쾌면의 과학

쾌면의 과학

이토 가즈히로 지음

시그마북스 / 2026년 5월 / 290쪽 / 19,000원





제1장 ‘왜’를 알 수 있는 ‘쾌면에 대한 과학’



규명이 시작된 ‘졸음의 정체’

수면과 각성의 원리는 ‘시시오도시’와 같다: “푹 잤는데도 여전히 졸리다.” 도대체 이 ‘졸음’이란 무엇이며, 우리는 왜 또 졸리게 되는 것일까요? 수면 연구 분야의 세계적 권위자이며 쓰쿠바대학교 국제통합수면의과학 연구기구 기구장인 야나기사와 마사시 교수는 “졸음의 메커니즘은 일본 정원에 있는 ‘시시오도시’에 비유할 수 있습니다”라고 말합니다.

시시오도시는 위를 향한 대나무 통에 조금씩 물이 고이는 장치입니다. 일정 수준 이상으로 물이 차면 통은 그 무게로 인해 기울어지면서 고였던 물이 쏟아지고, 다시 위를 향하게 됩니다. 이 통이 위를 향하고 있을 때가 ‘각성(깨어 있음)’이고, 쓰러졌을 때가 ‘수면’인 셈입니다. 이 비유에서 대나무 통에 고이는 물이 바로 ‘졸음’에 해당합니다. 인간은 깨어 있는 동안 조금씩 졸음이 쌓이고, 이것이 어느 일정 수준에 도달하면 각성에서 수면으로 전환됩니다. 그리고 충분히 자고 나면 졸음이 해소되어 다시 각성 상태로 돌아오는 것이죠.

“각성에서 수면으로의 전환은 약 1초 만에 이루어집니다. 갑자기 툭 하고 기울어지는 시시오도시와 똑같죠. 다만 아직 밝혀지지 않은 것이 세 가지 있습니다. 첫째, 물로 비유되는 ‘졸음’이란 도대체 무엇인가. 둘째, 물의 양을 측정하는 ‘대나무통’에 해당하는 것은 무엇인가. 셋째, 물이 충분히 찼을 때 통을 쓰러뜨려 수면으로 전환하는 ‘스위치’는 무엇인가 하는 것입니다.” (야나기사와 교수)

지난 10년 동안 수면과 각성을 전환하는 스위치에 관한 규명은 빠르게 진행되었습니다. 뇌의 여러 곳에는 각성을 촉진하는 방향으로 작용하는 신경세포 그룹과 이와 반대로 수면을 촉진하는 방향으로 작용하는 신경세포 그룹이 존재합니다. 이들은 시소처럼 서로를 억제하는 신경 회로를 형성하고 있는데, 반드시 어느 한쪽으로만 치우쳐 있으며 중간 상태가 없는 것으로 밝혀졌습니다. 이처럼 각성과 수면을 전환하는 스위치가 뇌 안에 존재한다는 것입니다.

“하지만 이 스위치가 어떻게 작동하는지는 여전히 미지수입니다. 물(졸음)이 가득 찼다는 정보가 스위치를 누르는 셈인데, 아직 그 메커니즘은 전혀 밝혀지지 않았습니다.” (야나기사와 교수)

졸음의 실체에 다가가는 연구가 주목받다: 야나기사와 교수팀이 2018년 과학 저널 네이처에 발표한 논문은 수수께끼에 싸여 있던 ‘졸음’의 실체에 다가간 연구로 주목받았습니다. 이 연구에서는 ‘슬리피(Sleepy)’라는 이름의 돌연변이 쥐가 사용되었습니다. 이 슬리피 쥐는 아무리 잠을 자도 졸음이 사라지지 않는 선천적인 과다수면증을 앓도록 유전자변이로 만들어 낸 쥐입니다.

