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[바이오토픽] 포유류에게 렘수면이 필요한 이유 - 뇌(腦)를 덥히기 위한 몸서리?
생명과학 양병찬 (2018-06-11 09:34)
잠자는 물개들의 뇌(腦)는 두 가지 패턴 사이에서 왔다 갔다 한다. 하나는 바다 모드(at sea mode), 다른 하나는 육지 모드(on land mode). 그런데 물개들은 바다 모드에서 몇 주 동안 렘수면을 생략하는 것으로 나타났다. 그 이유는 뭘까? 연구자들에 따르면, 렘수면이 뇌를 따뜻하게 만드는 역할을 한다고 한다.


At most half asleep / @ newscientist

▶ 1951년 12월의 어느 날 저녁, 시카고 대학교의 생리학자 유진 아세린스키는 여덟 살배기 아들 아몬드가 잠자리에 들기 전, 그의 두피에 전극을 이식했다. 그리고는 옆방으로 자리를 옮겨, 원통 모양의 장치를 에워싼 종이 위를 바르르 떨며 움직이는 펜들을 응시했다(참고 1). 그것은 아들의 안면근육에서 일어나는 전기활성을 기록하는 장치였다.

그로부터 몇 시간 후, 그 펜들은 난폭하게 흔들리기 시작했다. 차트의 모양으로 판단해 보건대, 아들은 깨어있는 상태에서 눈알을 데굴데굴 굴려 방 안을 이곳저곳 두리번거리는 것처럼 보였다. 그러나 아들의 침실로 살금살금 들어가 들여다보니 웬 걸. 아들은 깊이 잠들어 있는 게 아닌가!

아세린스키가 렘수면(R.E.M. sleep: rapid eye movement sleep)을 발견한 역사적인 순간이었다.

아세린스키를 비롯한 연구자들이 궁극적으로 밝혀낸 것은, 렘수면 상태의 뇌파(腦波)는 깨어있을 때와 마찬가지로 저주파 영역에서 고주파 영역으로 이동한다는 것이었다. 렘수면 상태의 시험 참가자들을 깨워 물어보니, 그들은 종종 생생한 꿈을 꾸고 있었노라고 대답했다.

거의 모든 포유류들은 렘수면을 경험하지만, 연구자들은 오늘날까지도 렘수면의 존재이유를 놓고 갑론을박하고 있다. 그러던 차에 지난주 목요일, 미국과 러시아의 연구자들은 "물개들이 중요한 단서를 제공할지 모른다"고 보고했다(참고 2).

물개들은 수영할 때 렘수면 스위치를 완전히 끈다고 한다. 그리고 육지에 상륙했을 때는 렘수면 스위치를 다시 켠다고 하는데, 이는 종전에 전혀 볼 수 없었던 패턴이다. UCLA의 수면 전문가로서 《Current Biology》에 실린 논문의 공동저자인 제롬 M. 시걸은 이렇게 말했다. "이건 새로운 증거다. 물개들의 사례로 비춰 보건대, 우리의 뇌도 간혹 두개골 속을 따뜻하게 만들기 위해 렘수면의 스위치를 켜는 것 같다."

"렘수면이란 뇌를 위한 몸서리(shivering: 근육의 수축이나 경련에 의해서 일어나는 신체의 불수의적인 떨림으로, 사람이나 다른 포유류가 열을 생성하는 생리적 방법)라고 할 수 있다"고 그는 덧붙였다.

▶ 많은 과학자들은 "우리의 뇌가 렘수면을 필요로 하는 이유는, 매일 밤 기능을 제대로 수행하기 위함이다"라고 주장해 왔다. 그 실마리는 여러 동물실험에서 나왔는데, 그 내용인즉 "며칠 동안 시궁쥐의 렘수면을 박탈한 후 정상적인 수면을 허용했더니, 반동현상(rebound phenomenon)이 나타나며 매일 밤 렘수면 시간이 늘어나더라"는 것이다. 마치 부족했던 렘수면을 보충하려는 듯이 말이다.

한편 어떤 연구자들은 "뇌는 대사균형을 유지하기 위해 렘수면이 필요하다"고 제안했다. 그들이 증거로 내세운 것은, 렘수면을 박탈당한 시궁쥐는 먹이를 더 많이 먹지만 체중이 증가하지 않는다는 것이다. 렘수면의 붕괴는 치명적일 수 있다. "렘수면을 박탈당한 시궁쥐는 2주 만에 죽을 것이다"라고 시걸은 말했다.

