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수면과학 총론

과학주의자 2025. 3. 1. 20:25

잠(수면,sleep)은 눈이 감긴 채 의식을 비롯한 여러 활동이 정지되는 상태를 말한다. 렘의식의 형태로 의식이 간간이 깨어나기도 하지만, 기본적으로 수면상태에선 인체에 소속된 수많은 기관이 휴식한다. 잠의 진화적 원인과 기능에 대해서는 여러 의견이 있으며,[각주:1] 자는 동안 나타나는 꿈(dream)은 수많은 초현실적 환상의 원천으로서 정신분석가와 신경과학자의 관심을 받아왔다. 

 

이 분야의 주요 연구자로는 stickgold가 있다.

 

수면장애

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수면의 문제는 몸과 마음의 문제가 되기도 한다. 수면장애는 수면의 양과 질에 문제가 생겨 발생하는 질환으로, 불면증, 과다수면장애, 수면발작증, 호흡 관련 수면장애, 일주기 리듬 수면-각성 장애, 수면이상증이 있다. 

 

 

생체리듬과 일주율[각주:2]

일주율(circadian rhythm)은 자연적으로 유기체 내에서 발생하는 하루의 주기로, 인간은 24.18시간의 일주율을 가지고 있으나[각주:3] 일조량의 피드백으로 인해 실질적으로 24시간의 일주율로 살아간다.[각주:4] 일주율은 환경에 의해 교란되기도 하는데, 비행기를 타고 너무 빨리 이동하다 보니 도착장소의 하루 주기와 일주율이 일치하지 않을 때 발생하는 증상이 시차 부적응(jet lag)이다.[각주:5] 이러한 일주율은 뇌파에도 영향을 끼쳐서 깨어있을때는 각성을 의미하는 고주파(베타파)와 휴식을 의미하는 저주파(알파파)가 교대로 나타난다.

 

사람들은 기본적으로 비슷한 일주율을 가진다. 가령 대부분의 성인은 8시 20분즈음에 일어난다.[각주:6] 그러나 일주율도 사람마다 다소 차이가 있다. 아침형과 저녁형 인간이 이것을 보여주는데, 아침형 인간이란 아침에 일어나는데 적합한 일주율을 가진 사람이고, 저녁형 인간이란 저녁에 활동하는데 적합한 일주율을 가진 사람이다. 아침형 인간이 더 좋다는 낭설이 자기개발 시장을 중심으로 퍼져있지만, 사실 더 중요한 것은 일주율에 맞추어 사는 것이다. 사람들은 자신의 일주율에 맞는 시점에 있을때 지능이 가장 잘 발휘되고 부적응적 행동은 덜 보인다.[각주:7]

 

생체시계[각주:8]

생체시계는 동물의 일주기 리듬(일주율), 즉 언제 자고 언제 깨어나는지를 결정하는 리듬을 결정하는 기제로, 시상하부의 시교차상핵(SupraChiasmatic Nucleus, SCN)에 위치한다.[각주:9] 시교차로 향하는 시신경의 일부는 SCN에 연결되어 있는데, 이 시신경에 들어온 빛 자극이 SCN을 조정하여 동물의 일주기 리듬을 조정한다.

 

SCN은 해의 위치나 체온도 영향을 주며, 그래서 체온이 떨어지면 잠이 오고 체온이 높아지면 잠에서 깬다. 인간의 경우 지각된 업무시간, 식사시간, 기상시간, 사회생활도 영향을 끼치는데, 이처럼 일주기 리듬을 조정하는데 관여하는 자극들을 동조인자(synchronizer)라 한다. 본래 인간의 일주기 리듬은 25시간이나, SCN이 동조인자를 수용하면서 일주기 리듬을 24시간에 맞게 지속적으로 수정한다.

