3'20" 읽기
- 뇌에 전극 네트워크를 이식한 13명의 뇌전증 환자에서 수면 인식의 신비를 조사
- 깊은 수면과 렘 수면에서도 뇌는 음향 자극에 대해 놀라울 정도로 강하게 반응
- 청각 피질의 활동과 밀접하게 연결된 80~200Hz의 주파수를 갖는 감마파 강도 피크 분명
- 깨어 있을 때 자극에 대한 인식은 알파 및 베타 뇌파가 상당히 약해지고 비동기화

수면: 음향 자극을 위한 일방통행
뇌는 수면 중 청각 자극을 예상보다 잘 처리하지만 피드백은 제공하지 않는다.

피질은 대답하지 않는다. 잠 잘 때 우리의 뇌는 여전히 소리에 반응한다. 그러나 예상과 다르게 반응한다. 연구에 따르면 음향 자극 신호는 더 높은 처리 수준으로 전달되어 그곳에서 분석된다. 수면 중에 누락된 것은 이러한 상위 뇌 영역의 피드백이다. 결과적으로 우리는 야행성 소음을 식별하거나 그것에 집중할 수 없다. 의식적인 인식이 없다. 

▲ 우리의 뇌는 잠자는 동안 소리에 반응하지만 여전히 의식적으로 인식하지 못한다. 왜 그럴까?

잠자는 동안 우리의 의식은 외부 세계와 단절된다. 감각과 뇌는 그렇지 않다. 깊은 수면 중에도 귀나 코는 여전히 외부 자극을 감지하여 뇌로 전달한다. 예를 들어, 향기는 우리의 꿈에 영향을 줄 수 있고 알람 시계는 아침에 우리를 깨울 수 있다. 연구에서 알 수 있듯이 자극의 특정 필터링도 발생한다. 지금까지 우리가 이러한 자극을 인식하지 못하는 이유와 수면 중 처리가 깨어 있는 상태에서의 처리와 어떻게 다른지 명확하지 않았다.

잠자는 뇌는 얼마나 잘 들을 수 있을까?

Tel Aviv University의 한나 하야트(Hanna Hayat)와 그녀의 동료들의 연구는 이제 이에 대한 답을 제공한다. 그들은 진단 목적으로 뇌에 전극 네트워크를 이식한 13명의 뇌전증 환자에서 수면 인식의 신비를 조사했다. 이를 통해 참가자의 뇌가 외부의 뇌파를 단순히 기록하는 것과는 달리 수면의 여러 단계에서 다양한 소리에 반응하는 방식을 정확히 추적할 수 있었다.

연구원들은 환자의 침대 옆에 확성기를 배치하고 처음에는 낮에, 그 다음에는 밤의 다른 시간에 딸깍 소리, 일련의 음조, 음악 조각 및 음성 녹음과 같은 부드러운 소음을 재생했다. 이식된 전극을 사용해 뇌의 다른 부분에 있는 약 50개 뉴런의 뇌파 유형과 강도를 기록했다. 동시에 각 수면 단계는 안구 운동, 근긴장도 및 정상 EEG를 통해 결정되었다.

▲ 그림 1 실험적 패러다임. a, 임상 모니터링을 위해 뇌전증 환자에게 이식된 왼쪽 깊이 전극(환자당 6-12개), 각각 구성 샤프트를 따라 8개의 1.5mm iEEG 접점과 말단 팁에서 돌출된 8개의 40μm 마이크로와이어가 LFP 및 스파이크 활동을 기록. 오른쪽 둘은 이식 후 컴퓨터 단층 촬영과 함께 등록된 대표적인 이식 전 자기 공명 영상은 동일한 전극의 위치를 ​​파악하는 데 사용된다. b, 신경 활동이 기록된 모든 사이트의 지형 표시(평면 피질 지도)(각 원은 하나의 iEEG 매크로전극을 나타냄) 또는 마이크로와이어 묶음) 깨어 있을 때 청각 반응을 관찰할 확률(반응 수/재생된 자극 수, 오른쪽의 컬러 막대). LH, 왼쪽 반구; RH, 오른쪽 반구. c, 하나에 기록된 iEEG의 대표적인 시간-주파수 표현(스펙트로그램) 간헐적 청각 자극으로 밤새 연구하는 동안 개인. 따뜻한 색상(예: 빨간색, 맨 오른쪽에 있는 색상 막대 참조) 표시 증가 특정 시간-주파수 창의 전력(y축의 왼쪽에 표시된 주파수). 중첩된 최면(검은 흔적)은 시간 경과를 표시한다. 절전/깨우기 상태(y축의 오른쪽에 표시됨). NREM 단계 N2 및 N3은 스핀들(10–15 Hz)의 증가된 출력과 관련이 있으며 느린 (<4 Hz) 주파수 범위. (출처: 관련논문 Fig .1 Reduced neural feedback signaling despite robust neuron and gamma auditory responses during human sleep)