“이 돌연변이 쥐는 특정 단백질에 인산기(phosphate group)를 붙이는 ‘인산화 효소’ 중 하나가 과도하게 작동하는 상태였는데, 아마도 이것이 아무리 자도 졸음이 해소되지 않는 이유로 추정됩니다. 즉, 특정 단백질에 인산기가 붙는 것이 졸음의 정체일 수 있다는 것입니다.” (야나기사와 교수)

반대로 유전자 변이가 없는 정상적인 쥐에게 약한 자극을 주면서 잠을 재우지 않고 계속 깨어 있게 했을 때, 특정 단백질의 인산화가 진행되는 것이 확인되었습니다. 슬리피 돌연변이 쥐의 뇌와 정상 쥐의 뇌를 비교한 결과, 80가지의 인산화 단백질이 발견되었는데 그중 69가지는 뇌의 신경세포끼리 결합하는 ‘시냅스’에 상주하는 것들이었습니다. 정상적인 쥐의 경우 잠을 자면 단백질의 인산화가 해소되었습니다. 마치 시시오도시의 대나무 통이 아래로 기울어지면서 고인 물을 쏟아내는 것과 비슷합니다.

“뇌의 신경세포는 시냅스를 통해 결합하면서 기억 단위나 연산 단위로 기능합니다. 이 시냅스에 있는 특정 단백질이 인산화되면 졸음이 강해지는 것입니다. 즉, 인산화를 촉진하는 유전자에 변이가 생긴 ‘슬리피’ 쥐는 인산화가 계속 진행되기 때문에 늘 졸립니다. 실제로 이 인산화를 약물로 억제하면 변이 쥐나 잠을 못 잔 쥐의 졸음이 줄어든다는 데이터도 나왔습니다.” (야나기사와 교수)

뇌는 잠에서 깨어 활동하는 동안 끊임없이 외부 정보를 받아들이고 작동합니다. 이 과정에서 쓰레기(Garbage)와 같은 잡다한 기억이나 불필요한 정보도 쌓이게 됩니다. 이와 동시에 시냅스 등에 있는 특정 단백질의 인산화가 진행되면서 졸음이 축적됩니다. 야나기사와 교수는 쓸데없는 기억과 정보를 정리하기 위해 수면이 촉진되는 것이 아닐까 추측합니다.

“컴퓨터로 치면 ‘오프라인 모드’, 그러니까 외부와 차단된 상태에서 유지보수를 하는 게 바로 ‘수면’인 셈이죠. 잠을 잘 때는 의식을 잃게 되는데, 동물에게 있어 의식을 잃는다는 것은 천적에게 습격당할 위험 등을 감수해야 하는 일입니다. 왜 유지보수를 위해 의식까지 잃어야 하는지 그 이유는 아직 모릅니다. 아마도 뇌가 외부에 계속 반응하는 상태에서는 불필요한 기억이나 정보를 충분히 정리할 수 없기 때문일 것입니다.” (야나기사와 교수)

곤충이나 문어, 해파리도 잠을 잔다: 잠을 자지 않는 동물은 없습니다. 포유류는 물론 양서류, 어류 등의 척추동물은 예외 없이 잠을 잡니다. 심지어 문어, 오징어, 곤충, 선충도 잠을 자는 것으로 밝혀졌습니다. 약육강식의 세계에서 외부 자극에 대한 반응이 느려지는 수면은 매우 위험한 행위입니다. 그럼에도 모든 동물이 잠을 자는 이유는 음식 섭취만큼이나 생존에 필수적이기 때문입니다.

야나기사와 교수는 수면이 애초에 “뇌를 위해 필요합니다”라고 설명합니다. 육체의 피로는 안정을 취하는 것만으로도 어느 정도 풀리지만, 뇌의 피로는 잠을 자지 않으면 결코 해소되지 않습니다. 실제로 깨어 있는 시간이 길어질수록 뇌의 기능은 급격히 저하됩니다.