그러나 다른 연구에서는 렘수면의 중요성에 의문을 제기했다. 예컨대, 특정한 유형의 항우울제는 렘수면을 감소시키는데, 그런 약물을 복용하는 환자에게서 악영향의 증거는 발견되지 않았다는 것이다. 심지어 렘수면은 꿈꾸는 데 필수적이 아닐 수도 있다. 연구자들은 '사람들이 소위 서파수면(slow-wave sleep) 기간 동안에도 꿈을 꾼다'는 사실을 발견했다.

렘수면과 관련된 가장 황당한 증거 중 하나는 바다에서 나왔다. 러시아의 생물학자 레프 M. 무카메토프는 돌고래의 머리에 전극을 이식하고 관찰한 결과, "돌고래들이 수영할 때 뇌의 반쪽만 잠을 자고 나머지 반쪽은 각성을 유지할 뿐만 아니라, '잠자는 쪽'과 '깨어있는 쪽'을 전환할 수도 있다"는 사실을 발견했다. 그런데 무카메토프와 동료들이 아무리 살펴봐도, 돌고래가 렘수면을 한다는 증거는 전혀 발견되지 않았다.

그러나 렘수면을 취하지 않는 동물은 돌고래뿐만이 아니었다. 시걸과 무카메토프는 1990년대부터  팀을 이뤄 연구한 결과, 돌고래뿐만 아니라 다른 종(예: 귀신고래)에서도 반구전환수면(hemisphere-switching sleep) 패턴을 발견했다. 그들은 보다 최근에 더욱 충격적인 사실을 발견했으니, 스펙트럼의 양극단 사이에 있는 종(種)을 하나 찾아낸 것이다. 그 주인공은 바다와 육지 모두에서 정기적으로 수면을 취하는 포유동물 - 북방물개(Callorhinus ursinus)였다.

▶ 미국과 러시아의 연구자들은 네 마리의 북방물개를 공동 연구하기로 결정했다. 북방물개들은 바다에서 수 주 또는 수개월 동안 생활하지만, 육지에 올라와 짝짓기를 하고 새끼를 기르는 습성이 있다.

UCLA와 러시아의 세베르초프 생태진화연구소를 왕래하며 연구하는 올레그 I. 리아민(신경과학)은 물개에게 전극을 이식하고 허리에 데이터 기록기를 장착하여, 뇌·눈·근육·심장의 전기활성을 기록했다. 물개들은 풀(pool) 속에 머물렀는데, 물속에서 수영을 하거나 건조한 플랫폼 위에서 휴식을 취할 수 있었다.

연구자들은 이틀 동안 전기활성을 기록한 후 플랫폼을 치워, 물개들로 하여금 최대 2주 동안 풀 속에서 수영만 할 수 있게 했다. 그 다음에는 플랫폼을 다시 설치하여, 물개들로 하여금 물에서 나와 수면을 취하도록 허용했다.

연구자들이 관찰한 바에 따르면, 물개들은 플랫폼 위에서 육상 포유류와 매우 비슷한 패턴으로 잠을 잤다. 즉, 뇌 전체가 서파수면으로 들어갔고, 간헐적으로 렘수면기가 찾아왔다. 그러나 물속에서 잠을 자야 할 상황이 되면, 뇌의 패턴이 돌고래와 비슷하게 변하는 것으로 나타났다. 즉, 뇌 전체가 잠을 자지 않고, 한쪽 반구만 잠을 잔 것이다. 더욱이 물개들은 렘수면을 거의 경험하지 않았다. "물속에 있는 동안, 물개의 렘수면은 거의 0(zero)으로 내려가 그대로 머물렀다"라고 시걸은 말했다.

물개들은 플랫폼 위로 올라왔을 때 통상적인 렘수면 상태를 회복했다. 그러나 물속에서 오랫동안 렘수면을 취하지 않았음에도 불구하고 건강에 아무런 지장이 없어 보였으며, 반동현상이 나타나지도 않았다. "이번 연구결과는 '렘수면은 먹이나 물과 마찬가지로 포유류에게 필수적'이라는 통념을 뒤집는 것이다"라고 시걸은 말했다.

