과학자들, 수면 중 뇌의 자가 세척 메커니즘 발견

 (science.org)
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  • 생쥐 실험에서 비REM 수면 중 뇌 혈관의 규칙적 수축이 뇌척수액을 밀어, 깨어 있을 때 쌓인 화학적 노폐물을 씻어내는 핵심 구동원으로 확인됨
  • 이 박동은 아드레날린과 거의 같은 노르에피네프린의 주기적 방출과 맞물리며, 생쥐 뇌에서는 약 50초마다 수치가 정점에 도달함
  • 마취 대신 전극과 광섬유 필라멘트를 이식한 생쥐가 자연스럽게 잠든 상태에서 혈액량·전기 활동·화학물질·형광 표지 뇌척수액 흐름을 함께 추적함
  • 수면제 zolpidem(Ambien) 은 노르에피네프린 진동과 뇌척수액 침투를 줄였지만, 이 결과만으로 복용 중단을 말하기는 어렵고 인간 연구가 필요함
  • 인간도 수면 중 노르에피네프린 방출과 혈관 박동의 진동을 보인다는 최근 연구가 있어, 같은 펌프 메커니즘이 인간 뇌에서도 작동할 가능성이 있음

뇌척수액 흐름을 미는 혈관 박동

  • 수면은 뇌 안을 흐르는 액체가 깨어 있는 동안 축적된 화학적 노폐물을 씻어내는 시간으로 여겨져 왔지만, 이 순환을 무엇이 밀어내는지는 불확실했음
  • Cell에 발표된 생쥐 연구는 뇌 혈관의 규칙적 수축이 이 흐름을 추진한다는 증거를 더함
  • 혈관 수축은 아드레날린과 화학적으로 거의 같은 노르에피네프린의 주기적 방출에 의해 자극됨
  • 수면제 zolpidem은 혈관 진동과 그 진동이 촉진하는 액체 흐름을 방해해, 뇌의 청소 기능을 약화할 가능성이 있음

글림프계와 아직 남은 논쟁

  • 뇌에는 신체 다른 부위처럼 액체를 모아 이동시키는 림프관이 없음
  • Maiken Nedergaard 연구진은 2012년 뇌척수액이 혈관 주변의 작은 통로를 따라 뇌 안으로 스며들며 대사 폐기물과 원치 않는 분자를 쓸어내는 대체 배출 체계를 확인함
  • 같은 연구진은 글림프계의 액체 흐름이 수면 중 증가한다고 봄
  • Nedergaard 그룹과 다른 연구들은 강한 글림프계 청소가 유익하며, 알츠하이머병과 다른 신경퇴행성 질환에서는 이 순환이 약해진다고 봄
  • 다만 일부 연구자들은 이 그림의 일부에 이의를 제기해 왔고, 2024년 연구는 노폐물 제거가 수면보다 깨어 있을 때 더 빠를 수 있다고 봄

자연 수면 상태에서 본 생쥐 뇌

  • 생쥐 글림프계를 연구할 때는 보통 마취를 사용하는 경우가 많지만, 마취 상태는 자연 수면과 크게 다름
  • 연구진은 이 문제를 피하려고 생쥐에 전극과 광섬유 필라멘트를 외과적으로 이식함
    • 생쥐는 케이블에 연결된 상태에서도 정상적으로 잠들 수 있었음
    • 혈액량, 전기 활동, 화학물질 수치를 함께 추적함
    • 광섬유를 통해 빛을 전달해 특정 뉴런 집단을 활성화함
  • 기존 연구에서 생쥐 뇌의 노르에피네프린 수치는 리듬 있게 변하며 약 50초마다 정점에 도달했음
  • 새 실험에서는 비REM 수면 동안 뇌 혈액량도 진동했고, 노르에피네프린 변화보다 0.5초 이상 늦게 따라감
  • 이 연결은 동물이 깨어 있을 때나 기억이 공고화되는 REM 수면 단계에서는 비REM 수면만큼 강하지 않았음