“뇌가 없는 해파리조차 잠을 자는 것으로 알려져 있습니다. 즉, 수면이라는 기능이 뇌보다 먼저 등장한 셈인 것이죠. 동물의 고유한 특성인 신경계 덕분에 동물은 몸을 원하는 대로 움직이며 먹이를 잡거나 도망칠 수 있습니다. 이 신경계가 진화하며 복잡해지는 과정에서 수면은 생존을 위한 필수적인 요소로 자리 잡았습니다.” (야나기사와 교수)

7시간을 잤는데도 3시간처럼 느껴지는 이유

‘수면 부족’과 ‘불면증’: 수면 부족과는 별개로 ‘잠들고 싶어도 마음대로 잠들지 못하는’ 불면증 문제도 심각합니다. 불면증의 대표적인 증상으로는 잠들기까지 시간이 오래 걸리는 입면 장애와 중간에 깨버리고 다시 잠들지 못하는 수면 유지 장애 등이 있습니다. 이런 증상들이 수 개월간 반복되고 낮 동안의 졸음이나 피로감으로 인해 일상생활에 지장을 초래한다면 ‘불면증’일 가능성이 높습니다. 야나기사와 마사시 교수는 불면증이 어느 유형이든, 본인이 ‘잠을 잘 수 없다’라고 느끼는 지극히 주관적인 증상 기술에 따라 진단이 내려진다는 점을 지적합니다. 예를 들어, 잠드는 데 2시간이 넘게 걸렸다고 느낄지라도 이는 체감일 뿐 객관적인 수면 데이터를 측정한 건 아니라는 것입니다.

실제로는 잤지만 깨어 있었다고 느끼는 ‘수면 오인’: 야나기사와 교수는 “실제 수면 상태와 본인이 느끼는 수면의 양상이 일치하지 않는 사례가 빈번합니다”라고 설명합니다. “뇌파를 측정해 보면 실제로 7시간을 잤음에도 본인은 3시간밖에 못 잤다고 느끼는 경우가 있습니다. 이를 이른바 ‘수면 오인’ 상태라고 합니다. 불면증은 환자의 호소, 즉 주관적 피드백을 바탕으로 진단합니다. 따라서 실제로는 잠을 잤더라도 본인이 잠을 못 잤다고 느낀다면, 임상적으로는 ‘불면증’이라 할 수 있습니다.” (야나기사와 교수)

왜 이런 현상이 일어나는지 상세한 메커니즘은 아직 밝혀지지 않았습니다. 어쩌면 ‘완벽한 숙면’에 대한 집착 때문에 잠이 조금만 얕아져도 ‘잠을 설쳤다’라고 느끼는 것일지도 모릅니다. 혹은 일종의 불안장애 때문일 수도 있습니다. 이유야 어찌 되었든 설령 실제로 잠을 잤더라도 본인이 ‘한숨도 못 잤다’라고 느낀다면 그 고통은 부정할 수 없을 만큼 괴로울 것입니다. 문제는 정신적 고통에만 그치지 않는다는 점입니다. 수면 시간이 부족하면 혈당과 혈압이 상승해 결과적으로 수명이 단축되는 것으로 밝혀졌습니다. 실제로 잠을 못 자는 ‘객관적 불면’과 함께 이러한 ‘주관적 불면’ 역시 신체적 이상 증상이 나타날 수 있습니다. 다행히 수면 오인의 경우 객관적 정밀 검사를 통해 자신의 수면 상태에 특별히 문제가 없음을 확인하는 것만으로도 불면 증상이 호전되는 사례가 적지 않습니다.



제2장 ‘수면과 인체’의 신기한 관계



뇌는 수면 시에 활성화되어 기억을 정착시킨다

시험관 속에서 ‘잠자는’ 뇌 신경세포: 일본 도쿄대학교 대학원 의학계연구과 교수인 우에다 히로키 교수는 자신의 저서 『뇌는 잠을 통해 대진화한다』에서 최근 급속도로 발전한 수면 연구의 발자취를 되돌아보며 최신 연구를 통해 어떤 사실들이 밝혀졌는지 설명합니다. 그중에 괄목할 만한 발견이 있습니다. 지금까지 수면이라고 하면 심신이 쉬는 시간이며, 각성이 ‘동(動)’이라면 수면은 ‘정(靜)’이라고들 생각해왔습니다. 그런데 사실 수면은 단순한 휴식이 아니었다는 것입니다.

