아는 듯 모르는 '잠자는 뇌와 깨어 있는 뇌' 그 '큰 차이'

아는 듯 모르는 '잠자는 뇌와 깨어 있는 뇌' 그 '큰 차이'

우리는 왜 잠을 자고 또 일어나는가? 잠은 '뇌를 쉬게 하기 위해서' 아니었어? 생물의 "진짜 모습"은 잠든 모습에서?

지금, 의욕에 찬 연구자가 수면과 의식의 수수께끼에 대해 설명하는 일본의 서적 「수면의 기원(睡眠の起源)」이 화제라고 한다.

이 내용은 일본 서적 『수면의 기원(睡眠の起源)』에서 일부 내용을 정리한 것이다.

◆ 고뇌에 찬 뇌파
지금으로부터 100여 년 전, 20세기 초, 한스 베르거라는 위대한 과학자가 있었다. 그는 정신의학에 흥미를 가지고 독일 예나대학에서 뇌 연구를 하고 있었다. 뇌 속의 혈액의 흐름이나, 온도의 변화에 대해 조사하고 있었던 것이다. 그런 베르거는 인간 머리의 전기 활동을 측정할 수 없을까하고 생각했다. 신경세포는 전기적인 활동을 하고 있다. 그렇다면 뇌의 전기활동을 머리 표면에서도 측정할 수 있지 않을까하고 생각한 것이다.

1924년 베르거는 인간 뇌의 전기활동을 측정하는 데 성공한다. 베르거는 때때로, 자신의 아이들을 피실험자로 해 열심히 계측을 하였다고 한다. 그는 매우 신중한 성격이었다. 계측된 물결모양이 전기 신호의 데이터 혼란(noise)가 아님을 증명하고자 했다. 관찰된 물결모양은 정말 뇌에서 발생한 전기신호인가?

일련의 연구 성과는 1929년에 논문으로 공개되었다. 인간 뇌의 전기활동을 처음으로 측정했다는 획기적인 보고였다. 일약 주목을 받을 텐데 아쉽게도 그의 논문은 다른 연구자들이 상대해 주지 않았다.

그의 실험 결과는 그다지 신뢰받지 못했던 것 같다. 세계에 앞선 성과를 발표하되 도무지 믿지 않는다. 베르거는 그런 고뇌를 겪는다.

그러던 중 생리학자로 유명했던 케임브리지대 에드가 애드리안이 베르거의 보고에 눈길을 돌렸다. 그리고 그는 베르거의 실험을 추가 시험했다. 애드리안은 어느 때 머리에 붕대를 감은 모습으로 학회에 등장했다. 1934년의 일이다. 머리에 전극을 장착하고 붕대로 그것을 고정하고 있었던 것이다. 머리에서 뻗어나오는 코드는 앰프와 오실로스코프로 연결돼 있어 애드리안의 뇌파가 즉석에서 영사되는 구조였다.

많은 청중이 주목하는 가운데, 베르거가 논문 중에서 보고한 것과 같은 물결모양이 비춰졌다. 베르거의 보고는 사실이었다. 베르거가 인간의 뇌파 계측에 성공한 지 10년 만이다. 베르거는 사람의 뇌파를 측정하기 이전에, 하인의 뇌파 측정도 시도했는데 그로부터는 30년 정도가 지났다.

애드리안의 인상적인 공개 실험으로 인해 베르거의 공적은 비로소 인정받게 되었다. 고난을 딛고 겨우 공적을 인정받은 베르거는 노벨 생리의학상 후보에도 오른다. 하지만, 수상을 눈앞에 두고 스스로 목숨을 끊어 버린다. 자살의 원인은 정확히 알 수 없지만, 노벨상은 생존 인물에게 수여된다는 규정 때문에 그가 받지는 못했다.

