '오렉신'
1. 수면 사이클
'수면의 메커니즘'으로 '수면 사이클(Cycles of Sleep)'이 잘 알려져 있다. 일반적으로 잠이 들면 먼저 '논렘수면(Non-REM Sleeping)'이라는 수면에 들어간다. '논렘수면'은 60분 정보 계속되다가 그것이 끝나면 '렘수면(REM Sleeping)'이라는 얕은 수면에 들어간다. 논렘 수면과 렘 수면의 세트가 '수면 사이클'이며, 1회 수면에 4~6회 정도 '수면 사이클'이 반복된다. 1회 수면 사이클의 길이는 대략 90분 정도이다. 그 90분 가운데 차지하는 렘수면의 비율은 1회 수면 중 서서히 높아진다. 그리고 수면 사이클의 깊이는 같은 사람에서도 편차가 있으며, 날에 따라, 또는 하룻밤 수면 중에도 변한다.
'논렘수면'은 1단계에서 3단계로 나뉜다. 1, 2, 3단계 순으로 나아간 뒤에 2, 1단계로 돌아가 1회의 논렘수면이 끝난다. 단, 어느 단계를 건너뛰는 경우도 드물지 않다. '논렘수면' 가운데 1,2, 단계는 비교적 얕은 수면이다. 3단계가 더 깊은 수면이며 뇌와 몸을 휴식시키는 중요한 역할을 한다. 최초의 논렘수면에서는 3단계가 많이 포함되지만, 2회째 이후는 그들의 비율이 적어진다. 따라서 적어도 최초 논렘수면을 확실하게 취하는 것이 쾌면의 절대 조건이라고 할 수 있다.
그리고 수면 후반의 '각성(깨어남)'이 가까워질 무렵의 논렘수면도 쾌면에 중요하므로, 충분한 횟수의 수면 사이클을 연속해서 취해야 하는 것은 말할 나위도 없다. 수면 사이클은 잘 깨어나는 것과도 직결된다. '논렘수면'의 3단계 도중에 깨면 불쾌감이 있다. 렘수면 또는 논렘수면의 1단계나 2단계 도중에 깨면 기분 좋게 일어날 수 있다. 최근에는 수면 사이클을 자동 판정함으로써 타이밍을 맞추어 알람 소리가 나는 스마트폰 앱이나 전자 제품도 등장했다. 하지만 '뇌파(Brain Wave)' 등을 측정하는 것이 아닌 한 아무래도 오차가 있다고 생각하는 편이 좋다.
1-1. 논렘 수면
논렘수면의 1~3단계는 수면 중에 보이는 '뇌파'의 차이로 구별된다. 다른 신경 세포로부터 신호를 받아들이면 신경 세포에 전기가 흐른다. 다수의 신경 세포에 의한 전기 신호를 머리에 붙인 전극으로 포착한 것이 '뇌파(Brain Wave)'이다. 다수의 신경 세포에서 전기 신호가 생기는 타이밍이 흐트러지면 뇌파의 주파수가 높아지며)', 동기가 될수록 뇌파의 주파수가 낮아진다.
- 1단계(알파파): 각성 때, 즉 눈은 감고 있는 상태의 편안한 뇌에서는 '알파파(α Wave)'라는 뇌파가 생긴다. 하지만 잠에 빠지면 1초 정도 만에 뇌파의 패턴이 바뀌어 논렘수면의 1단계에서 보이는 진폭이 작은 뇌파가 나타난다.
- 2단계(방추파): 다음에 '방추파(Spindle Wave)'라는 더 좁은 간격의 뇌파가 나타나는 2단계에 들어간다. 2단계에서 보이는 '방추파'는 뇌의 '해마'라는 부위에서 만들어진 일시적인 기억을 대뇌 피질로 옮겨 고정화하는 작용과 관계된다는 연구도 있다. 2단계는 수면 전체에서 가장 긴 시간을 차지하며, 얕은 잠을 자면서 졸음의 해소도 이루어진다.
- 3단계(델타파): 3단계에 들어가면 '델타파(δ Wave, 1~4Hz 전후의 뇌파)'라는 느리게 진동하는 뇌파가 나타난다. '델타파'가 보이는 3단계를 '서파 수면'이라고도 한다. '델타파'는 대뇌 '신경 세포(Neuron)'가 일제히 쉬거나 활동하는 것을 되풀이하고 있음을 나타낸다. 신경 세포의 이러한 '동기(둘 이상의 파동이 일정한 상태가 되는 일)'가 무엇을 의미하는지는 잘 알려져 있지 않지만, 수리 중의 컴퓨터처럼 전원은 켜진 채 오프라인 상태가 되어 있다고 생각된다.