혈관 수축이 뇌척수액을 밀어내는 과정

  • 연구진은 뇌척수액 흐름을 추적할 수 있는 형광 분자를 생쥐에 주입해, 그 수치도 비REM 수면 중 노르에피네프린 수치와 함께 변한다는 점을 확인함
  • 혈관 박동이 글림프계 흐름을 실제로 추진하는지 보려고, 노르에피네프린을 만드는 뇌 영역을 자극함
    • 인공 자극으로 박동 주기는 약 50초마다 한 번에서 10초마다 한 번으로 빨라짐
    • 표지된 뇌척수액은 노르에피네프린 생산 부위 근처 영역으로 더 깊이 침투함
  • 두개골 안에 갇힌 뇌에서는 혈관의 수축과 이완이 펌프처럼 작동함
    • 노르에피네프린 맥박 뒤 혈관이 조이면, 생긴 공간을 채우기 위해 뇌척수액이 들어옴
    • 혈관이 이완하면 뇌척수액을 앞으로 밀어냄
  • 노르에피네프린이 유일한 요인은 아닐 수 있지만, 비REM 수면 중 글림프계 흐름의 중요한 구동원으로 확인됨

zolpidem 결과와 인간 연구의 필요성

  • 연구진은 zolpidem이 수면 중 뇌 활동을 바꾸고 수면 단계 길이를 변화시킬 수 있다는 기존 연구를 바탕으로, 생쥐에서 약물 효과를 시험함
  • zolpidem은 노르에피네프린 진동을 줄이고, 뇌척수액이 뇌 안으로 침투하는 정도도 낮춤
  • 이 약은 널리 쓰이는 수면제지만, 생쥐 연구 결과만으로 사람들이 복용을 중단해야 한다는 결론은 아님
  • Laura Lewis는 뇌 청소에 대한 부작용이 인간에서도 같은지 확인하기 위해 이 약물을 인간 연구에서 살펴보는 일이 우선순위가 되어야 한다고 봄
  • 최근 연구는 인간도 생쥐처럼 수면 중 노르에피네프린 방출과 혈관 박동의 진동을 보인다고 제안해, 같은 펌프 메커니즘이 인간 뇌에서도 작동할 수 있음