 

SCN은 다양한 방식으로 동물의 일주기 리듬을 통제한다. 시교차에서 강렬한 빛 자극(아침해)이 들어오면 SCN은 세로토닌과 아드레날린, 코티졸을 다량 분비하여 사람을 깨우며, 반대로 밤이 되어 자극이 줄어들면 이들의 분비를 억제하고 대신 수면 및 안정과 관련된 멜라토닌을 분비하여 수면을 촉진한다. 이를 모방하여 목표하는 일주율에 맞게 멜라토닌을 투여하면 수면 관련 문제를 해결하기 쉽다.[각주:10] 많은 사람이 오후 2-4시에 졸음을 경험하는데, 이는 보통 식곤증이라고 불리나 식사와는 큰 관련이 없다. 대신 모종의 이유로 저하된 체온이 SCN을 자극하여 졸음을 유도하기 때문에 식곤증이 일어난다.

 

수면주기(sleep cycle)[각주:11]

수면주기는 잠을 자면서 거치는 일정한 주기를 말한다. 일주율의 관점에서 봤을때 수면은 기본적으로 자고 있는 상태이지만, 수면 단계에서의 뇌파는 깨어있을때 보다 더 복잡한 양상으로 나타난다. 학자들은 수면 동안의 뇌파 패턴을 통해 수면의 단계를 어느정도 유추할 수 있었다.[각주:12]

 

수면은 총 5단계로 진행된다. 첫번째 단계는 수면의 5%를 차지하는데 뇌파는 휴식 상태인 알파파보다 더 주파수가 낮은 세타파로 변한다. 이때 뇌파의 초당 주파수가 14cps에서 8-12cps로 내려가고(cps: cycles per secound의 약자), 세타파 상태에서는 3-7cps로 내려간다. 두번째 단계(전체 수면의 50%)에서는 초당 주파수가 1-2cps로 내려가면서 세타파가 수면 방추(sleep spindles)와 K 복합체(K complex)로 변하는데, 이들은 불규칙하게 격발하며 나타나 수면에서 깨는 것을 방해한다. 실제로 이 단계에서는 수면에서 깨어나는 것이 어렵다.

 

알파파와 베타파, 델타파, 그리고 세타파. 세타파의 주파수가 가장 낮다.
수면방추와 K복합. 불규칙한 활성화의 형태로 나타난다.

 

3,4단계는 서파 수면 단계로, 전체 수면의 10-20%를 차지하는데 델타파가 나타난다. 델타파는 위에서 보듯이 주파수는 그대로 낮으나, 진폭이 훨씬 비대해져 나타난다. 이는 활동하는 뉴런이 모두 동기화(general synchronization)되기 때문이다. 가장 관심을 많이 받는 단계는 5단계인데, 여기서 렘수면이 나타난다. 렘수면(REM sleep, paradoxical sleep, 역설적 수면)에서는 급속안구운동(Rapid Eye Movement, REM)과 높은 뇌 활성화가 나타난다. 이 단계에서는 베타파와 같은 고주파가 나타나며 이는 뇌가 깨어있을때 만큼 활동한다는 것을 보여준다. 사람이 꾸는 꿈의 대부분은 이 시기에 일어나며,[각주:13] 동시에 맥박과 혈압이 증가하고 성적 각성이 나타난다. 반면에 근육은 안구를 제외하면 모두 정지해서 사람들이 몽유병 환자마냥 걸어다니는 것을 방지한다.(이게 안되면 몽유병 환자가 된다) 대신 안구근육만은 움직이는데, 이 단계의 자는 사람의 눈꺼풀을 까보면 급속히 움직이는 눈을 볼 수 있다.(무섭다)

 

세타파에서 렘수면에까지 이르는 주기는 한번만 하고 끝나는게 아니고 잠을 자는 동안 4-6회 가량 반복된다. 다만 주기가 반복될수록 3,4단계는 감소하고 얕은 수면이 차지하는 길이가 늘어나면서 렘수면 단계에 더 빨리 도달하게 된다. 그 결과 처음에는 수면주기를 완주하는데 100분 정도 소요되지만 나중에는 그 기간이 짧아진다. 그러다가 수면주기가 끝나고 얕은 수면에서 바로 깨어있는 상태로 들어간다. 이 과정에서 여러 번의 렘수면을 경험하기 때문에 우리가 여러 꿈을 꾸는지도 모른다.