“예전부터 뇌는 깨어 있을 때 활발하고 수면 중에는 멈춘 상태로 여겨져 왔는데, 사실은 그렇지 않습니다. 오히려 뇌는 각성 시보다 수면 시에 더 활발하게 작동하고 있을 가능성이 있는 것으로 밝혀졌습니다”라고 우에다 교수는 말합니다. 이러한 발견의 배경에는 시험관 안에서 뇌 신경세포(뉴런)를 배양하고 관찰할 수 있게 된 실험 기법의 발전이 있었습니다.

2012년 스위스 로잔대학교의 메디 타프티 교수는 쥐에게서 대뇌피질을 적출해 그 세포를 시험관 안에서 배양했습니다. 이윽고 신경세포끼리 서로 연결되기 시작하고, 때때로 수면과 유사한 뇌파 패턴을 보이기 시작했습니다. 뇌 신경세포는 육체에서 분리된 시험관 속에서도 ‘잠을 자는’ 것입니다. 여기에 아드레날린, 도파민, 히스타민, 아세틸콜린처럼 각성 시 분비되는 신경전달물질을 첨가하면 신경세포는 ‘깨어나서’ 원래 상태로 돌아갑니다.

“대뇌피질의 신경세포는 단독으로도 잠을 자며, 시험관 안에서 자고 깨기를 반복합니다. 이는 기본적 특징입니다. 이러한 사실은 생체 내에서 관찰된 뇌의 일부만 잠드는 ‘로컬 슬립(Local Sleep)’이라는 현상을 통해서도 어느 정도 예측되었던 부분입니다.” (우에다 교수)우에다 교수팀이 본격적으로 배양 신경세포 연구를 시작한 것은 2020년부터입니다.



기억을 정착시키려면 수면 시간을 줄이면 안 된다: 뇌 신경세포가 전기신호를 내는 것을 ‘발화(發火)’라고 합니다. 발화해서 다른 신경세포에 전기신호가 송출되면 정보가 전달됩니다. 두 개의 신경세포가 동시에 또는 거의 동시에 발화하면, 그 사이의 연결 고리(시냅스)가 강화됩니다. 이 연결이 강해진다는 것은 정보가 뇌에 정착하고 기억이 확실하게 저장됨을 의미합니다. 우에다 교수팀은 수면 시와 각성 시에 신경세포의 발화 양상이 어떻게 변하는지 조사했습니다.

“평균 발화 수치를 보면 예상대로 각성 시가 더 높았는데, 자세히 조사해보니 최대치는 수면 때가 더 높았습니다. 최대치가 높을수록 신경세포의 연결은 강해집니다. 즉, 신경세포는 잠을 잘 때가 학습(기억) 효율이 더 좋다는 뜻입니다. 깨어 있을 때 잊어버리기 쉽고, 잠자고 있을 때 기억이 더 잘 된다는 사실이 밝혀진 것이죠.” (우에다 교수)

수면에는 기억을 정착시키는 작용이 있습니다. 따라서 수면 시간을 줄여가면서까지 시험공부를 하는 것은 오히려 비효율적이라는 사실은 이미 잘 알려져 있었습니다. 이 오랜 통념이 이번 연구를 통해 과학적으로 증명되었다고 할 수 있습니다. 잠을 자는 동안에도 뇌 신경세포는 열심히 일하고 있습니다. 뇌에 있어 수면은 단순한 휴식이 아니라 낮에 입력된 정보를 기억으로 정착시키기 위한 중요한 시간이었던 셈입니다.

렘수면의 가치: 수면은 크게 ‘렘수면’(rapid eye movement sleep; 급속 안구운동 수면)과 ‘논렘수면’으로 나뉘는데, 비록 렘 ‘수면’이라는 이름이 붙어 있긴 하지만 실은 이때의 신경 활동은 깨어 있을 때와 별반 다르지 않다고 합니다. 렘수면과 논렘수면은 약 90분 주기로 반복됩니다. 렘수면은 전체 수면의 약 20%를 차지하며 수면 후반부에 많이 나타납니다. 렘수면 중에는 꿈을 꾸는 일이 많은데, 동물 실험 결과 렘수면 시 대뇌피질의 혈류량은 논렘수면이나 각성 시보다 2배 가까이 증가하는 것으로 확인되었습니다.