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GN⁺   [-]
Hacker News 의견들

  • 2024년 연구가 수면 중보다 깨어 있을 때 노폐물 제거가 더 빠르다고 했다면, 이 이야기는 꽤 큰 모호성을 안고 있는 셈임

    • 신경과학자나 연구자와 사적으로 이야기해 보면, 대중적 이미지나 홍보, 기사, 과학 보도가 암시하는 것보다 훨씬 덜 확신하는 경우가 많음
      많은 발견이 사실은 “어, 이상하네. 더 봐야겠다”에 가까움
      멀리서 보면 합의가 큰 것 같지만 가까이 내려가 보면 훨씬 더 갈라져 있고, 최근에는 신경과학자가 인간 행동의 초과학자처럼 여겨지면서 자기계발서까지 전부 “신경과학 기반”이 되어 실제보다 더 확실해 보이게 됨
    • Franks 연구는 아마 자연 수면 조건 가능성을 거의 날려버린 것 같고, Nedergaard는 꽤 신랄함
      https://www.thetransmitter.org/glymphatic-system/new-method-...
      새 논문은 여러 기법을 잘못 썼고, 뇌에 직접 주입하는 실험이라면 교세포 흉터 확인과 염료가 실제 조직에 도달했는지 검증할 더 많은 대조군이 필요하다고 함
      주입 뒤 역류를 막기 위해 캐뉼라를 30분간 clamp해야 했고, 수면군도 자연 수면이 아니라 5시간 수면 박탈 뒤 회복 수면 모델이라 “오해의 소지가 있다”고 봄
      또한 뇌 안에서 측정한 것만으로는 뇌 청소를 입증할 수 없고, “쓰레기통을 부엌에서 차고로 옮긴다고 집이 깨끗해지는 건 아니다”라는 비유를 듦
      주입 지점 깊은 뇌에서 광학 측정이 이뤄진 전두피질까지 액체를 운반하는 글림프 경로가 없고, 백질로 두 영역이 나뉘었을 가능성이 크다며 “왜 노폐물이 그쪽으로 가겠나?”라고 함
    • 그 부분이 나도 눈에 띄었지만, 보기만큼 결정적인지는 모르겠음
      깨어 있을 때 노폐물 제거가 더 빠르더라도 노폐물 생성이 더 느릴 수 있음
      수면과 피로의 목적 일부는 노폐물 농도가 어떤 임계값에 도달했을 때 몸이 “이제 대사 노폐물을 이렇게 많이 만들지 말자”고 멈추는 것일 수도 있음
    • “깨어 있을 때 노폐물 제거가 수면 중보다 빠르다”가 곧 충분히 처리된다는 뜻은 아님
      밤의 노폐물 제거가 여전히 결정적으로 중요할 수 있고, 노폐물이 정확히 무엇으로 구성되는지도 포괄적으로 모름
      별도의 수면 시스템이 있다는 건 그 시스템이 뭔가를 하고 있음을 시사함
    • 내가 잘못 이해한 게 아니라면, 그 인용은 2012년에 발견된 글림프 청소를 가리키는 것이고, 여기서 강조한 혈관 수축을 통한 액체 청소 자체는 아닌 것 아닌가 싶음

  • 뇌는 정말 서비스 가용성이 형편없는 시스템임
    평균적으로 16시간만 돌고 나면 “scrub”, “garbage collect”, “trim”, “fsck” 같은 유지보수 작업을 위해 8시간 오프라인이 되어야 함

    • 절충의 결과임
      뇌는 출산이 가능할 만큼의 한계까지 커져 있고, 이미 체중의 2%면서 에너지의 20%를 씀
      활동할 때는 최고 성능으로 작동해야 하므로, 24시간 계속 돌리는 백그라운드 “scrub” 작업은 더 많은 에너지와 열 방출을 요구하거나, 돌고래처럼 한쪽 반구씩 자는 식의 중복성을 위해 더 큰 면적을 요구할 수 있음
      대안은 처리 속도를 낮춰 그런 작업이 항상 일어나게 하는 것인데, 낮/밤 주기도 이 방식을 선택하도록 압력을 줬을 것임
      얼마 전까지는 밤에 안전하게 할 수 있는 일이 많지 않았음
    • 완전히 거꾸로 봤고, LLM이 오히려 맞음
      진짜 뇌는 16시간 실제 작업 후에도 사회에 높은 수준의 기여를 계속하려면 8시간쯤 강하게 환각해야 함
    • “뇌는 서비스 가용성이 형편없다”는 표현을 출발점으로 생각해 보면, 우리가 “코끼리”를 떠올리려 할 때 한 번에 도달한다는 점이 놀라움
      코뿔소, 하마, 자동차, 트럭을 하나씩 뒤지는 것 같지 않고, 뒤적일 필요도 없어 보임
      물론 기억이나 이해의 가장자리에서는 많이 헤매지만, 모든 것이 그런 방식일 수도 있었음
      그런데 어떤 것들은 거의 자동적이고 즉각적인 회상이 가능함
    • 3분의 1 다운타임이 정말 필수인지 실제로는 모름
      진화사 대부분 동안 밤에 깨어 있는 것은 경제적이지 않았고, 강한 수면 욕구는 주로 에너지 보존 때문에 생겼을 수 있음
      그렇다면 다른 과정들이 최적화 차원에서 수면 시간에 맞춰 진화했을 수는 있지만, 진화적 제약이 달랐다면 그 과정들이 깨어 있을 때도 일어났을 가능성이 있음
    • 희망은 있음
      탄소 우월주의자들이 망치지 못하게만 하면, AI가 더 나은 SLA를 제공하는 무언가로 가는 중이고, 결국 업무 중단 없이 이 성가신 레거시 시스템을 폐기 처리할 수 있게 될 것임

