뇌의 많은 노폐물, 과학자들이 그 행방을 좁히다

 (npr.org)
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  • 뇌의 약 1,700억 개 세포가 만드는 노폐물은 건강 유지와 신경퇴행성 질환 이해의 핵심 단서이며, Nature 연구 3편은 수면 중 노폐물이 빠져나가는 경로를 더 구체화함
  • 깊은 수면의 느린 전기파가 세포 주변 액체를 뇌 깊은 곳에서 표면으로 밀어내고, 이 액체가 혈류를 거쳐 간과 신장으로 이동하는 흐름이 관찰됨
  • 제거 대상에는 알츠하이머병 플라크와 관련된 아밀로이드가 포함되며, 알츠하이머병에서는 이 청소 시스템이 손상된다는 증거가 늘고 있음
  • 생쥐 실험에서 초당 40회의 소리와 빛 자극은 같은 빈도의 뇌파를 유도했고, 뇌척수액 유입·더러운 액체 배출·아밀로이드 운반을 늘림
  • 사람에게 같은 방식으로 작동하는지는 아직 확인이 필요하지만, 노화·손상·뇌혈관 막힘이 이 시스템을 저해할 수 있어 알츠하이머병, 파킨슨병, 두통, 우울증 연구와 맞닿아 있음

뇌 노폐물 제거 경로가 다시 주목받는 이유

  • 뇌에는 약 1,700억 개 세포가 있으며, 정상적인 활동만으로도 많은 노폐물이 생김
  • 건강한 뇌는 이 잔해를 씻어내야 하지만, 노폐물이 어디로 빠져나가는지는 오래도록 명확하지 않았음
  • 두 연구팀이 Nature에 발표한 3편의 논문은 뇌의 노폐물 제거 시스템을 더 구체적으로 설명함
  • 이 결과는 여러 뇌 질환을 이해하고 치료하거나 예방하는 연구에 단서가 될 수 있음

수면 중 전기파가 액체를 밀어냄

  • 깊은 수면 중 느린 전기파가 뇌 깊은 곳의 세포 주변 액체를 뇌 표면으로 밀어내는 것으로 보임
  • 뇌 표면의 정교한 인터페이스는 그 액체 속 노폐물을 혈류로 흡수하고, 혈류는 이를 간과 신장으로 보내 몸 밖으로 제거함
  • 이 과정에서 함께 운반되는 대표적 노폐물이 아밀로이드임
    • 아밀로이드는 알츠하이머병 환자 뇌에서 끈적한 플라크를 형성하는 물질임
    • 알츠하이머병에서는 뇌의 노폐물 제거 시스템이 손상된다는 증거가 늘고 있음

글림프 시스템과 “뇌 배관” 비유

  • Jeffrey Iliff와 Dr. Maiken Nedergaard는 10여 년 전 뇌 안팎의 맑은 액체가 노폐물을 씻어내는 시스템의 일부라는 생각을 제안함
  • 이 시스템은 glymphatic system으로 불림
    • 이름은 감염 방어, 체액 유지, 노폐물과 비정상 세포 여과를 돕는 림프계에서 따온 것임
  • Jonathan Kipnis는 이 시스템을 집의 배관에 비유함
    • 깨끗한 물이 들어오고, 손을 씻은 뒤 더러운 물이 나가는 구조와 같음
  • 림프계는 얇은 관 네트워크로 노폐물을 혈류까지 운반하지만, 뇌에는 이런 관이 없음
  • 핵심 의문은 뇌 한가운데 있는 노폐물 분자가 어떻게 뇌 경계까지 이동하고, 결국 몸 밖으로 빠져나가느냐였음