수면주기. 진행될수록 렘수면이 길어지고 각성수준이 높아진다.

 

렘수면(REM)[각주:14]

렘수면(REM sleep)은 깨어 있는 것에 가까운 얕은 수면으로, REM은 급속안구운동(Rapid Eye Movement)의 약자인데 처음 렘수면이 관찰될 당시 피험자의 눈이 급격하게 움직이는 것이 관찰되어서 그러한 명칭이 붙었다. 렘수면 단계에서는 대뇌의 혈액흐름이 증가하고 신진대사 기능이 증가하며, 위에서 말했듯이 급속안구운동이 일어나는 동시에 맥박 및 혈압의 증가와 불규칙한 호흡, 성기의 흥분반응이 나타난다. 또한 뇌파가 깨어있을 때처럼 활성화되며 베타파가 나타나는데, 전두엽의 기능은 저하되는 대신 측두-두정 접합부를 중심으로 한 영역이 활동한다. 뇌내 단백질의 합성을 촉진하는데, 이는 뇌의 기능을 회복하는데 도움이 된다.

 

렘수면은 약 90분 주기로 반복되며 하루에 5번 정도 나타난다. 전체 수면시간의 25%를 차지하는데, 80%의 사람이 이 시기에 꿈을 꾼다.[각주:15] 이때 꿈속에서의 움직임이 실제 신체의 움직임으로 이어지지 않도록 근육은 안구를 제외하고 모두 정지해서 사람들이 몽유병 환자마냥 걸어다니는 것을 방지한다.(이게 안되면 몽유병 환자가 된다) 대신 안구근육만은 움직이는데, 이 단계의 자는 사람의 눈꺼풀을 까보면 급속히 움직이는 눈을 볼 수 있다.(무섭다)

 

렘수면 단계에 접어들면 렘의식이라는 특정한 의식 형태가 나타난다. 어떤 학자들은 렘의식이 신비체험의 원인이라는 이론을 제안하였다. 일어나는 원인이라는 이론이 제기되었다. 실제로 가위눌림은 렘수면 단계가 미쳐 끝나지 않아 뇌는 깨어난 반면 렘수면 중에 가해진 근육정지가 풀리지 않을때 나타나는데, 가위눌림 상태에서 귀신이나 영적인 존재를 보았다는 보고가 다수 있다. 가위눌림 중에 경험하는 환상은 렘의식이 작동한 결과일 수 있다.

 

수면 욕구와 박탈[각주:16]

인간의 수면시간은 나이에 따라 바뀐다.[각주:17] 신생아들은 하루에 6-8번에 걸쳐 16시간의 잠을 자지만 생후 9-18개월의 아이들은 밤에 주로 잠을 잔다. 6세 아동은 하루에 11-12시간 정도 자며 성인은 약 7-8시간을 자고,[각주:18] 노인은 대개 수면시간이 적어진다. 그러한 감소는 주로 나이가 들면서 렘수면 시간이 감소하기 때문에 발생한다.[각주:19] 이처럼 나이에 따라 수면시간이 달라지지만, 어느 나이대이든 자야할 특정 시간이 존재한다는 것은 동일하다. 외부에 스트레스원이 존재하면 수면시간이 감소하지만[각주:20] 기본적으로 신체는 이러한 수면시간을 유지하려고 노력하며 이는 욕구의 일종인 수면욕구로 나타난다.