그리고 근년의 연구에서는 '논렘수면'이 기억의 정착이나 강화에 중요하다는 사실이 알려졌다. 기억은 '신경 세포(Neuron)'끼리의 연결이 뇌 속에서 형성·강화되는 현상이다. 논렘수면 중의 뇌에서는 불필요한 신경 세포끼리의 연결을 해제하는 등의 방법으로 기억의 재구축과 강화가 이루어진다는 설이 있다.
1-2. 렘수면
논렘수면 뒤에는 렘수면이 이어진다. '렘(REM)'이란 '급속 안구 운동(Rapid Eye Movement)'의 약어이며, 그 이름대로 수면 중 안구가 짧은 간격으로 움직이는 현상을 말한다. 척추동물 가운데 렘수면을 하는 것은 주로 포유류와 조류이다. 흥미롭게도 렘수면 중의 뇌는 수면 중에도 불구하고 '각성 때(깨어있을 때)'와와 가까운 상태에 있다. 렘수면 중의 뇌파를 보면, 각성 때와 마찬가지로 짧은 간격으로 진동한다. 나아가 렘수면 중의 뇌에서는 각성 때보다 오히려 활발하게 활동하는 영역이 여럿 있다는 사실이 '뇌 활동의 가시화 기술'로 밝혀졌다.
하늘을 나는 것과 같은 '기묘한 꿈', 희로애락이나 불안한 '감정을 수반하는 꿈'의 다수는 '렘수면' 중에 꾼다고 알려져 있다. '렘수면' 중의 뇌에서는 이성적인 판단에 관계하는 '전두전 영역'의 활동이 낮아지는 한편, 시각 이미지를 만들어 내는 '시각 연합 영역(Visual Association Area)'과 감정을 담당하는 '편도체'가 활발하게 활동한다. 이들이 렘수면 중의 꿈과 관계한다고 생각된다. 단, 논렘수면 중에도 어렴풋한 추상적인 꿈을 경우가 있다.
또 기억 형성에 중요한 역할을 하는 '해마(Hippocampus)'도 렘수면 중 활발하게 활동한다. 논렘수면과는 다른 메커니즘에 의해 렘수면 또한 일시적인 기억의 고정에 관계하리라고 생각된다.
2. '졸음'은 왜 오는가?
잠이 오지 않을 때는 아무리 열심히 자려고 해도 좀처럼 잘 수가 없다. 사람이 자기 위해서는 충분한 '졸음'이 필요하다. 그런데 '졸음(Sleepiness)'이란 과연 무엇일까? '신경 과학 최대의 블랙박스'라고도 알려졌던 '졸음'의 실체가 급속하게 규명되고 있다.
예전부터 수면의 '투 프로세스 모델(Two Process Model)'이라는 가설로 설명되었다. '투 프로세스(Two Process)', 즉 두 과정에 의해 '수면과 각성의 사이클'이 이루어진다는 가설이다. 그 두 과정은 '수면압(Sleep Pressure)'과 '생물 시계(Biological Clock)'이다.
- 수면압(Sleep Pressure): 첫째는 수면 욕구의 강도인 '수면압'이며, 각성되어 있는 동안 차츰 비축되어 간다. 수면압이 충분히 축적되면 수며이 시작된다. 그리고 잠을 잠으로써 수면압이 해소된다. 수면압의 축적과 해소는 충분히 물이 고이면 기울어져 물을 토해 내는 대나무통에 견줄 수 있다.
- 생물 시계(Biological Clock): 둘째는 약 24시간 주기의 '생물 시계'이다. 생물 시계는 수면압의 축적과는 독립적으로 '각성 신호'의 파동을 만든다. 이 각성 신호의 파 이 각성 신호는 오후 9시 무렵 '피크(Peak)'를 맞이하고 그 후 약해진다. 그러면 수면이 시작되며, 수면압이 충분히 해소될 때까지 수면이 계속된다.
2-1. 스닙스
그러면 각성해 있는 동안 계속 비축되다가 수면에 의해 해소되는 '졸음'의 실체는 과연 무엇일까? 그 유력한 후보가 되는 뇌 속의 현상을 일본 쓰쿠바 대학의 '류칭화' 교수, '야나기사와' 교수 등의 연구팀이 2018년에 발견했다. '스닙스(SNIPPs: Sleep Need Index Phosphoproteins, 수면 요구 지표 인산화 단백질)'라고 명명된, 뇌 속에 있는 80종의 단백질에서 보이는 화학변화이다.