  • 1년 조금 전에는 수면 위생이 엉망이었고, 지금도 가끔 새벽 2시쯤 깨면 다시 쉬는 상태로 돌아가기 어려움
    수면을 추적하는 간단한 Garmin 스마트워치를 샀는데, 이쪽은 프라이버시를 지키고 인터넷 연결이 필요 없는 몇 안 되는 제품 중 하나라서 선택함
    천천히 체계적으로 수면을 개선했더니 완전히 다른 사람이 된 느낌임
    화면의 블루라이트 필터를 끄면 영향이 크고, 긴 근무일도 영향이 큼
    마그네슘을 많이 먹고, 하루 20분 정도 야외 걷기가 필요하며, 저녁은 오후 4시 전에 먹어야 함
    아마 잊고 있는 작은 요인들도 많을 텐데, 우리 중 얼마나 많은 사람이 그냥 만성 피로 상태일까?

    • 어려운 질문임
      활동은 활동을 낳는 습성이 있어 보이므로, 답은 “수면 습관을 개선해야 한다”보다 “활동 습관을 개선해야 한다”에 가까울 수 있음
      무언가를 알아차리는 것도 위험한 지점임
      수면 중 몸이 하는 많은 일은 실제 요인만큼이나 학습된 기대에 기반함
      “알람이 울리기 전에 깬다”는 현상처럼, 알람 시간이 바뀌어도 작동할 정도로 강함
      따라서 몸이 어떤 신호를 수면을 시작하는 단서로 배웠을 수 있고, 이제는 블루라이트 필터를 켜야 하는 몸이 되었을지도 모름
      실제로 필터가 적극적으로 뭔가를 하지 않더라도 말임
    • 아마 꽤 많을 것 같고, 특히 어린 자녀를 둔 부모는 더 그럴 것임
      나도 지난 5~6년 동안 한밤중에 이상하게 각성된 느낌으로 깨는 수면 문제와 싸워 왔고, 많은 시행착오 끝에 수면의 질을 개선해 왔음
      3년 전 수면무호흡 증상을 알아차려 수면 클리닉에 갔고, 진단과 CPAP 처방을 받아 고마웠지만 전체 경험은 실망스러웠음
      추적 진료에서 여전히 밤에 스트레스를 느끼며 깬다고 했더니 대충 넘기고 허브 요법을 권했는데, 나중에 보니 처방한 압력이 말도 안 되게 낮았음
      2년간 시행착오 끝에 내게 맞는 압력을 찾았고, 처방의 거의 두 배였음
      스트레스/일, 야외 걷기, 스트레칭, 폼롤링, 이른 저녁, 아침 첫 커피 한 잔만 마시기 같은 요인도 큰 영향이 있었음
      저녁 식사 내용도 이상할 만큼 영향이 큰데, 콩류가 가장 좋았고 밤중 혈당과 관련이 있을지도 모르겠음
      의사들은 운동을 권하지만, 요즘은 자전거 같은 중간 강도 운동만 해도 며칠간 수면의 질이 무너짐
      10년 전에는 헬스장을 꾸준히 다니며 행복했는데, 지금은 생리적으로 너무 큰 스트레스가 되는 듯함
    • 나도 “수면 일정 집중 개선” 기간이 몇 번 있었음
      큰 발견 중 하나는 내가 카페인 민감도가 높은 편이라는 점이었고, 그래도 아침에만 커피를 마시면 잘 수는 있음
      블루라이트 필터 자체는 큰 효과가 없다고 생각하지만 예외가 있음
      노트북 화면은 훨씬 어두워져서 거슬리지 않는데, 데스크 화면의 푸른빛은 더 큰 영향을 주는 듯함
      다만 화면에서 자극을 찾는 뇌 활동 자체가 수면에 큰 영향을 준다고 봄
      화면을 완전히 끄고 진정하거나, 실제로 잠들 준비를 돕는 일을 하는 편이 더 좋음
    • 확인 차 묻자면, 의외의 결과라서 그런데 화면의 블루라이트 필터를 끄는 것이 수면을 개선한다는 뜻인가?
    • 남성 기준으로, 단일 원재료 식품까지 줄이는 제거 식단 → 상담 치료 → 산소 치료 → 매주 안정적인 케토시스 → 1년 뒤 염증이 낮은 음식을 다시 추가하고 렌틸 같은 콩류에서 탄수화물을 우선해 장 회복을 도왔음
      그 결과 거의 자살 충동과 끝없는 반추, 만성으로 굳어가던 군발두통 상태에서 Tony Robbins처럼 동기부여 연설을 할 수 있을 정도가 됨
      사람마다 다르고 결과는 다르겠지만, 식단을 크게 바꾸고 하루 한 번 배고픔을 넘기면 체감 상태가 극적으로 달라질 수 있음

