잠은 우리에게 꼭 필요하다. 잠을 자지 않으면 정신적 피로감은 물론 편두통이나 간질 발작 등을 유발할 수 있으며, 특히 전혀 잠을 이루지 못하면 사망에 이를 수도 있다.

왜 정상적인 뇌는 계속 깨어 있으면 기능이 저하되며, 회복하기 위해서는 잠이 필요한 것인가?

최근 Xie 연구팀(Science vol.342, 373 (2013))은 뇌가 잠을 자는 동안에 뇌 세포들 사이에 축적된 노폐물이 제거된다는 연구결과를 발표하였다.

세포들 사이의 공간(interstitial space)은 뇌 전체 부피의 약 20%나 차지하고 있는 데도 불구하고 그동안 신경계 연구에서 소홀히 다루어져 왔다. 뇌에는 림프계가 없기 때문에 사이공간이 뇌 세포에서 발생하는 노폐물을 제거하는 역할을 수행한다. 뇌의 대사물질들은 뇌척수액(cerebrospinal fluid)에 의하여 뇌 세포 사이공간을 통하여 씻겨 나간다.

뇌척수액은 혈액에서 정화되어 뇌실(ventricles)의 맥락총(choroid plexus)에 의하여 뇌세포 사이의 공간에 스며들어 결국 뇌를 싸고 있는 수막(meninges)의 혈관에 흐르게 된다.

쥐의 두뇌에 이온영동요법(iontophoresis)을 적용하여 깨어있는 동안에는 사이공간이 14%에 불과하지만 수면상태나 마취 상태에 있는 경우에는 사이공간이 두뇌 전체 부피의 23%로 증가한다는 사실을 발견하였다.

연구팀은 형광 추적물질을 뇌척수액에 투입한 후 2-광자 현미경(two-photon microscopy)을 사용하여 깨어있을 때에는 뇌의 표면에 국한되던 뇌척수액이 수면이나 마취 시에는 뇌 조직 깊이 침투함을 관측하였다.

중요한 사실의 하나는 잠든 쥐의 뇌의 표면에 노르아드레날린성 작용제(noradrenergic agonist)를 주입하면 뇌가 깨어있을 때와 같이 뇌척수액의 흐름을 제한한다는 점이다.

이 작용제는 뇌가 깨어 있을 때만 분비되는 노르아드레날린의 분비를 촉진한다. 노르아드레날린은 뉴런을 활성화시켜 세포 사이의 K+의 농도를 증가시킴으로써 세포를 확장시키며, 따라서 사이공간이 줄어들게 한다.

수면 동안에 증가되는 뇌척수액의 흐름은 알츠하이머의 원인으로 꼽히는 β-아밀로이드(Aβ) 등 뇌의 대사물질을 제거하는 데 크게 기여한다.

Xie 연구팀은 추적물질의 삽입을 통하여 수면 중에 노폐물의 정화가 깨어있을 때보다 약 두 배 이상 빨리 이루어진다는 사실을 발견하였다.

그 결과들을 종합하여 연구팀은 수면이 제공하는 원기회복 효과가 뇌의 노폐물의 정화에서 온다는 가설을 제시하였다.

그러나 역으로 좁은 사이 공간 때문에 깨어있는 동안 뇌에 노폐물이 쌓이면 생체 스위치가 수면상태를 유도하는지도 모른다. 이러한 스위칭은 스스로조절되며 연속적으로 일어나는 뇌의 상태 변환을 만들어 낼 수 있다.

이와 비슷한 개념이 뉴런이나 신경교(glial) 활동에서 발생하여 수면을 촉진하는 것으로 알려진 아데노신에도 적용될 수 있다. 아데노신도 깨어있을 때에는 급속히 증가하였다가 잠시라도 잠을 자면 급격히 감소하는 것으로 관찰되었다.

Xie 연구팀의 발견은 깨어있을 때 좁아지는 사이공간이 두통이나 간질 발작 등 불면증과 연관 있는 물질들을 찾아내는 데 유용할 수 있음을 의미한다.

깨어있을 때 쌓이는 노폐물을 제거하는 약의 개발도 새로운 가능성의 하나이다.

뇌의 사이공간에 대한 이해는 수면과 관련된 또 하나의 난제를 해결하는 데 단서를 제공할 수도 있다.

그것은 종마다 다른 수면 시간과 뇌의 크기 간의 관계이다.

수면 시간은 박쥐의 경우 20시간에서 기린이나 코끼리의 경우 3~4시간에 이르기까지 다양하며 아직까지 이러한 다양성을 설명할 수 있는 이론이 존재하지 않는다.

그러나 이번 연구를 통하여 동물의 뇌가 크면 상대적으로 큰 사이공간이 존재하므로 수면을 촉진하는 물질들을 잠정적으로 수용 보관할 수 있는 공간이 늘어나며 따라서 잠을 자지 않고 견딜 수 있는 시간이 늘어 날 수 있다고 가정할 수 있다.

만일 큰 뇌를 가진 동물들을 살아있는 채로 실험실에 데려올 수 있으면 이러한 가설을 증명해 볼 수도 있을 것이다.