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수면 중 뇌파 조절해 학습 기억력 2배 높였다

- 광유전학 방법으로 수면방추파 등 세 가지 뇌파 동조 성공 -

세 가지 뇌파의 상호작용을 통한 장기기억 형성
▲ 세 가지 뇌파의 상호작용을 통한 장기기억 형성 ©Freepik.com

최근 '첫 키스만 50번째'라는 영화가 영화관에서 재개봉됐다. 이 영화 속 주인공은 자동차 사고로 뇌 손상을 입어 하루 단위의 기억은 할 수 있지만, 밤새 기억들을 모두 잊고 다음 날 다시 백지 상태가 된다. 오늘 일어난 일을 내일이 되면 기억하지 못하는 것이다. 때문에 주인공은 연인 사이인 남성과 매일 초면이 되는 셈이지만, 남성의 사랑과 배려로 둘은 사랑을 이어나간다.

물론 이 영화의 주인공이 앓는 기억상실증 패턴은 작가가 상상으로 꾸며낸 것이다. 그러나 주인공이 하루 이상의 장기기억에 실패하는 것은 분명하다. 보고 듣고 느끼는 감각을 통해 20-30초간 형성되는 단기기억과 달리, 우리가 대체로 기억하는 몇 분 전 상황에서 몇 십 년 전의 일들은 모두 장기기억이다. 장기기억은 매일 겪는 경험이 되고, 추억으로 자리 잡으며, 결국 나 자신의 정체성을 이루기 때문에 매우 중요하다.

장기기억은 뇌의 해마부위에서 담당하는데, 이는 수면과도 무관하지 않다. 학습을 한 후 잠을 자는 동안 학습에 대한 기억이 강화된다는 연구가 있다. 시험 전 날 밤을 새는 것보다 몇 시간이라도 잠을 자는 것이 오히려 시험을 더 잘 볼 수 있다는 이야기는 과학적 근거가 있는 것이다. 간뇌의 시상(thalamus) 부위에서 나오는 뇌파인 수면방추파(thalamic spindles)는 숙면을 도울 뿐만 아니라 기억 형성에도 관여한다고 알려져 있기 때문이다. 그러나 수면방추파와 장기기억 간의 정확한 인과관계는 밝혀진 바가 없었다.

뇌에서는 여러 주파수를 갖는 다양한 종류의 뇌파가 발생하는데, 학습과 기억에 관여하는 것으로 알려진 종류로는 수면방추파 외에 대뇌 피질에서 발생하는 느린 주파수의 뇌파인 서파(slow oscillations)와 해마 부위에서 발생하는 SWR파(Sharp wave ripples)가 있다. 연구진은 수면 방추파가 다른 두 종류의 뇌파와 상호작용하여 기억 형성에 작용할 것으로 보았다. 이에 따라 빛을 받으면 나트륨 이온 채널을 여는 채널로돕신을 생쥐 간뇌의 시상 신경세포에 발현, 여기에 꽂은 전극을 통해 빛으로 수면 방추파 발생을 유도하는 광유전학적 방법을 이용했다.

우선, 생쥐 실험은 실험 대상인 생쥐들에게 특정 공간에서 30초 동안 특정 주파수의 소리를 들려주다가 마지막 2초간 전기 충격을 가하는 것으로 시작한다. 생쥐들은 공포스러운 경험 후 각각 소리와 전기충격, 특정 공간과 전기충격이 연관된다는 기억을 갖게 되는데, 이를 조건화(Conditioning) 과정이라 한다. 그런 다음, 수면을 유도해 대뇌 피질의 서파 발생 시기에 따른 세 가지 다른 처리를 한다. 한 생쥐에게는 대뇌 피질의 서파 발생 시기에 맞춰(in-phase) 빛으로 수면방추파를 유도하고, 다른 생쥐에게는 대뇌 피질의 서파 발생 시기와 상관없이 다른 시점(out-of-phase)에 무작위로 수면방추파를 유도한다. 그리고 또 다른 생쥐에게는 간뇌 시상에 빛을 비추지 않아 수면 방추파 발생을 인위적으로 유도하지 않는다.