'스닙스(SNIPPs)' 가운데 무려 69종이 한 뉴런의 축삭돌기 말단과 다음 뉴런의 수상돌기 사이의 연접 부위인 '시냅스(Synapse)'라는 곳에 집중되어 있었다. 생쥐를 이용한 실험에서, 스닙스는 계속 각성해 있는 동안 차츰 '인산화(Phosphorylation)'라는 화학 변화가 이루어진다는 사실이 알려졌다. 그리고 '스닙스 인산화'는 수면에 의해 해소된다. 이런 스닙스의 움직임은 바로 졸음의 실체에 어울리는 것이다. 그 인산화의 해소에 걸리는 시간이 그 사람에게 필요한 수면 시간 그 자체일 수도 있다. 만약 이 생각이 옳다면, 수면부족이 거듭된 '수면 부채(Sleep Debt)'에 상태에 있는 뇌에서는 '인산화된 스닙스'가 해소되지 않고 축적되며, 그 때문에 시냅스의 작용이 뇌 전체에서 비효율적이 되어 있는지도 모른다.
3. 쾌면의 조건
졸리기는 한데 좀처럼 잘 수가 없다거나, 충분히 잤는데도 제대로 잔 것 같지가 않은 문제로 고민을 하는 사람도 있을 것이다. 이럴 때는 침실 환경이 방해를 하고 있는지도 모른다. 그러면 잠드는 것을 방해하지 않고 수면의 질을 높이려면 무엇이 중요할까?
- 어둠: 빛은 잠드는 것을 방해하며 수면 도중의 각성을 초래하는 자극으로 수면에 악영향을 미친다. 단, 너무 어두우면 불안해져 잠들기 어려운 경우도 있다. 취침 때의 조명은 최소한의 밝기로 하는 것이 좋다. 30lx가 넘는 밝은 빛은 잠을 깊이 들지 못하게 해서 숙면감을 손상시킨다.
- 조용함: 소리도 마찬가지로 수면을 방해하는 자극이 된다. 특히 사람의 대화 소리는 큰 각성 작용이 있다. 그러나 뭔가 소리가 들릴 때 오히려 잠들기 쉬운 사람들도 있을 것이다. 특정 음악이나 잔물결 소리 등을 들으면 쉽게 잠드는 사람은 그 습관을 계속해도 좋다. 하지만 그 경우도 '오프타이머(Off Timer)'를 활용해 잠든 뒤에는 조용하게 해야 한다. 단, 40dB이 넘는 소음은 수면에 악영향을 미친다.
- 쾌적한 온도와 습도: 너무 덥거나 너무 춥거나 습도가 너무 높은 환경도 수면을 방해한다. 에어컨을 끄고 자는 사람이 많은 것 같은데, 쾌면이라는 관점에서 보면 잘못된 습관이다. 밤 동안 에어컨 등을 이용해 쾌적한 온도와 습도를 유지하는 것이 좋다. 단, 차가운 바람이 몸에 닿는 것은 좋지 않다.
- 아침 햇살: 아침햇살은 '생물 시계(Biological Clock)'가 재설정되어 정상적인 수면 리듬을 만드는 데 도움이 된다. 따라서 침실 커튼은 밤에 밖이 눈부실 정도의 환경이 아닌 한 어느 정도 빛을 통하는 것이 좋다. 각성 전에 빛을 쬐면 1단계와 2단계의 논렘수면이 계속되어 상쾌하게 깨어나기 쉽다고 알려져 있다.
4. 체온 방열
'쾌적한 실내 온도'는 수면에 중요하지만, '체온'도 수면에 중요하다. 주로 '직장'에서 측정하는 '심부 체온'은 피부에서 재는 '피부 체온'보다 3~5℃ 정도 높다. '심부 체온'은 생물 시계에 의한 각성 단계와 연동되어 있으며, 밤 9시 정도를 피크로 내려가기 시작한다. 그리고 잠들기 전후에 더욱 내려가 수면 중에 가장 저온이 된다. 그 반대로 피부 체온은 잠들기 전후에 서서히 상승한다. 잠든 갓난아이의 손이나 발이 따뜻해지는 것도 같은 현상이다.
잠들기 전후에 몸의 심부에서 피부로 방열이 일어나 '심부'와 '피부' 사이의 온도차가 줄어드는 것은 틀림없다. 단 '심부 체온'을 어떻게든 낮추면 잠잘 수 있다'는 단순한 이야기가 아니고, 오히려 손발 등의 말초가 따뜻해지고 방열이 일어나는 것이 잠드는 데 중요하다는 연구도 있다. 예컨대 취침 직전에 뜨거운 물로 목욕하면 심부 체온이 잘 내려가지 않아 잠들기 어려워지는 경우가 있다. 목욕은 취침 2시간 정도 전에 마치거나, 취침 직전에 목욕할 경우에는 미지근한 물에 들어가는 것이 좋다. 또 추우면 잠들지 못하기 때문에, 겨울철에 전기담요 등을 사용하는 경우에는 자기 전에 전원을 끄거나 '오프타이머'를 활용하는 것이 좋다. 수면 중에 가열이 계속되면 몸의 방열이 방해를 받아 도중에 잠을 깨는 등 수면의 질이 나빠질 우려가 있다.
