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- 피험자 눈에 패치 부착, 눈 깜박임 없이 눈꺼풀 마르지 않고 몇 시간 동안 열린 상태
- EEG 사용해 수면 중 피험자의 뇌파를, ECG로 심장 박동을 기록한 후, 밤에 음향 자극
- 동공 크기의 빠르고 미세한 변화는 뇌 활동과 측정된 뇌파와 밀접한 관련
- 수면 장애 동반하는 경우가 많은 외상 후 스트레스 장애나 알츠하이머병 등의 다른 질병도 동공을 살펴보면 발견할 수 있을 것으로 기대

수면 중 동공과 뇌의 연관성

동공 폭은 수면 중 뇌 활동을 보여준다
투명한 '안대'로 잠자는 뇌에 대한 새로운 통찰력을 얻다.

눈은 수면 지표다. 연구자들은 투명한 안대를 사용해 우리가 잠을 자는 동안에도 동공의 너비가 계속 변한다는 사실을 발견했다. 동공의 변화는 이전에 생각했던 것보다 밤에 우리 뇌에서 더 많은 일이 일어난다는 것을 보여준다. 연구진이 "Nature Communications"에 보고한 바와 같이, 우리의 뇌는 끊임없이 다양한 활성화 수준 사이를 전환한다. 

▲ 동공의 크기는 우리 뇌에서 무슨 일이 일어나고 있는지에 대해 많은 것을 보여준다. 이는 잠을 잘 때의 동공에도 적용된다. pixabay

우리가 잠들 때 뇌에서는 무슨 일이 일어날까? 이에 대한 초기 결과는 EEG를 사용한 뇌파 측정을 통해 제공되었다. 예를 들어, 그들은 서로 다른 수면 단계 사이의 활동에 차이를 보였다. 그러나 이런 측정만으로는 수면 중인 사람의 뇌에서 일어나는 과정을 자세히 설명하기에 충분하지 않다. 관련 뇌 영역이 뇌줄기 깊숙한 곳에 있어 기술적으로 접근하기 어려운 경우도 있기 때문이다.

하지만 우리의 뇌 활동에 대해 많은 것을 보여주는 외부 지표도 있다. 바로 동공이다. 우리가 깨어 있을 때, 눈의 폭은 빛의 세기에 따라 변할 뿐만 아니라, 우리의 감정과 다른 신경 과정도 반영한다. 하지만 잠을 잘 때는 우리는 보통 눈을 감고 있다. 따라서 눈꺼풀 밑에서 무슨 일이 일어나는지, 그리고 동공의 크기와 밤에 뇌 활동 사이에 연관성이 있는지는 지금까지 숨겨진 문제였다.

눈을 뜨고 잔다

ETH 취리히의 마누엘 카로-도밍게스가 이끄는 연구진은 이제 잠자는 사람의 동공의 움직임을 관찰하는 방법을 찾아냈다. 이를 위해 그들은 특별한 기술을 사용하여 17명의 피험자의 한쪽 눈에 투명한 패치를 붙였다. 이렇게 하면 눈 깜박임이 없어 눈꺼풀이 마르지 않고 몇 시간 동안 열려 있는 상태를 유지할 수 있다.

그런 다음 연구팀은 피험자들을 수면 실험실에서 하룻밤 자게 한 뒤 적외선 카메라로 동공의 움직임을 기록했다. 패치는 방해가 되지 않았다. 카로-도밍게스는 "어두운 방에서는 대부분 사람이 눈이 아직 뜨여 있고 여전히 잠을 잘 수 있다는 사실을 잊는다"고 보고했다. 동시에 연구진은 EEG를 사용하여 수면 중인 피험자의 뇌파를, ECG를 사용하여 심장 박동을 기록한 후 밤에 여러 번 음향 자극을 들려주었다.

▲ 연구자들은 새로운 유형의 눈꺼풀 고정을 사용하여 잠자는 사람의 눈을 뜨고 동공의 움직임을 관찰할 수 있었다. © ETH 취리히

동공 크기의 끊임없는 변화

평가 결과, 수면 단계에 따라 동공이 때로는 더 확장되기도 하고 때로는 덜 확장되기도 하는 것으로 나타났다. 예를 들어, 가벼운 꿈 수면(REM)에서 피험자의 동공은 특히 작았고, 깊은 수면 단계(NREM)에서 동공의 크기는 다양했지만 깨어 있을 때보다 항상 작았다. 카로-도밍게스와 그의 팀에서 발견한 바와 같다.

또한 동공의 크기도 짧은 간격으로 변동했다. 때로는 몇 초, 때로는 몇 분 내에 변동했다. 자세히 분석한 결과, 동공 크기의 빠르고 미세한 변화는 뇌 활동과 측정된 뇌파와 밀접한 관련이 있는 것으로 나타났다. 심지어 더 작은 수면 구간과 수면 단계의 하위 구조, 소위 스핀들과 K-복합체도 동공 크기와 확실하게 연관되어 있었다.

신경 활동 수준

"이러한 역학은 각성 상태 또는 수면-각성 조절을 담당하는 뇌 영역의 활성화 수준을 반영한다"고 ETH 취리히의 수석 저자인 캐롤라인 루스텐버거가 설명했다. 따라서 우리의 뇌는 수면 중에도 더 높은 수준의 활동과 더 낮은 수준의 활동 사이를 끊임없이 전환한다. 실험 결과에 따르면, 피험자들은 현재 활성화 수준과 동공 크기에 따라 다양한 강도로 소리에 반응했다.

Lustenberger는 "이러한 관찰 결과는 수면 중 각성 수준이 근본적으로 낮다는 이전 가정과 모순된다"고 말했다. 그 대신, 이번 결과는 설치류의 경우 수면 중에 뇌 활성화 수준이 변동한다는 최근 연구를 확인시켜 주었다.

동공으로 수면의 질을 알 수 있을까?

이전 연구에 따르면 청색 반점(locus coeruleus)이 활동 수준, 수면 단계, 각성을 조절하는 데 중요한 역할을 하는 것으로 나타났다. 후속 연구를 통해 뇌간의 이 작은 영역이 수면 중 동공 변화에 직접적인 영향을 미치는지가 밝혀질 것이다. 이를 위해 과학자들은 약물을 이용해 청색 반점의 활동에 영향을 미치고, 이것이 동공 역학에 어떻게 영향을 미치는지 조사하려고 한다.

이러한 연구는 수면 중 동공의 변화가 활성화 시스템과 수면의 질 장애에 대한 단서를 제공할 수 있는지도 밝혀낼 것이다. 이러한 지식은 수면 장애를 더 잘 식별하고 치료하는 데 도움이 될 수 있다. 연구팀은 수면 장애를 동반하는 경우가 많은 외상 후 스트레스 장애나 알츠하이머병 등의 다른 질병도 동공을 살펴보면 발견할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

학생들이 "뇌의 창"으로서 의학에 대한 새로운 가능성을 열 수 있도록, 패치 기술은 앞으로 병원에서도 활용될 예정이다.
(Nature Communications, 2025; doi: 10.1038/s41467-025-57289-5)
출처: ETH Zurich

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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