생쥐 연구가 보여준 두 단계

  • 2012년과 2013년 Iliff와 Nedergaard는 잠자는 동물에서 뇌척수액이 뇌를 빠르게 통과하며 노폐물을 씻어낸다는 결과를 제시함
  • 이후에는 액체를 무엇이 밀어내는지, 노폐물이 뇌 조직과 혈류를 분리하는 장벽을 어떻게 넘는지가 남은 질문이 됨
  • Kipnis 연구팀은 동물이 깊은 수면에 들어갈 때 나타나는 느린 전기파의 세기를 측정함
    • 연구팀은 이 파동 측정이 세포 사이 공간의 액체인 간질액 흐름 측정과 연결된다고 봄
    • 파동은 뉴런 활동을 동기화하고, 뉴런을 작은 펌프처럼 작동시켜 액체를 뇌 표면으로 밀어내는 신호로 작동함
    • 이 결과는 2월 Nature 논문으로 발표됨: Nature 논문
  • MIT 과학자들이 이끈 다른 연구팀도 느린 전기파가 노폐물 제거를 돕는다는 추가 증거를 제시함
    • 알츠하이머병 형태를 보이는 생쥐에게 초당 40회 발생하는 소리와 빛 자극을 가함
    • 자극은 같은 느린 빈도의 뇌파를 유도함
    • 테스트에서 깨끗한 뇌척수액의 뇌 유입과 더러운 액체의 배출이 증가함
    • 배출되는 액체에는 알츠하이머병 환자 뇌에 축적되는 아밀로이드가 포함됨
    • 해당 연구도 Nature에 발표됨: Nature 논문

뇌 장벽을 빠져나가는 출구

  • Kipnis는 별도 논문에서 아밀로이드를 포함한 노폐물이 뇌를 보호하는 막을 어떻게 통과하는지 다룸: Nature 논문
  • 연구팀은 이 막을 통과하는 정맥에 주목함
    • 정맥 주변에는 완전히 밀봉되지 않은 소매 같은 공간이 있음
    • 이 공간을 통해 뇌척수액이 빠져나오고, 노폐물이 몸의 림프계로 전달됨

사람에게 적용하려면 남은 과제

  • 새 연구들은 뇌 노폐물 제거에 두 단계가 필요하다고 봄
    • 노폐물을 뇌를 둘러싼 뇌척수액으로 밀어 넣는 단계
    • 이를 림프계로 옮기고 결국 몸 밖으로 내보내는 단계
  • Iliff는 두 단계를 따로 설명할 수 있지만, 생물학적으로는 거의 확실히 연결돼 있다고 봄
  • 생쥐에서 나온 많은 결과는 아직 사람에게 확인되어야 함
    • 설치류와 사람의 해부학적 차이는 상당함
  • 결과는 알츠하이머병 같은 신경퇴행성 질환의 위험 요인 연구와도 맞물림
    • 노화, 손상, 뇌혈관을 막는 질병은 뇌 노폐물 제거 시스템을 저해할 수 있음
    • 이 요인들은 모두 알츠하이머병 위험 요인임
  • 노폐물 제거 장애는 파킨슨병, 두통, 우울증에도 관여할 수 있음
  • 느린 전기파를 유도하는 방식처럼 뇌가 스스로 청소하도록 돕는 접근은 다양한 질환 예방 연구로 이어질 수 있음
  • 정정 사항: 실험에서 사용된 소리와 빛 자극은 분당 40회가 아니라 초당 40회였음

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GN⁺   [-]
Hacker News 의견들

  • 깊은 수면 부족이 알츠하이머와 치매 위험을 높인다는 이론과도 잘 맞음
    https://www.medicalnewstoday.com/articles/not-getting-enough...

  • 알츠하이머 형태를 보이는 생쥐에게 초당 40번 발생하는 소리와 빛 자극을 줬고, 그 자극이 같은 느린 주파수의 뇌파를 유도했다는 내용임
    실험에서는 깨끗한 뇌척수액이 뇌로 들어가고 더러운 액체가 밖으로 나가는 흐름이 늘었으며, 그 액체가 알츠하이머 환자 뇌에 쌓이는 아밀로이드를 운반하는 것도 확인됨
    그렇다면 수면 대신 TMS 같은 걸 쓸 수 있다는 뜻인지, 또 이 시스템의 실패나 기능 저하가 전자기파에 “알레르기”가 있다는 사람들을 설명할 수 있는지도 궁금함