▶ 사실, 렘수면 박탈에 관한 선행연구들은 한때 주목을 받았지만 설득력이 부족했다. 선행연구의 연구자들은 잠든 동물들을 깨움으로써 렘수면에 들어가는 것을 막았다. "어떤 실험에서, 연구자들은 동물들을 하루에 천 번씩이나 깨웠다"라고 시걸은 말했다. 그러니 동물들의 건강을 해친 요인은 '렘수면 박탈 자체'보다는 '반복적으로 잠에서 깨어나는 데서 오는 스트레스'였을 가능성이 높다.

렘수면에 관한 좀 더 강력한 단서는 인간의 행동에서 발견될 수 있다는 게 시걸의 생각이다. 사람들은 스스로 잠에서 깨어날 때, 렘수면에서 벗어나 각성상태에 이른다. 그런데 서파수면에서 깨어난 사람은 그로기 상태에 빠져 방향감각을 상실한다. 왜 그럴까?

이와 관련하여, 시걸과 동료들은 다음과 같은 가설을 제시했다: "뇌는 서파수면 동안 냉각된다. 그러나 너무 차가워지는 것을 막기 위해, 뇌는 주기적으로 렘수면을 통해 뇌를 활성화시킨다. 그러면 산소가 풍부한 혈액이 뇌로 들어가 활성화에 필요한 연료를 공급하며, 그 과정에서 뇌가 따뜻해진다." "렘수면은 주기적으로 on/off 되면서, 뇌의 온도를 기능적인 범위 내에서 관리한다. 마치 당신의 가정용 난방기가 야간에 자동으로 on/off를 반복하는 것처럼 말이다"라고 시걸은 설명했다.

이러한 설명은 '돌고래들이 렘수면을 경험하지 않는 이유'와 '물개들이 수영하는 동안 렘수면을 경험하지 않는 이유'도 설명해줄 수 있다. 해양 포유류는 반쪽뇌(half-brain) 스타일의 수면방식을 진화시켰는데, 그 이유는 아마도 포식자에게 공격당하거나 익사하는 것을 막을 만큼의 각성상태를 유지하기 위해서였을 것이다.

그런데 뇌의 반쪽이 늘 활성화되어 있다면, 뇌는 늘 따뜻할 것이다. 따라서 그런 경우에는 렘수면이 촉발되지 않는다. 하지만 물개들이 육지로 올라와 뇌 전체가 잠드는 방식으로 전환할 경우에는 사정이 달라진다. 뇌 전체가 잠든다면, 뇌가 너무 차가워져 스위치를 전환해야 할 지경에 이르게 된다.

독일 막스 플랑크 조류학연구소의 수면 전문가 닐스 C.  라텐보그는 이번 연구를 가리켜, "렘수면의 중요성에 의문을 제기하는 강력한 증거를 추가했다"고 말했다. 그는 시걸의 뇌떨림 이론(brain-shiver theory)을 흥미롭게 여기지만, 후속연구를 통한 검증이 필요하다고 생각하고 있다.

"신경과학자들은 뇌간(brain stem)에서 한 무리의 뉴런들을 발견했는데, 그것들이 렘수면을 가동하는 스위치인 것으로 보인다. 시걸의 이론에 따르면, 물개의 경우에는 뇌간이 바다에서 따뜻하고 육지에서는 차가울 것으로 예측된다. 이 아이디어는 매우 흥미롭지만, 아직 검증되지 않았다"라고 라텐보그는 말했다.

- 필자: 칼 짐머, 『기생충 제국』의 저자

※ 참고문헌:
1. https://www.smithsonianmag.com/science-nature/the-stubborn-scientist-who-unraveled-a-mystery-of-the-night-91514538/
2. https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(18)30624-9

※ 출처: https://www.nytimes.com/2018/06/07/science/seals-mammals-sleep-brain.html

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양병찬 (약사, 번역가)
서울대학교 경영학과와 동대학원을 졸업하고, 은행, 증권사, 대기업 기획조정실 등에서 일하다가, 진로를 바꿔 중앙대학교 약학대학을 졸업하고 약사면허를 취득한 이색경력의 소유자다. 현재 서울 구로구에서 거주하며 낮에는 약사로, 밤에는 전문 번역가와 과학 리포터로 활발하게 활동하...
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