2018년 우에다 교수팀은 이러한 렘수면에 필수적인 유전자를 발견했습니다.

“아세틸콜린 수용체 중, 다섯 종류 있는 무스카린 형의 1번과 3번 유전자를 비활성화(knock out)시키자 전체 수면량이 대폭 줄어듦과 동시에 렘수면이 사라진다는 사실이 밝혀졌습니다. 즉, 이것이 렘수면의 필수 유전자입니다.” (우에다 교수)

최근 몇 년간 수면 의학계에서는 렘수면에 관한 관심이 높아지고 있습니다. 렘수면은 과거에 인식되었던 단순히 ‘얕은 잠’이 아니라 생존에 꼭 필요한 잠이라는 사실이 밝혀지고 있습니다. 하지만 왜 논렘수면과 렘수면이 반복되는지, 왜 대뇌피질의 혈류량이 증가하는지 등 여전히 풀리지 않은 수수께끼가 많이 남아있습니다. 우에다 교수는 렘수면의 가치에 대해 다음과 같은 견해를 밝히고 있습니다.

“논렘수면은 신경세포끼리의 연결을 만들거나 강화하기에 좋은 상태입니다. 반면 각성 시와 매우 유사한 뇌파 패턴을 보이는 렘수면 단계에서는 솎아내고 정리하는 작업이 이루어진다고 볼 수 있습니다. 즉, 논렘수면에서 새로운 연결이 생겨나고, 렘수면 때 그 새로운 연결 중 필요한 것들이 선택되는 것입니다.” (우에다 교수)



제3장 심신 피로와 수면 회복감



자율신경은 ‘뇌’에 산소와 영양을 공급한다

교감신경과 부교감신경의 작용: 수면과 자율신경은 떼려야 뗄 수 없는 관계에 있습니다. 자율신경이란 생존을 위한 기본 기능을 ‘자율적으로’ 조절하는 신경 시스템을 말합니다. 호흡, 소화 흡수, 심장박동, 체온 등을 조절해 뇌와 몸을 항상 안정된 상태로 유지합니다. 이를 항상성(Homeostasis)이라고 합니다.

일본 도쿄 피로·수면 클리닉의 가지모토 오사미 원장은 자율신경의 최대 목적이 “뇌에 산소와 영양을 안정적으로 공급함과 동시에 뇌 온도를 안정시키는 것”이라고 지적합니다. 자율신경에는 몸이 활동할 때 우위가 되는 교감신경과 휴식할 때 우위가 되는 부교감신경의 두 종류가 있습니다. 교감신경이 우위가 되면 심박수와 호흡이 빨라지고 위장 등의 소화 활동이 억제되며 아드레날린이나 노르아드레날린과 같은 호르몬이 분비됩니다. 반면 부교감신경이 우위가 되면 심박수나 호흡이 느려지고 소화 활동이 활발해지며 신경세포에서 신경전달물질인 아세틸콜린이 분비됩니다.

예를 들어, 운동할 때 교감신경이 우위가 되는 것은 근육에서 대량의 산소를 소비하기 때문입니다. 그대로 놔두면 중요한 뇌로 보낼 산소가 부족해지므로 호흡과 맥박을 빠르게 해 산소를 흡입하는 양과 전신으로 전달하는 속도를 높이는 것입니다. 이때 땀이 나는 것은 체온이 너무 올라가서 뇌가 열사병 상태가 되는 것을 막기 위해서입니다. 뇌를 보호하고 몸의 항상성을 유지하기 위해 자율신경은 24시간 내내 쉬지 않고 일합니다.

반면 수면 중에는 당연히 부교감신경이 더 우세해집니다. 그런데 큰 걱정거리나 스트레스가 있으면 교감신경 우위가 계속되기 때문에 제대로 잠들 수가 없습니다. 업무 스트레스로 불면증이 생기는 것은 바로 이 때문입니다. 즉, ‘침대에 눕자마자 부교감신경이 우위’가 된다면 그대로 푹 잘 수 있다는 논리가 성립하지만, 실제로는 그렇지 못한 경우가 많습니다.