    • 뇌 청소는 수면 중 수행되는 기능 중 하나일 뿐이고, 유일한 기능은 아님
      인위적으로 이걸 유도할 수 있어도 신체 회복처럼 수면 중 강화되는 다른 기능 때문에 여전히 잠은 필요할 가능성이 큼
      다만 수면 필요량을 줄이거나 수면 부족의 해로운 효과 일부를 완화할 가능성은 있을 수 있음
    • 좋은 경험칙이 있음: 10억 년의 진화를 되돌리려 할 때마다 대개 예상치 못한 부작용이 생김. 그냥 자는 게 나음
    • 생쥐 모델은 실제 질병 경로와 관련된 무언가를 예측하는 데 형편없기로 악명 높음
    • 초당 40번이 40Hz라면, 인간의 깊은 수면치고는 꽤 높은 주파수임
      40Hz는 강한 패턴 인식이나 집중된 주의에 가까워 보임
    • “수면 대신 TMS 같은 걸 쓸 수 있다는 뜻인가?”
      새로운 하루 20시간 근무제 덕분에 조만장자들이 엄청난 이득을 보겠음

  • “뇌가 스스로 청소하도록 돕는 방법, 예를 들어 느린 전기파를 유도하는 방법을 찾으면 다양한 장애를 예방할 수 있다”는 대목을 읽자마자 바이노럴 비트가 떠올랐음
    대학 때 너무 피곤한데 할 일이 많을 때마다 쓰던 비트가 있었고, 20분 정도 짧게 자면서 회복하는 데 도움이 됐음
    때로는 낮잠 자체도 필요 없고, 그 시간 동안 마음을 비트에 맡기는 것만으로 충분했음
    그 효과 일부가 “깊은 청소”를 유발하는 것이라면, 이런 장애를 줄이는 방법이 될 수도 있겠다는 생각이 듦

    • 예전에 똑똑해지거나 차분해진다는 식의 트랙을 팔았던 걸로 기억함
      전설적으로 1000달러짜리라던 가장 비싼 트랙을 토렌트로 받았는데 아무 변화도 없었고, 어쩌면 돈을 안 내서 그랬을지도 모름 :)
    • 소리 파동이 어떻게 뇌의 전기파에 영향을 주는지 모르겠음
      뇌를 청소하려면 뇌 조직 자체에 직접 작용해야 할 것 같고, 그게 가능해 보이지는 않음

  • 생쥐에게 빛과 음악 쇼를 보여줘서 뇌 노폐물 배출을 유도했다는 게 꽤 놀라움
    밤에 쓰고 자면 수면 중 그 과정을 가속해, 실제 수면 시간을 몇 배로 늘린 것처럼 만들어주는 모자가 발명되면 좋겠음
    의사, 트럭 운전사, 조종사처럼 힘든 근무 일정을 가진 사람들에게 효과적일 수 있음

    • 그런 게 발명되면 사실상 의무 장비가 될 것임
      쓰지 않으려는 사람은 쓰는 사람들과의 경쟁에서 밀려 일자리를 잃게 될 테니까
    • AffectableSleep.com에서 약 4년째 이걸 연구 중임
      40Hz도 아니고 빛도 아니며, 인간 대상 연구가 10년 넘게 있는 위상 표적 청각 자극을 다룸
    • 즉흥적인 재미있는 가설인데, EDM 콘서트의 라이트 쇼가 특정 효과를 유도하는 것과 관련이 있을지 궁금함
    • 이미 바이노럴 비트 형태로 비슷한 것이 있을 수도 있음
      모자는 아니지만 이어폰 한 쌍과 앱 또는 오디오 트랙이면 됨
    • 아직 안 해봤다면 자기 전에 멜라토닌을 먹어보는 것도 좋음
      수면 시간은 줄었는데 더 개운하게 일어나는 걸 느꼈음

  • “수면 중 느린 전기파가 뇌 깊은 곳에서 표면으로 세포 주변 액체를 밀어낸다”면, 그게 꿈인 건가?
    전기파와 액체가 뇌세포를 두드리는 것?