 

영어권에서 all-nighter로 불리는 사람들은 수면이 아무 쓸데없는 소모품이라고 생각한다. 그래서 산업혁명 이후 많은 사람들이 최대한 잠을 줄여야 한다고 주장했다. 가장 오래 깨어있던 사람은 랜디 가드너인데, 그는 264시간 12분동안 깨어있었다.[각주:21] 그러나 모든 사람이 랜디가 될 수는 없는 노릇이다. 사실 그가 결국 잠에 굴복한 이후 과학자들은 수면의 중요성을 발견하였다. 한 연구에서 피험자는 잠을 자지 못할 경우 어려운 지각과제를 하나도 학습하지 못했다.[각주:22] 수면박탈 연구에서 인지적 성과를 측정하는 방식에 다소 모호함이 있긴 하지만, 전반적으로 수면주기가 깨지면 인지적 기능이 잘 작동하지 않으며 특히 PFC의 작동이 방해받는 것으로 보인다.[각주:23] 쥐를 대상으로 한 실험에서 잠을 못잔 쥐는 체온조절을 잘 못하고 먹이를 더 많이 섭취함에도 체중은 더 감소했다. 이 쥐들은 신체시스템이 붕괴되고 평균 21일만에 모두 죽었다.[각주:24] 사람도 잠을 적절히 자지 못하면 사망률이 높아진다.[각주:25] 젊은이들도 잠을 잘 못자면 정신적 예민함이 감소하고 초조감과 우울감이 증가하며 사고 및 부상의 위험도 증가했다.[각주:26]

 

다른 연구에서는 렘수면 박탈도 그냥 수면박탈만큼 위험한 결과를 부를 수 있음을 보여줬다. 렘수면이 부족해지면 사람과 쥐 모두 기억장애와 과다한 공격성이 나타났고,[각주:27] 더 많은 렘수면을 통해 이를 보충하려고 했다.[각주:28] 또한 서파 단계의 수면을 방해한 경우에도 사람들이 더 많은 피곤을 느꼈으며 근육 손상이나 골절에 더 민감하게 반응했다.[각주:29] 반면에 충분한 수면은 기억공고화를 촉진한다. 왜 동물들이 이렇게 필수적으로 잠을 자야 하는지에 대한 이유는 밝혀지지 않았지만, 잠을 자는 것이 중요하다는 것은 이제 상식이 되었다.

 

꿈[각주:30]

꿈(dream)은 자는 동안 경험하는 일련의 환상으로, 디멘트는 '우리 각자와 모두를 우리 생의 매일 밤 조용하고 안전하게 미치게 하는 것'이라고 정의한 바 있다. 우리는 꿈에서 매우 이상한 일들을 경험하는데, 다른 사람에게 쫓기거나 날아다니는 경험을 포함한다.[각주:31](둘다 꿔봤다) 꿈은 과학에서 멀고 오히려 종교적인 주제로 간주되기 쉽지만, 신경과학의 발달에 힘입어 꿈은 이제 인지과학의 주요 주제 중 하나가 되었다.[각주:32] 

 

보통 렘수면 중인 사람의 82%는 꿈을 꾸며, 논렘수면의 경우에도 54% 정도는 꿈을 꾸는 상태이다.[각주:33] 꿈에서 우리가 경험하는 의식은 평상시의 의식과 다르며, 5가지 특성을 통해 이를 구분할 수 있다.[각주:34]

 

  • intense emotion: 꿈의식에서는 강렬한 정서가 느껴진다. 현실에서는 흔하지 않은 일이다.
  • illogical thought: 사고가 비논리적이다. 시공간과 사람의 연속성이 통하지 않는다.
  • full sensation: 감각이 완전히 형성되고 의미를 가진 것처럼 느껴진다. 꿈에서는 보통 시각만 나타나지만 청각, 촉각, 움직임이 같이 느껴지는 경우도 있다. 
  • uncritical acceptness: 상황이 무비판적으로 수용된다. 갑자기 괴물이 튀어나와 당신을 잡고 달로 던져버려도 완전히 정상적인 일로 간주된다.
  • difficulty remembering on wakening: 꿈의 내용은 기억되기 매우 어렵다. 깬 직후에는 기억하나 이후에는 다른 기억과 달리 매우 빠르게 잊혀진다. 꿈일기를 쓰라는 이유가 괜히 있는게 아니다.
 

