“수면 중 뇌파 조절해 학습 기억력 2배 높인다”

[그림]공포 학습과 기억의 형성/자료=IBS

수면 중 나오는 뇌파를 조절하면 학습 기억력을 2배 가까이 높일 수 있다는 연구결과가 나왔다.


인간의 장기기억은 수면과 밀접한 관계가 있다. 학습 후 잠을 자는 동안 학습에 대한 기억이 강화되는 현상이 나타나는데, 일부 연구자들은 숙면을 돕는 ‘수면방추파’라는 뇌파가 기억 형성에 관여하기 때문이라고 주장해 왔다. 하지만 수면방추파와 장기기억 간의 정확한 인과관계는 아직 밝혀진 바가 없다.

기초과학연구원(IBS) 인지 및 사회성 연구단(단장 신희섭)은 수면방수파와 학습과 기억에 관여하는 뇌파로 알려진 대뇌피질의 ‘서파’, 뇌 해마 부위의 ‘SWR파’의 상호작용을 연구, 장기기억과 관련한 인과관계 규명을 시도했다.

연구진은 실험을 위해 녹조류가 빛을 향하는 성질을 보이는 데 필수적인 단백질 ‘채널로돕신’을 생쥐 간뇌의 시상 신경세포에 주입한 뒤 생쥐 머리에 꽂은 광케이블을 통해 빛으로 수면방추파 발생을 유도하는 광유전학적 방법을 이용했다.

연구진은 먼저 생쥐들에게 특정 공간에서 30초 동안 특정 소리를 들려줬다. 그런 뒤 마지막 2초를 남겨두고 전기 충격을 가했다. 전기충격에 대한 공포기억을 심어주기 위해서다.


그런 다음 생쥐가 잠을 자는 동안 한 무리에게는 대뇌 피질의 서파 발생 시기에 맞춰 광유전학 자극으로 수면방추파를 유도했다. 다른 생쥐에게는 서파 발생 시기와 상관없이 다른 시점에 수면방추파를, 또다른 생쥐에게는 수면방추파를 유도하지 않았다.

연구진은 24시간이 지난 뒤 이 3종류의 생쥐를 두 가지 상황에 각각 배치했다. 하루 전 공포를 느꼈던 똑같은 공간에 소리 자극은 없는 상황인 A와 전날과 전혀 다른 공간에 소리는 들리는 상황 B이다.

상황 A에서 공포를 느낀다면 전기 충격을 받은 환경 요소, 즉 공간, 온‧습도, 냄새 등과 전기충격의 연관성을 기억하는 것이므로 해마에 의한 장기기억에 해당한다. 상황 B에서 공포를 느낀다면 전기충격과 직결되는 청각적 자극과 전기충격과의 연관성을 기억하는 것이므로 해마에 의존하지 않는 기억에 해당한다.

공포를 느낄 때 바짝 얼게 되는 생쥐의 행동을 관찰한 결과, A 상황에 놓인 3종류의 생쥐 중, 대뇌피질의 서파 발생 시기에 맞춰 수면방추파를 유도한 생쥐가 얼어붙는 행동을 보다 긴 시간 강하게 보이며, 다른 생쥐보다 공포에 대한 기억을 2배 가까이 잘하는 것으로 나타났다. 반면, 상황 B에 처한 3종류의 생쥐들은 공포 기억을 떠올리는 정도에 차이가 없었다.

이 실험 결과는 상황 A가 해마에 의존해 기억을 떠올릴 수 있는 상황이라는 것을 생각해볼 때 대뇌 피질의 서파 발생 시기에 맞춰 빛을 통해 수면방추파를 유도한 자극이 해마의 장기기억을 증진시킨다는 사실을 시사한다.

신희섭 IBS 인지 및 사회성 연구단 연구단장(교신저자)/자료=IBS

연구진은 3종류 뇌파의 분포 양상을 분석한 결과, 대뇌 피질의 서파가 나타나는 시기에 맞춰 수면방추파를 유도하면 해마의 SWR파가 동원돼, 결국 이 세 가지 뇌파가 동시에 발생해 동조한다는 사실을 밝혀냈다. 이렇게 3가지 뇌파가 동시에 발생해 동조되는 비율은 수면방추파를 서파 발생 시기에 맞출 때가 그렇지 않을 때보다 약 2배 더 높은 것으로 나타났다.

연구진은 “대뇌피질의 서파 발생에 맞춰 수면 방추파를 유도했던 생쥐가 공포에 대한 기억을 가장 잘 할 수 있었던 이유는 세 가지 뇌파의 동조현상이 증가해 해마에서 생성된 학습 정보를 대뇌피질의 전두엽으로 전달, 장기기억이 강화됐기 때문”이라고 설명했다.

신희섭 단장은 “생쥐를 대상으로 한 실험이기 때문에 뇌에 광유전학 케이블을 삽입하여 뇌파를 조정했지만, 비침습적인 방법으로 인간의 뇌파를 조정할 수 있다면 언젠가 학습기억 증진을 도모해 볼 수 있으리라 기대한다”고 말했다. 이번 연구성과는 국제학술지 뉴런 최신호에 게재됐다.