24시간이 지난 뒤, 이 세 종류의 생쥐를 두 가지 상황에 각각 배치한다. 하루 전 공포를 느꼈던 똑같은 공간에 특정 소리가 없는 상황과 전날과 전혀 다른 공간이지만 특정 소리가 들리는 상황이다. 공포를 느낄 때 바짝 얼게 되는 생쥐의 행동을 관찰한 결과, 같은 공간에 특정 소리가 없는 상황에 처한 세 종류의 생쥐 중, 대뇌피질의 서파 발생 시기에 맞춰 수면방추파 유도 처리를 한 생쥐가 가장 공포에 대한 기억을 잘하는 것으로 나타났다. 반면, 공포를 느꼈던 공간과 전혀 다른 공간에 들어가 동일한 소릴를 들은 세 종류의 생쥐들은 공포스러웠던 기억을 떠올리는 정도에 차이가 없었다.


▲ 생쥐 실험을 이용한 공포 학습과 기억의 형성

이러한 실험 결과는 어떻게 해석할 수 있을까? 세 종류의 생쥐가 처한 두 가지 상황을 살펴보면, 공간은 환경적‧맥락적인 정보이고 특정 소리는 전기충격과 직결되는 청각적 자극이다. 뇌의 해마는 여러 환경적 요소를 기억할 수 있는 장기기억을 관장하므로, 똑같은 공간에 다시 들어간 생쥐가 바짝 어는 행동을 보인다는 것은 '이 장소에서 고통을 느꼈었다'는 기억을 해마를 통해 해낸다는 것을 의미한다. 반면, 전혀 다른 공간이지만 특정 소리가 들리는 상황에서 바짝 어는 행동을 보이는 것은 해마가 아닌 감각적 자극을 통한 기억을 하는 것을 말한다. 때문에 이번 실험의 결과는 대뇌 피질의 서파 발생 시기에 맞춰 빛을 통해 수면방추파를 유도한 자극이 해마의 장기기억 형성에 영향을 준다는 사실을 시사한다.

연구진이 수면 중 세 가지 종류의 뇌파를 분석한 결과, 대뇌 피질에서 서파가 발생하는 시기에 맞춰 수면방추파를 유도하게 되면, 수면방추파에 의해 해마의 SWR파가 동원돼 결국 이 세 가지 뇌파가 동시에 발생하게 된다는 사실을 밝혀냈다. 이렇게 세 가지 뇌파가 동시에 발생해 연합되는 비율은 수면방추파를 서파 발생 시기에 맞출 때가 그렇지 않을 때보다 약 2배 더 높은 것으로 나타났다. 세 가지 뇌파의 연합은 해마에서 생성된 학습 정보를 대뇌피질의 전두엽으로 전달해 장기기억이 단단하게 자리 잡게 한다. 때문에 세 뇌파가 연합될 수 있었던 생쥐가 공포에 대한 기억을 가장 잘 할 수 있었던 것이다.


▲ 대뇌 피질의 서파-수면방추파-해마의 SWR파 동조

기억력이 증가하는 것만이 좋은 걸까? 살면서 잊을 필요도 있는 안 좋은 기억들도 있다. 연구진은 공포에 대한 기억을 떠올리는 정도를 줄이는 실험도 수행했다. 연구진은 광유전학 방법으로 시상의 뉴런을 활성화하는 것이 아니라 반대로 억제하는 경우에 기억을 떠올리는 정도가 줄어드는 것을 확인하였는데, 이때에도 역시 서파와 수면방추파, SWR파의 연합을 차단할 때 생쥐가 고통스러워하는 행동의 정도가 가장 낮아 공포 기억의 회상 정도를 줄이는 것을관찰하였다.

이번 연구를 통해 장기 기억의 형성에 뇌의 대뇌피질, 간뇌의 시상, 해마 등 여러 부위가 동시에 상호작용함을 밝혀낼 수 있었다. 대뇌피질의 서파 발생에 맞춰 간뇌 시상의 망상핵을 자극해 수면방추파를 유도하면, 해마도 자극받아 SWR파가 수면방추파에 동조돼 결국 세 가지의 뇌파가 연합하게 되고, 이는 해마를 통한 장기기억력을 증진시킨다는 구체적인 메커니즘을 밝힌 것이다. 이 연구는 생쥐를 대상으로 한 실험이기 때문에 뇌에 전극을 삽입하여 뇌파를 조정했다. 비침습적인 방법으로 인간의 뇌파를 조정할 수 있다면, 인간의 학습기억 증진을 도모해 볼 수 있으리라 기대한다.

대외협력실 김주연

Center for Cognition and Sociality (인지 및 사회성 연구단)

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    최종수정일 2017-09-19 19:20