우리는 모두 그날 배운 것을 기억하고 싶을 때 가장 좋은 방법은 바로 숙면이라는 것을 알고 있다. 과학자들은 기억은 뇌 신경세포의 연결에 달려 있다는 것은 오랫동안 이해한 상태지만 어떻게 수면이 정보를 강화하는데 도움을 주는지 분명히 알지는 못하고 있었다. 왜 우리가 많게는 16시간 동안 매일 무의식 상태에 빠지는지 궁금한 것은 자연스러운 현상이다.

최근 한 가설은 낮 동안 뇌에 쌓인 잠재적으로 독성을 가진 단백질을 청소하기 위해 수면이 필요함을 제시하고 있다. 또 다른 최신 연구들은 잠을 충분히 못 잘 경우 파킨슨병과 같은 신경질환은 말할 것도 없고 심혈관 질환이나 2형 당뇨가 발생할 위험을 높이는 것을 발견하고 있다.

이번에 위스콘신 대학과 존슨 홉킨스 대학에서 발표한 두 건의 연구는 수면이 깨어있을 때 배운 내용을 정밀 최적화(fine-tune)하고 기억의 ‘가지치기(prune)’에 도움을 주는 장점이 있음을 보여준다.

시냅스 항상성(homeostasis)이라는 이 가설은 새로운 것은 아니다. 10년 전부터 위스콘신 대학의 과학자들은 수면을 통해 신경세포의 연결을 단절시켜 기억을 분명하게 한다는 이론을 연구해 왔다. 새로운 일을 경험할 때, 뇌는 신경세포의 시냅스라는 연결을 형성하거나 약화시킨다. 신경세포망의 상호연결을 통해 행동이나 기억이 코드로 저장되는데 메시지를 효과적으로 전달하는 것은 이 시냅스의 크기와 연결강도에 달려 있다.

신경세포가 시냅스를 단절시킬 수 있다는 많은 증거가 있고 어떤 경우에는 뇌가 제거할 시냅스를 찾기도 한다. 숙면과 수면부족에 따른 시냅스의 비교는 선잠을 통해 시냅스를 재형성하는 간접 증거가 될 수 있다.

지난 4년 동안 위스콘신 대학의 연구팀은 쥐를 이용하여 숙면을 취한 그룹, 장난감으로 자극하여 잠을 못 잔 그룹, 계속 깨어 있었지만 자극을 가하지 않은 그룹을 나누었다. 이후 수백 개의 뇌영역을 연결하는 6,920개의 시냅스에 대한 크기와 모양을 측정했다. 숙면을 취한 쥐는 깨어 있던 쥐에 비해 시냅스의 크기가 18% 더 작은 것으로 나타났다. 수면은 뇌의 재설정을 가능하게 해 새로운 정보를 기억과 통합하여 다음 날 새로운 시작을 할 수 있게 하는 것이다.

한편, 존스 홉킨스 대학 연구팀은 다른 접근을 통해 수면의 과학을 설명한다. 형광표지가 된 단백질을 살아 있는 쥐의 시냅스에 주입하고 자는 동안 뇌를 관찰했다. 예상대로 시냅스의 크기가 작아지면 형광표지도 줄어드는 현상이 수용체인 AMPA가 20%까지 떨어진 형태로 발견되었다.

다음으로 시냅스에서 수용체를 제거하는 것으로 알려진 호머1A(Homer1A)라는 단백질을 없앤 유전적 변화를 준 쥐를 통한 실험을 했는데, 정상쥐와 달리 수면으로 시냅스가 축소되지 않았다. 이 차이가 기억에 주는 영향을 파악하기 위해 전기충격이 발생하는 상자를 달리게 했다.

다음날 모든 쥐가 동일한 상자를 봤을 때 주춤거렸다. 하지만 다른 상자를 보여주자 시냅스가 줄어든 쥐는 용감하게 상자로 달렸지만 호머1A를 제거한 쥐는 다시 주춤거렸다. 정확하게 어떤 일이 쥐들에게 발생했는지 말하기는 어렵지만, 연구팀은 상자의 유사성이 혼동을 일으킨 것으로 결론을 내렸다.

수면은 면역부터 소화기관까지 모든 생리적 기능이 관련된 믿을 수 없을 정도로 복잡한 행위다. 따라서 한 가지 이유를 들어 수면이 필요한지 설명하기는 어렵다. 점점 더 숙면을 취하기 어려운 현대 기술의 영향을 고려할 때, 숙면이 주는 여러 이익에 주목하는 것은 중요한 일이다. 두 연구는 모두 사이언스지에 게재되었다.