  • Nedergaard는 2012년 이후 이 효과의 핵심 발견을 이끌어 온 연구실 책임자이고, 이 연구 계열로 노벨상을 받을 것 같음
    20년 전 인지신경과학 박사 과정을 할 때는 수면 부족의 큰 결손 세 가지, 즉 일일 수행 지표 저하, 정신건강 위험 증가, 인지 저하 위험 증가를 알고 있었지만 기전으로 연결하지 못했음
    글림프 신경계는 훌륭한 과학 이론처럼 흩어진 발견을 하나의 공통 기전 아래 묶음
    충분히 자지 않는 것은 식기세척기나 세탁기를 충분히 돌리지 않는 것과 비슷해서 찌꺼기가 쌓임
    부모들을 위해 덧붙이면, 소아 권장 수면은 6~12세가 밤 10~12시간, 13~18세가 밤 8~10시간임

    • 밤 숙제를 끝내고 오전 7시 스쿨버스를 타야 하면 권장 시간을 제대로 채우기 너무 어려움
    • 장기 코로나와 만성피로증후군이 떠오름
      환자들이 개운하지 않은 수면과 브레인 포그를 호소하는데, 관류 부족으로 노폐물이 충분히 씻겨 나가지 않으면 그런 증상이 생길 수도 있음

  • Ambien은 이 과정의 일부인 노르에피네프린 진동을 교란한다는 점이 눈에 띔

    • 한때 높고 지속적인 스트레스 때문에 심각하게 잠들기 어려웠음
      Ambien의 Zolpidem과 비슷한 Zopiclone을 처방받았는데, 다음 날 뇌 손상을 입은 것 같은 느낌이 들었음
      첫날 밤 뒤에도 가끔 그랬고, 이틀 연속 먹으면 항상 그랬으며 무서울 정도였음
      “Pharmacokinetic and Pharmacodynamic Interactions Between Zolpidem and Caffeine” 논문을 봤음
      https://www.researchgate.net/profile/Roberta-Cysneiros/publi...
      상당한 양의 카페인이 Zolpidem의 인지 효과 중 “일부지만 전부는 아닌 것”을 상쇄한다는 결과로 이해했고, 두 Z-약물이 비슷하므로 아주 적은 Zopiclone과 아주 조금의 커피를 함께 시도함
      나는 2~3mg을 먹고, 한 알은 7.5mg임
      결과적으로 잠은 잘 수 있고 다음 날 뇌가 망가진 느낌이 없었으며, 스트레스와 관련해 정확히 5:30에 깨는 실패 리듬도 깨진 듯함
      즉 이 조합이 문제를 고치는 것 같고, 카페인이 앞서 말한 노르에피네프린 진동 교란을 상쇄하기 때문일지도 모른다고 봄
    • Ambien은 내게 극도로 무서운 약임
      주변 사람들이 잠들기 위해 강하게 의존하게 된 경우가 있고, 이상한 부작용도 있음
      기억이 전혀 없는 몽유병이 그중 하나인데, 부엌에 가는 정도가 아니라 차에 타는 유형의 몽유병임
    • 수면 문제가 있다면 마그네슘을 시도해 볼 만함
      https://hn.algolia.com/?query=magnesium%20sleep&type=comment

