우리는 흔히 '잠에 빠진다(fall asleep)'고 말한다. 이 표현은 단순한 비유를 넘어, 뇌 과학적 진실에 가장 가까운 묘사로 밝혀졌다. 인간의 뇌는 서서히 잠드는 것이 아니라, 특정 '결정적 순간(Tipping Point)'을 기점으로 마치 스위치가 꺼지듯 급격하게 수면 상태로 전환되는 것으로 나타났다.

더 나아가, 이 '마스터 스위치'가 내려간 뒤에도 뇌 전체가 동시에 잠드는 것이 아니라, 고차원적 인지 영역이 먼저 잠들고 감각 영역은 한동안 활성 상태를 유지하는 '순차적 종료' 과정이 일어난다는 사실도 규명됐다.

수면의 '시기(When)'와 '방식(How)'이라는 거대한 퍼즐을 동시에 풀어낸 두 편의 핵심 연구가 국제 학술지 '네이처 뉴로사이언스'와 '네이처 커뮤니케이션스'에 연이어 발표되며, 수면 과학의 기존 패러다임을 뒤흔들고 있다.

100°C에서 물이 끓듯…英 ICL "수면은 점진 아닌 '분기점'"

가장 먼저 수면의 '시기'에 대한 통념을 깬 것은 영국 임페리얼 칼리지 런던(ICL)과 서리 대학 공동 연구팀이다. 연구팀은 1000명이 넘는 자원자의 뇌 스캔 데이터를 분석, 잠들기 약 4.5분 전에 뇌 전기 활동이 급격하게 변하는 '티핑 포인트'를 발견했다.

연구를 이끈 니르 그로스만 ICL 신경과학자는 "수면은 점진적 과정이 아니라, 실시간 예측이 가능한 '분기(bifurcation)'라는 사실을 발견했다"고 밝혔다.

'분기'는 수학 용어로, 점진적인 변화가 쌓이다가 특정 지점에서 완전히 다른 상태로 급격히 변하는 현상을 뜻한다. 마치 99°C까지 서서히 온도가 오르던 물이 100°C에서 격렬하게 끓기 시작하는 것과 같다. 지금까지 수면 과학계가 조명 스위치를 서서히 줄이는 '디머(dimmer)' 방식으로 수면을 이해했다면, ICL의 연구는 수면이 '온/오프 스위치'에 가깝다는 것을 증명한 셈이다.

연구팀은 뇌전도(EEG)가 포착한 47개의 뇌 활동 특징을 수학적 공간으로 변환하는 모델을 개발했다. 이 모델로 '수면 거리(sleep distance)', 즉 뇌가 수면에 얼마나 가까워졌는지를 추적했다. 그 궤적은 "마치 공이 가파른 경사면을 굴러 절벽으로 떨어지는" 모습과 정확히 일치했다.

이 모델의 예측 정확도는 놀라운 수준이다. 단 하룻밤의 뇌 활동 기록만으로 향후 수면 시간을 95% 정확도로 예측했으며, '추락'의 순간인 티핑 포인트 오차는 평균 49초에 불과했다. 그로스만 박사는 "매 순간 잠들기까지 얼마나 남았는지 전례 없는 정밀도로 파악할 수 있게 됐다"고 강조했다.

30년 통념 깬 '49초 예측'…졸음운전 경고 현실화

ICL의 발견이 중요한 이유는 수십 년간 수면 연구의 기반이었던 고전적 모델의 한계를 극복했기 때문이다. 1990년대 초 일본 연구자들이 제시한 9단계 EEG 패턴 모델은, 잠드는 과정을 순차적 전환으로 설명했지만 사람마다 편차가 크고 측정이 어려워 실제 불면증 치료나 응용 기술 개발에 큰 도움을 주지 못했다.

하지만 '49초 예측' 모델은 즉각적인 활용이 가능하다. 가장 기대되는 분야는 '졸음운전 방지'다. 운전자의 뇌가 위험한 '티핑 포인트'에 근접하기 수십 초 전에 강력한 경고를 보내는 시스템 개발이 현실화될 수 있다. 또한 불면증이나 주간 졸음증 환자의 상태를 정밀 진단하고, 수술실에서의 마취 모니터링 정밀도를 높이는 데도 결정적 역할을 할 전망이다.

美 하버드 "뇌는 '순차 소등'…인지 영역 먼저 잠든다"

ICL이 '언제' 잠드는지의 비밀을 풀었다면, 미국 하버드 의대 및 매스 제너럴 브리검(MGB) 병원 연구팀은 '어떻게' 잠드는지의 청사진을 제시했다. 뇌는 '일괄 소등'되지 않았다.

연구팀은 EEG-PET-fMRI라는 최신 영상 기법을 총동원해, 뇌의 신경 활동, 혈류, 그리고 에너지원인 포도당 대사를 동시에 추적했다.

그 결과, '티핑 포인트'를 지나 잠에 빠져들 때 뇌 영역별로 뚜렷한 시간차가 발생했다. 뇌를 하나의 거대한 '사무실 빌딩'에 비유할 수 있다.

먼저, 고차원적 사고와 기억을 담당하는 '기본 모드 네트워크(DMN)', 즉 '임원실'과 '기획실'의 불(포도당 대사)이 먼저 꺼졌다. 이 영역은 수면 중 강력하게 억제됐다.

하지만 감각과 운동을 담당하는 영역, 즉 '중앙 보안실'이나 '전력 공급실'은 달랐다. 이 영역들은 대사적으로 활발한 상태를 유지하며 오히려 더 강한 혈류 변동을 보였다. 뇌의 대부분이 휴식에 들어간 뒤에도, 외부 자극을 감지하는 최소한의 '경계 근무'는 계속되는 셈이다.

알람 소리 듣는 이유…'보안실'은 켜져 있었다

이러한 '순차 소등' 메커니즘은 우리가 깊은 잠에 빠진 것처럼 보여도, 화재경보기 소리나 아이의 울음소리 같은 중요한 자극에 반응해 깨어날 수 있는 이유를 명확히 설명한다. '보안실'의 전원이 켜져 있기 때문이다.

연구를 이끈 징위안 첸 교수는 "다른 뇌 영역이 다른 시간에 잠든다는 것이 핵심"이라며 "감각 영역이 활성을 유지하는 패턴이 뇌의 보호 기능을 수행할 수 있다"고 설명했다.

두 연구를 종합하면, 인간의 수면은 뇌 전체의 단순한 '셧다운(일시 정지)'이 아니다. ICL이 발견한 '마스터 스위치(티핑 포인트)'가 내려가면, 하버드팀이 밝혀낸 '설계도'에 따라 인지 영역(임원실)의 전원이 먼저 차단되고, 감각 영역(보안실)은 최소한의 경계를 유지하는 고도로 정교한 '단계적 프로세스'다.

물론 이번 연구들은 실험실 환경(소음, 부분적 수면 부족)이라는 한계가 있지만, 건강한 수면의 '청사진'을 제공했다는 평가를 받는다. 연구팀은 향후 수면 중 뇌 노폐물 제거 과정과 알츠하이머병의 연관성 등 신경 질환 환자에게서 이 '청사진'이 어떻게 망가지는지 규명하는 후속 연구를 진행할 계획이다.