분당서울대병원 신경과 윤창호 교수 연구팀(공동 교신저자 조지아공과대 여운홍 교수)이 잠자는 동안 뇌의 회복·정리 과정과 관련된 뇌 안의 수분 변화를 집에서 연속적으로 관찰할 수 있는 무선 웨어러블 장비를 개발했다고 밝혔다.
잠자는 동안 뇌 안에서는 낮 동안 쌓인 노폐물을 씻어내는 청소 과정이 활발히 진행된다. ‘아교림프계’라고 불리는 이 청소 시스템은 뇌척수액이 뇌 조직 사이를 흐르며 아밀로이드-베타와 같은 노폐물을 제거하며, 특히 깊은 수면 단계에서 활발해지는 것으로 알려져 있다. 이 과정이 원활하지 않을 경우 알츠하이머 치매를 비롯한 신경계 질환의 위험이 높아진다는 연구 결과가 잇따르면서, 수면 중 뇌의 청소 과정은 최근 뇌 건강 분야 연구에서 주목받고 있다.
문제는 이러한 청소 과정과 관련된 뇌 수분 변화를 관찰할 수 있는 수단이 매우 제한적이었다는 점이다. MRI는 뇌척수액의 흐름을 정밀하게 볼 수 있지만, 검사실 안에서만 사용할 수 있는 장비여서 실제 수면 중 변화를 반복 관찰하는 데는 한계가 있었다.
이에 연구팀은 이마에 부착할 수 있는 부드러운 무선 근적외선분광(NIRS, 빛의 흡수를 이용해 조직 내 수분과 혈류 변화를 측정하는 기술) 웨어러블 장비를 개발했다. 피부에 부드럽게 밀착되는 설계는 소프트 전자공학 분야 세계적 권위자인 조지아공과대 여운홍 교수 연구팀이 담당했다.
얇고 유연하게 제작된 회로는 이마에 이물감 없이 밀착돼, 잠을 방해하지 않으면서도 밤새 안정적인 측정을 가능하게 했다. 기기에는 세 가지 파장(640nm, 680nm, 950nm)의 LED와 광검출기가 배치돼있으며, 무선으로 데이터를 전송해 집에서 자는 동안에도 연속 측정이 가능하도록 설계했다.
연구팀은 장비의 성능을 검증하기 위해 건강한 성인 4명을 대상으로 가정에서 총 16회의 야간 측정을 진행했다. 동시에 뇌파와 안구운동 측정을 바탕으로 수면 단계를 판정한 뒤 각 단계에서 뇌 조직 안의 수분량 변화를 나타내는 신호가 어떻게 변하는지 분석했다.
그 결과, 밤새 수면 단계가 바뀔 때마다 뇌 수분 신호가 방향성을 갖고 변화하는 패턴이 관찰됐다. 깨어있는 상태나 렘수면(REM, 뇌 활동이 활발해지는 잠)에서 비렘수면(NREM, 깊은 잠)으로 넘어갈 때는 신호가 증가했고, 반대로 비렘수면에서 렘수면으로 넘어갈 때는 감소했다. 특히 이러한 신호 변화는 뇌파와 안구운동으로 판정한 수면 단계 전환 시점과 거의 동시에 일어나, 웨어러블 장비가 뇌 안의 실제 변화를 정확히 포착할 수 있는 것으로 확인됐다.
또한, 장비가 잡아내는 신호에는 뇌 수분 변화뿐 아니라, 호흡, 심장박동, 느린 뇌파와 연관된 생리적 리듬도 함께 나타났다. 비렘수면에서는 호흡과 심박이 안정적으로 유지됐고, 렘수면에서는 더 불규칙해지는 등 잘 알려진 수면 중 생리 변화 양상이 그대로 확인됐다.
연구팀에 따르면 수면 중 일어나는 이러한 변화들을 웨어러블 장비로 집에서 연속 관찰한 사례는 이번이 처음이다. 특히 기존 수면 검사가 수면 시간과 단계 판정에 초점을 맞췄다면, 연구팀이 개발한 장비는 수면 중 뇌 청소 과정인 아교림프계 활동과 관련된 뇌 수분 변화를 관찰하기 위한 시도라는 점에서 주목할 만하다.
윤창호 교수는 “아교림프계 활동을 자연스러운 수면 환경에서 관찰할 수 있는 도구를 마련하는 것은 신경계 질환 연구에서 오랜 과제였다”며, “현재 한국연구재단의 지원을 받아 정상인과 인지장애 환자군에서 데이터 구축, 아교림프계 관련 지표 정밀화, 수면무호흡 치료 및 불면증 인지 행동 치료 등 다양한 중재 효과를 평가하는 후속 연구를 진행하고 있다”고 밝혔다.
이어 “이번 기술이 표준검사와의 비교 검증을 거쳐 발전한다면 수면장애, 노화, 인지저하 연구 등 다양한 영역에서 새로운 관찰 도구로 활용될 수 있을 것”이라고 덧붙였다.
한편, 조지아공과대 여운홍 교수와 공동으로 진행한 이번 연구 결과는 융합 과학 분야 세계적 권위의 국제 학술지 ‘Science Advances’에 게재됐다.