  • 글림프계 활동은 N3 깊은 수면의 서파에서 가장 큼
    서파는 뉴런의 동기화된 발화이고, 글림프계가 뇌혈류를 뇌 전체로 펌프질할 때 관찰됨
    지난 5년간 우리는 서파 활동을 높이기 위한 위상 표적 청각 자극을 개발해 왔고, 이는 아밀로이드 반응, 기억, 여러 생체표지자에서 긍정적 반응을 보인 바 있음
    https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38163288/
    관심 있는 사람을 위해 웹사이트에 관련 연구를 더 연결해 둠 - https://affectablesleep.com/research

  • 확인하자면, 씻겨 나간다는 것 자체는 이미 알고 있었던 것 아닌가?
    여기서는 혈관이 수축해서 그 세척을 일으키는 구체적 기전을 말하는 것인가?

    • 맞음
      다만 결론을 더 한정하자면, 이 연구는 쥐에서 한 것이므로 인간 뇌도 동일하게 작동한다고 말하기는 이름
      포유류 해부 구조는 종 사이에 비슷한 경우가 많지만, 예상치 못한 방식으로 다른 경우도 그만큼 자주 발견됨
    • 더 구체적으로는 노르에피네프린 파동이 그 펌프질과 강하게 상관되어 있고, 어쩌면 원인일 수 있다는 것임

  • 어쩌면 무모한 생각일 수 있지만, 외부 장치로 같은 효과를 만들거나 증폭할 수 있지 않을까?
    깨어 있는 쥐에게 노르에피네프린을 리듬 있게 주면 같은 뇌척수액 움직임을 만들 수 있을까? 그런 개입 뒤 쥐가 더 늦게 잠들까?
    뇌척수액을 직접 더 빠르게 펌프질할 수 있을까? 수술로 기계 장치를 설치할 의향이 있다면 버튼 한 번으로 빠르고 더 개운한 수면을 얻을 수 있을까?
    세척 효율이 뇌척수액의 성분에 일부 좌우된다면, 무엇이 “씻겨 나가는지” 보고 그것들을 더 잘 녹게 하는 물질을 뇌척수액에 추가할 수 있을까?

    • 생체 해킹 호기심은 좋지만, 수면이 온몸을 쉬게 하고 회복시키는 여러 일을 한다는 건 오래전부터 알고 있었음
      뇌를 “청소”하는 것은 그중 하나일 뿐임
      수면 필요성을 우회하는 쉬운 버튼을 찾는 일은 불멸의 알약을 찾는 것만큼 가능성이 낮아 보임

  • 쥐에게 전극과 광섬유 필라멘트를 외과적으로 이식하고, 케이블에 묶인 상태에서도 정상적으로 잠들게 한 뒤 혈액량, 전기 활동, 화학물질 수준을 추적하고 광섬유로 특정 뉴런군을 활성화했다는 식의 의학 연구가 너무 싫음
    끔찍한 야만성임
    이런 활동을 할 만큼 결과가 중요하다면, 인간이 자원해서 피험자가 될 만큼도 중요해야 함
    아무도 자원하지 않는다면 결국 그만큼 중요하지 않은 것이니, 다른 종은 빼야 함

    • 그 논리가 무엇인지 모르겠음
      그 도덕적 논증을 진심으로 이해하기 어렵다
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