자는 동안 ‘뇌 청소’ 보였다…이마에 붙이는 웨어러블 개발 [노화설계]

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집에서 편안하게 잠든 상태에서 이마에 부착된 무선 웨어러블 센서를 통해 뇌의 노폐물 배출(‘뇌 청소’) 과정과 생리적 변화를 실시간으로 모니터링하는 모습을 시각화한 그래픽. 이미지는 생성형 인공지능(AI) 제미나이로 제작

잠을 자는 동안 뇌에서는 낮 동안 쌓인 노폐물을 씻어내는 일명 ‘뇌 청소’가 이뤄진다. 지금까지 웨어러블 기기가 수면 시간이나 심박수 등을 측정하는 데 머물렀다면, 앞으로는 잠자는 동안 뇌에서 일어나는 변화까지 집에서 살펴볼 수 있는 길이 열릴 전망이다.

분당서울대병원 신경과 윤창호 교수 연구팀은 조지아공과대 여운홍 교수 연구팀과 공동으로 수면 중 뇌의 수분 변화를 연속 측정할 수 있는 무선 웨어러블 장비를 개발했다고 9일 밝혔다.

최근 수면 부족과 치매 위험의 연관성을 보여주는 연구가 잇따르면서, 잠자는 동안 뇌가 스스로 노폐물을 제거하는 ‘아교림프계(glymphatic system)’는 뇌 건강 연구의 중요한 분야로 떠올랐다. 아교림프계는 뇌척수액이 뇌 조직 사이를 흐르며 아밀로이드 베타 같은 노폐물을 제거하는 시스템으로, 특히 깊은 잠에서 가장 활발하게 작동하는 것으로 알려져 있다.

하지만 지금까지는 자기공명영상(MRI) 같은 대형 장비를 이용해야만 뇌척수액과 뇌 수분 변화를 확인할 수 있었다. 검사실에서만 측정이 가능해 평소 집에서 자는 동안 뇌에 어떤 변화가 일어나는지 반복적으로 관찰하기는 쉽지 않았다.

연구팀이 개발한 장비는 이마에 붙이는 부드러운 무선 근적외선분광(NIRS) 웨어러블 기기다. 빛의 흡수 정도를 분석해 뇌 조직의 수분과 혈류 변화를 측정하는 방식으로, 피부에 자연스럽게 밀착되는 유연한 소재를 적용해 잠을 방해하지 않으면서 밤새 데이터를 연속 수집할 수 있도록 설계했다.

연구팀은 건강한 성인 4명을 대상으로 가정에서 모두 16차례 야간 측정을 실시했다. 동시에 뇌파와 안구운동을 분석해 수면 단계를 확인한 뒤 뇌 수분 변화와 비교했다.

분석 결과 수면 단계가 바뀔 때마다 뇌 수분 신호도 일정한 방향으로 변했다. 깨어 있거나 렘(REM)수면에서 깊은 잠인 비렘(NREM)수면으로 넘어갈 때는 신호가 증가했고, 반대로 비렘수면에서 렘수면으로 전환될 때는 감소했다. 이러한 변화는 뇌파로 확인한 수면 단계 전환 시점과 거의 동시에 나타났다.

장비는 뇌 수분 변화뿐 아니라 호흡과 심장박동 등 수면 중 나타나는 생리적 리듬도 함께 포착했다. 비렘수면에서는 호흡과 심박이 안정적으로 유지됐고, 렘수면에서는 보다 불규칙해지는 등 기존에 알려진 수면 생리 변화와도 일치했다.

● 스마트워치가 못 보던 ‘뇌 변화’까지 관찰

현재 시판되는 스마트워치나 스마트링 등 대부분의 웨어러블 기기는 수면 시간과 심박수, 혈중 산소포화도 등을 측정한다. 반면 이번 장비는 수면 중 뇌에서 일어나는 수분 변화와 아교림프계 활동을 간접적으로 관찰하려 했다는 점이 가장 큰 차이다.

기존 수면 검사가 ‘얼마나 오래 잤는지’, ‘깊은 잠을 얼마나 잤는지’를 평가하는 데 초점을 맞췄다면, 이번 연구는 잠자는 동안 뇌의 회복 과정이 어떻게 진행되는지를 살펴보려는 새로운 시도라고 연구팀은 설명했다.

(왼쪽부터) 분당서울대병원 신경과 윤창호 교수, 조지아공과대 여운홍 교수

윤창호 교수는 “아교림프계 활동을 자연스러운 수면 환경에서 관찰할 수 있는 도구를 마련하는 것은 신경계 질환 연구의 오랜 과제였다”며 “현재 정상인과 인지장애 환자를 대상으로 데이터를 구축하고 있으며, 수면무호흡증 치료와 불면증 인지행동치료가 뇌 청소 과정에 어떤 영향을 미치는지도 후속 연구를 진행하고 있다”고 말했다.

이어 “표준 검사와의 비교 검증을 거쳐 기술이 발전한다면 수면장애와 노화, 인지기능 저하 연구는 물론 치료 효과를 평가하는 새로운 관찰 도구로 활용될 수 있을 것”이라고 덧붙였다.

다만 이번 연구는 건강한 성인 4명을 대상으로 진행한 초기 연구다. 실제 의료 현장에서 활용되기 위해서는 더 많은 대상자를 대상으로 한 후속 연구와 검증이 필요하다.

이번 연구 결과는 국제학술지 ‘Science Advances’에 게재됐다.