강력하고 광범위한 대응

평가 결과, 깊은 수면과 렘 수면에서도 뇌는 음향 자극에 대해 놀라울 정도로 강하게 반응하는 것으로 나타났다. "수면 중 반응이 예상보다 훨씬 강력하고 광범위했기 때문에 우리는 놀랐다"라고 Hayat는 말했다. 이것은 특히 청각 피질의 활동과 밀접하게 연결된 80~200Hz의 주파수를 갖는 감마파 강도의 명확한 피크에서 분명했다. "이러한 감마-반응의 강도는 깨어 있는 상태보다 깊은 잠과 꿈에서 결코 약하지 않았다"라고 팀이 보고했다.

더 자세한 분석은 또한 음향 자극에 의해 촉발된 신호가 이전에 생각했던 것보다 뇌에서 더 오래 지속되고 더 많은 영역으로 전달되는 것으로 밝혀졌다. "최근까지 그러한 신호는 대뇌 피질에서 빠르게 사라진다고 믿어졌다"라고 Hayat는 설명했다. 이것은 우리가 잠자는 동안 소리를 의식적으로 인식하지 못하는 이유를 설명해야 한다. 소리는 의식의 영역에도 도달하지 못한다. "그러나 우리의 전극 데이터는 뇌의 신호가 청각 피질을 훨씬 넘어 한 스테이션에서 다음 스테이션으로 전달된다는 것을 보여준다.“

이것은 잠자는 동안 들리는 소리가 우리가 깨어 있을 때와 거의 같은 방식으로 뇌에서 초기에 처리된다는 것을 의미한다. 이러한 자극은 더 높은 처리 수준에 도달하고 필터링 및 분석된다.

하지만 피드백이 없다.

연구에서 밝혀진 바와 같이 결정적인 차이가 있다. 우리가 깨어 있을 때 자극에 대한 인식은 알파 및 베타 뇌파가 상당히 약해지고 비동기화 되도록 한다. 주파수가 10~30Hz인 이 파동은 이완 및 인식과 밀접한 관련이 있다. Hayat와 그녀의 동료들은 "우리 데이터에 따르면 알파-베타 감쇠가 없다는 것이 수면과 기상 사이의 자극 처리에서 가장 큰 차이를 보인다“라고 말했다.

이러한 뇌파의 약화는 뇌가 우리의 주의와 의식적 지각을 제어하는 ​​능동적 피드백 과정의 지표로 간주된다. 이 피드백은 일반적으로 특정 관련 자극에 대한 우리의 인식을 집중시키는 역할을 한다. Hayat와 그녀의 동료들은 "연구에 따르면 알파-베타 파동의 감쇠가 언어와 시각 자극 간의 더 나은 처리 및 구별과 관련이 있음을 보여주었다"라고 설명했다. 그러나 이 수준의 자극 처리(피드백)는 현재 결과에서 알 수 있듯이 수면 중에는 분명히 존재하지 않거나 크게 약해진다.

혼수상태 및 갇힌 증후군(locked-in syndrome) 지표

따라서 연구자들은 우리가 깨어 있을 때와 잠잘 때의 지각을 구별하는 요소를 발견할 수 있었다. "우리의 결과는 오래된 질문에 대한 중요한 열쇠를 제공한다. 우리는 거의 무의식적인 수면 상태에서 깨어 있을까?”라고 Hayat의 동료 유발 니르(Yuval Nir)는 말한다. "우리 연구에서 우리는 이제 새로운 단서를 찾았다.”

동시에, 새로운 발견은 혼수상태 또는 마취 상태와 같은 실제 무의식을 깨어 있는 콤마상태 또는 락트인 신드롬(locked-in syndrome)갇힌 상태와 구별하는 데 도움이 될 수 있다. 알파-베타 감쇠 정도는 환자가 의식적으로 음향 자극을 듣고 있는지 여부를 나타내야 한다. "우리는 이제 처음으로 사람의 음향 자극에 대한 의식적 지각을 평가하기 위한 정량적 측정을 갖게 되었다"라고 Nir는 말했다.
(nature, 2022; doi: 10.1038/s41593-022-01107-4)
출처: Tel-Aviv University

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]