    • 몇 년 전 읽은 책에서는 꿈이 뇌의 여러 영역이 영역을 방어하는 방식이라고 했음
      잠을 자면 시각 처리 영역의 뉴런이 입력 신호를 받지 않게 되고, 그러면 이 뉴런들이 주변 영역에 쓰일 수 있음
      그 장악을 막기 위해 가짜 신호를 만들어 바쁘게 유지한다는 이론이었고 꽤 멋졌음
      책 이름을 찾았는데 David Eagleman의 Livewired였음
    • 꿈은 렘수면 중에 일어남

  • 실험에 쓰인 오디오를 재현할 수 있었음
    sox -b 32 -Dr 96k -n 40hz_1ms_pulse_1hour.flac synth 0.001 sin 10k fade t 0.0005 0 0.0005 pad 0.024 repeat 140000
    목표는 초당 40번 입력 뉴런을 자극해서 그 주파수가 가능한 한 뇌 깊고 넓게 들어가도록 만드는 것으로 보임
    생쥐에서는 소리, 빛, 진동을 통한 촉각을 결합해 이 목표를 달성했음
    이런 식의 뉴런 구동이 뇌의 노폐물 제거에 도움이 된다는 가설이고, 맞다면 좋겠음

  • 액체라면, 수면 중 머리 각도는 어떤 영향을 줄까?

  • 좀 미신처럼 들릴 수 있지만, 이건 확실히 체감됨
    어려운 정신노동, 특히 힘든 독서를 일정 시간 하고 나면 집중력이 떨어지고 눈이 무거워지는 걸 느낌
    짧고 깊은 낮잠을 성공적으로 자면, 때로는 15분 미만이어도 그게 전부 씻겨나가고 다시 집중할 수 있음
    이상한 비유지만, 안도감이 꽉 찬 방광을 비우는 것과 비슷함
    이런 상황에서 낮잠을 안 자는 건 매우 건강에 나쁘고 손상적일 것 같음

    • 나도 그런 낮잠을 잘 수 있으면 좋겠음
      밤에 잠드는 데 어려움은 없어서 다행이지만, 해가 뜨고 나면 뇌가 꺼지기를 거부하는 느낌임
      1~2주에 한 번 정도 늦은 오전에 겨우 낮잠에 성공함
    • 뇌가 고갈된 순간 뒤에 낮잠 자는 걸 좋아함
      다시 활력이 생기고 바로 움직일 준비가 됨
      재택근무의 큰 장점 중 하나임
    • 크게 틀린 말은 아님
      강한 정신 집중이 필요한 많은 직업이나 기술에서는 종사자들이 휴식 시간이 필요하거나 수행 한계가 있다고 함
      기억나는 대표 사례는 UN 동시통역사들임
      실시간 대화를 약 45분 정도만 통역할 수 있고, 그 뒤에는 정신적 피로 때문에 오류율이 기하급수적으로 올라가서 새 통역사와 교대해야 함
    • 나도 똑같이 느낌
      늘 마음 위로 해방감의 파도가 지나가는 것 같다고 표현했음
      정말 기분 좋고, 마음에서 무게가 들어 올려진 듯한 명료함으로 깨어남
    • Everyman 같은 다양한 다상 수면 주기에서 노폐물 축적을 연구할지 궁금함

  • 조금 헷갈리는데, 글림프계는 이미 꽤 오래전부터 알려져 있던 것 아닌가?

    • 뭐가 헷갈리는지 모르겠음
      글은 말 그대로 글림프계는 알려져 있었지만 실제 작동 메커니즘은 몰랐고, 이번 연구가 바로 그 메커니즘을 밝히는 내용임
    • 놀랍게도 글림프계는 겨우 10년 전에 발견됐음
      새로운 부분은 40Hz 빛과 소리이고, 지금까지는 생쥐에서만 수행됐음
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