애드리안의 공개실험에서 영사된 뇌파는 우리의 직관과는 다른 신기한 움직임을 보여줬고, 그 또한 화제가 됐다. 애드리안이 눈을 감으면 파도의 위아래 진폭(요철)이 커지는 것이다. 눈을 뜨면 작아진다. 에이드리언에게 암산문제가 출제되고 에이드리언이 골똘히 생각에 잠겨 있자 파도의 위아래 진폭(요철)이 더 작아져 마치 직선처럼 되었다. 아무래도 뇌를 열심히 사용하면 뇌파가 평탄해지는 것이다. 뇌를 움직일수록 뇌파가 조용해진다.

사실 베르거도 같은 사실을 알고 있었다. 피실험자가 눈을 감았을 때 볼 수 있는 비교적 위아래 진폭(요철)이 큰 뇌파는 '베르거리즘'으로 부를 수 있다. 도대체 무슨 일일까?

◆ 잠자는 뇌와 깨어 있는 뇌
뇌파는 머리 표면에서 관찰되는 전기활동의 흔들림이다. 뇌파는 파도모형이다. '파도 모형'은 우리 가까이에 넘쳐나고, 예를 들어 소리도 '파도 모형'이다. 소리가 그렇듯 '파도'는 주파수와 진폭에 따라 특징지어진다. 소리의 경우에는 주파수가 높으면 높은 소리로 들리고 주파수가 낮으면 낮은 소리로 들린다. 진폭이란 파도의 크기이며 소리의 크기에 해당한다.

애드리안의 실험에서 나타난 것처럼 뇌를 사용하면 사용할 할수록 뇌파의 요철이 작아진다. 즉 진폭이 작은 뇌파다. 그렇다면 잠자고 있을 때 뇌파는 어떤 것인가 하면 매우 특징적이다. 진폭(요철)이 크고 단지 느린 뇌파인 것이다. 그것은 주파수가 낮고 진폭이 큰 뇌파라고 표현할 수 있으며, 음에 비유한다면 저음의 큰 음색이다. 자고 있을 때는 피아노 건반의 왼쪽 끝을 세게 두드렸을 때와 같은 저음으로 우렁찬 음색, 반대로 깨어 있을 때는 건반의 오른쪽 끝을 부드럽게 두드렸을 때와 같은 높고 초롱초롱한 음색이다.

뇌파는 하나하나 신경세포의 활동을 포착하는 것이 아니라 신경세포의 활동의 총합이다. 뇌파가 직관과 배치되는 이상한 거동을 보이는 까닭은 거기에 숨겨져 있다.

뇌파는 주로 대뇌피질에서 나오는 전기신호다. 「대뇌피질」이란, 감각 정보의 처리하고, 이에 근거해 판단이나 사고(생각)를 하고 있는 곳이다. 실험에서 죽은 쥐의 뇌를 해부할 때가 있는데, 대뇌피질은 '피(皮)'자 그대로 뇌 표면의 구조다.

우리가 깨어 있을 때에는 대뇌피질에 있는 신경세포가 활발하게 활동하며 한창 정보처리를 한다. 따라서 깨어 있을 때는 신경 발화가 왕성하게 일어난다. 신경세포가 흥분하거나 가라앉았다를 반복하고 있는 것이다. 단지, 각각의 신경세포가 활동하는 타이밍은 제각각이기 때문에, 그 총합을 취해 보면, 덧셈의 결과는 커지지 않는다. 그 때문에, 깨어 있을 때에는, 작은 진폭(요철이 적은)의 뇌파가 된다.

한편 잠자고 있을 때는 하나하나의 신경세포가 천천히 활동하고, 그리고 타이밍을 맞춰 활동한다. 흥분하거나 가라앉거나 하는 타이밍이 갖추어져 있는 것이다. 모두가 일제히 활동할 때 그 총합은 매우 커진다. 따라서 뇌파의 진폭이 크고(요철이 커짐) 주파수가 낮은(느린) 패턴이 된다.

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