과학자들은 처음으로 우리 뇌의 작은 영역이 우리가 깨어 있는 동안 마이크로초 길이의 낮잠을 자기 위해 닫혀 있다는 것을 발견했다. 게다가, 같은 영역이 우리가 잠들어 있는 동안 '깜빡' 깨어 있다. 이 새로운 발견은 수면 조절 장애와 관련된 신경 발달 및 신경 퇴행성 질환에 대한 중요한 통찰력을 제공할 수 있다.

세인트루이스의 워싱턴 대학교(WashU)와 캘리포니아 대학교 산타크루즈(UCSC)의 과학자들은 우연히 이러한 발견을 했으며, 우리가 깨어 있을 때 뇌의 한 작은 영역에서 뇌파가 단 몇 밀리초 동안 갑자기 꺼지는 것을 알아챘다. 그리고 같은 영역에서 그 뇌파는 우리가 잠들 때 같은 시간 동안 갑자기 흔들린다.

WashU의 생물학 조교수인 키스 헨겐은 "강력한 도구와 새로운 계산 방법을 사용하면 가장 기본적인 가정에 도전하고 '상태란 무엇인가?'라는 질문을 다시 살펴보면 얻을 수 있는 것이 매우 많습니다."라고 말했다. "수면 또는 각성은 행동의 가장 큰 결정 요인이며, 그 외 모든 것은 거기서부터 떨어집니다. 따라서 수면과 각성이 실제로 무엇인지 이해하지 못한다면, 우리는 배를 놓친 것 같습니다."

지금까지 수면과 깨어 있는 상태는 전반적인 뇌파 패턴에 의해 정의되었다. 즉, 깨어 있을 때는 알파파, 베타파, 세타파, 깨어 있지 않을 때는 델타파가 나타납니다. 따라서 이러한 '깜박임' 이상 현상은 지금까지 우리가 알고 있던 이러한 별개의 상태에 대한 지식에 도전한다.

"과학자로서 우리 뇌의 다른 부분들이 뇌의 나머지 부분이 깨어 있을 때 실제로 짧은 낮잠을 잔다는 사실을 발견한 것은 놀라운 일이었다. 하지만 많은 사람들이 이미 배우자에게서 이런 일이 일어날 것이라고 의심했을지도 모른다." UCSC의 생체분자공학 교수인 데이비드 하우슬러가 농담조로 말했다.

4년간의 연구에서 엄청난 양의 전기생리학 데이터를 수집한 과학자들은 쥐의 뇌 10개 영역에서 뇌파 전압을 기록했다. 몇 달 동안 그들은 작은 뉴런 그룹에서 마이크로초까지 활동을 추적했다. 그런 다음 페타바이트 규모의 데이터가 인공 신경망에 의해 분석되어 패턴을 파악하고 인간 연구에서 놓친 마이크로초 이상 현상을 분리했다.

"우리는 전례 없는 수준의 세부 정보를 보고 있습니다." Haussler가 말했다. "이전에는 아무것도 발견되지 않을 것이고, 모든 관련 정보는 더 느린 주파수 파동에 있다고 생각했다. 이 논문은 기존 측정을 무시하고 천분의 일초에 걸친 고주파 측정의 세부 정보만 살펴보면 조직이 잠들었는지 아닌지 알 수 있을 만큼 충분하다고 말한다. 이것은 매우 빠른 규모로 무언가가 진행되고 있다는 것을 알려줍니다. 수면에서 무슨 일이 일어나고 있는지에 대한 새로운 힌트입니다."

과학자들은 머신 러닝을 통해 뇌 활동 데이터의 밀리초 구간에 집중했고, 한 영역에서 두 개의 뉴런 사이의 빠른 활동이 주류에 반하는 것처럼 보이지만, 일반적으로 느리게 움직이는 델타파로 표현되는 수면에 필수적이라는 것을 발견했다. 그리고 그들은 고전적으로 깨어 있는 것으로 정의되는 기간 동안 반대 속도의 활동이 관찰되었는데, 연구팀은 이를 '깜박임'이라고 불렀다.

"우리는 신경과학이 지난 세기 동안 수면을 이해하고, 정의하고, 분석하는 데 사용한 모든 정보를 꺼내서 '이런 조건에서도 모델이 여전히 학습할 수 있을까?'라고 물었다." UCSC의 연구원인 데이비드 파크스가 말했다. "이를 통해 이전에는 이해하지 못했던 신호를 살펴볼 수 있었습니다."

기본적으로, 데이터가 보여주는 바는 우리가 깨어 있는 동안에도 뇌의 작은 영역에서 몇몇 뉴런이 수면 모드로 전환되고, 나머지 기관은 정상적으로 작동한다는 것.

WashU의 연구원인 에이단 슈나이더는 "이 뉴런이 발사된 개별 시점을 살펴보면 [뉴런이] 다른 상태로 전환되고 있다는 것이 매우 분명했습니다."라고 말했다. "어떤 경우에는 이러한 깜빡임이 개별 뇌 영역에만 국한될 수 있으며, 그보다 더 작을 수도 있습니다."

그런 다음 연구자들은 이러한 찰나의 마이크로 낮잠 동안 어떤 신체적 반응이 관찰될 수 있는지 알아보려고 시도했다. 그들은 쥐들이 잠깐 '멍하니' 있는 것처럼 보였고, 수면 중에도 같은 '깜박임' 순간에 동물들이 몸을 꿈틀거리는 것을 보고 놀랐다.

"우리는 깨어 있는 상태에서 REM 깜빡임, REM에서 비 REM 깜빡임까지를 봅니다. 우리는 이 모든 가능한 조합을 보고 있으며, 이는 100년의 문헌에 근거하여 예상할 수 있는 규칙을 깨뜨립니다." 헨겐이 말했다. "저는 이것이 거시 상태(전체 동물 수준에서의 수면과 각성)와 뇌의 기본 상태 단위(빠른 패턴과 국소 패턴) 사이의 분리를 보여준다고 생각합니다."

이번 연구 결과는 수면 장애와 관련된 질환에 대한 새로운 통찰력을 제공하고, 신경발달 및 신경퇴행성 질환 치료에 새로운 목표를 제시할 수 있다.

"이것은 우리에게 질병과 장애에 대한 이러한 질문을 자를 수 있는 매우, 매우 날카로운 메스를 제공할 가능성이 있습니다." 헨겐은 말했다. "우리가 수면과 각성에 대해 근본적으로 이해할수록, 우리는 관련된 임상적 및 질병 관련 문제를 더 많이 다룰 수 있습니다." 해당 연구는 Nature Neuroscience 저널에 게재되었다. 출처: 산타크루즈 대학교