5. 블루라이트
밤에 눈에 들어오는 밝은 빛은 '생물 시계(Biological Clock)'를 교란시켜 수면을 방해할 가능성이 있다. '생물 시계'는 온몸의 모든 세포에 갖추어져 있지만, 그들을 제어하는 마스터 시계가 뇌의 '시교차 상핵(Suprachiasmatic Nucleus)'이라는 부위에 있다. 이 마스터 시계의 바늘은 이른 아침에 강한 빛을 쬠으로써 재설정된다. 그러나 밤늦은 시간에 빛을 쬐면 시곗바늘이 1~2시간 정도 뒤로 돌아가 버린다.
일반적으로 밤이 되면 '생물 시계'의 작용에 의해 '멜라토닌(Melatonin)'이라는 호르몬이 뇌에서 온몸으로 방출된다. '멜라토닌이 늘어나는 현상이 수면에 들어가는 것을 돕는다고 생각된다. 그러나 생물시계의 바늘이 뒤로 돌아가 버리면 멜라토닌이 방출되는 타이밍이 늦어진다. 나아가 빛 그 자체에도 멜라토닌 분비를 억제하는 작용이 있다. 이러한 결과 잠들기 어려워지는 것이다.
눈의 망막에는 빛을 포착하는 센서인 '시각 세포'가 늘어서 있다. 이들 '시각 세포'에서 나오는 신호를 뇌로 중계하는 것이 망막에 있는 '신경절 세포(Ganglion Cell)'이다. '신경절 세포'의 일부는 파장 460nm 전후의 푸른빛을 느낄 수 있으며, 그 신호가 '신교차 상핵'에 있는 '생물 시계' 1~2시간 정도 늦춘다는 사실이 알려져 있다. 스마트폰이나 PC, 그리고 LED 조명 등에 들어 있는 푸른빛, 이른바 '블루라이트(Blue Light)'가 이 경로를 통해 생물 시계를 늦추는 영향을 미친다. 빛의 양을 생각하면 스마트폰, 컴퓨터 등의 빛뿐만 아니라 침실이 너무 밝은 것도 문제가 된다. 따라서 야간에는 노란색이나 주황색으로 된, 약간 어둠을 느낄 정도의 조명이 좋다.
6. 각성 물질 '오렉신'
'수면'과 '각성'을 변환시키는 메커니즘에 대해서는 1998년에 큰 발견이 있었다. 바로 뇌 속의 물질인 '오렉신(Orexin)'의 발견이다. '오렉신'을 발견한 것은 당시 미국 텍사스 대학에 있었던 '야나기사와 마시시' 박사 등의 연구팀이다. '오렉신'은 당초 수면이 아니라 식욕을 뇌 속에서 제어하는 물질이라고 예상되었다. 그러나 그 후 선천적으로 '오렉신'을 만들지 못하는 생쥐가 갑자기 잠에 빠진다는 사실이 판명되었다. 이 증상이 바로 비정상적인 졸음 때문에 감자기 잠을 자게 되는 심각한 수면 장애인 '기면증(Narcolepsy)'이다. 이리하여 '오렉신'은 안정적으로 계속 각성되어 있기 위해 필요한 뇌 속의 물질임이 알려졌다.
뇌의 시상 하부에는 각성 상태를 유지하기 위한 '각성 중추'라는 부위가 있다. '각성 중추'에 있는 신경 세포의 표면에는 '오렉신(Orexin)'의 수용체가 있다. 여기에 오렉신이 결합하면 '각성 신호'가 생겨 '각성 상태'가 유지된다. 이 메커니즘에 세계의 많은 제약 회사들이 주목하였다. 수용체에 오렉신이 결합하는 현상을 막으면 새로운 수면제를 개발할 수 있기 때문이다. 연구 경쟁 끝에 오렉신의 결합을 막는 새로운 유형의 수면제 '수보렉산트(Suvorexant)'가 탄생했다. 이렇게 만들어진 수면제는 '머크 앤드 컴퍼니'의 '벨솜라(Belsomra)'와 제약회사 '에자이(Eisai)'의 '데이비고(Dayvigo)'라는 이름으로 보급되었다. '미국 식품의약국(FDA: Food and Drug Administration)'은 '벨솜라'를 2014년에, '데이비고'를 2019년에 각각 승인했다.