꿈의 내용은 대개 현실에서 봤던 일종의 '낮의 잔여물'로 채워진다. 즉 낮에 놀이동산에 간 사람은 꿈속에서도 놀이동산에 있을 확률이 높다. 의식 속에 남아있는 관심[각주:35]이나 최근에 경험한 이미지들이 꿈을 구성하는 주요 재료들이다. 이를 증명한 실험에서 연구자들은 피험자에게 테트리스를 하게 하자, 피험자들은 다음에 이어진 잠 동안 테트리스 도형이 떨어지는 꿈을 더 많이 꾸었다.[각주:36](실험에 참여하거나 게임을 하는 꿈은 없었다) 다른 연구[각주:37]에서도 독서를 한 학생들은 독서와 관련된 꿈을 더 많이 꾸었고, 운동을 한 학생들은 운동과 관련된 꿈을 더 많이 꾸었다. 여기서 보듯이 꿈은 낮에 경험한 일들이 스냅사진처럼 지나가는 장소로, 특히 하루나 이틀 전날 보다는 5-7일 전의 경험이 꿈에 나오는 경우가 많다.[각주:38]

 

악몽(nightmare)은 가장 잘 기억되는 꿈 중 하나로, 이는 다른 꿈들이 잊혀지는 반면 악몽은 사람을 바로 깨게 만들어서 적어도 꿈을 꿨다는 사실은 기억하게 만들기 때문이다.[각주:39] 일반적으로 대학생은 1년에 대략 24번의 악몽을 꾸며[각주:40] 일부 정신질환자들은 매일밤 꾸기도 한다. 강력한 지진을 경험한 사람들은 다른 사람에 비해 지진과 관련된 악몽을 더 꿨다는 보고가 있다.[각주:41]

 

루시드 드림(lucid dream, 자각몽)은 자신이 꿈을 꾸고 있음을 자각하고 있는 상태에서 꾸는 꿈을 말한다. 루시드 드림을 꾸는 사람은 꿈을 꾸면서도 자신이 꿈 속에 있다는 것을 알고, 꿈을 마음대로 변형하기도 한다. 꿈 연구자들은 피험자에게 그들이 꿈 안에 있으면 빨간 불빛이 보인다고 말한 후, 그들이 렘수면 상태에 있을때 그들이 쓴 고글에 빨간 불빛이 빛나도록 만들어 루시드 드림을 유도할 수 있다.[각주:42] 신경과학적으로 루시드 드림은 일반적인 꿈과 달리 집행기능 영역이 활동한다.[각주:43]

 

이 분야의 주요 연구자로는 윌리엄 디멘트(William Dement)가 있다.

 

필자는 꿈의식의 특징 5가지가 전두엽의 기능과 관련된다고 주장한다. 꿈을 꾸는 렘의식 상태인 사람들을 조사하면 대개 전두엽이 크게 비활성화되기 때문에 꿈 상태를 일종의 전두엽 손상으로 볼 수 있다. 실제로 꿈을 꾸는 동안 손상되는 능력(정서조절, 논리적 사고, 감각 분절, 판단력, 기억강화)은 모두 전두엽의 기능으로 여겨진다. 아울러 어떤 특성은 영적 의식 상태에서도 보여지기 때문에, 영적 사고/믿음을 전두엽의 활동 부재와 관련짓는 연구도 가능할 것이라고 생각한다.

 

꿈의 원인[각주:44]

왜 인간이 꿈을 꾸는지에 대한 이론은 아직 합의되지 않았다. 수천년동안 갖가지 해몽법이 난무했지만 모두 답을 찾지 못했듯이, 과학자들이 고안한 이론들도 꿈을 완벽하게 설명하진 못하고 있다. 현재 꿈이 생기는 이유를 설명하는 이론은 2개가 있으며,[각주:45] 하나는 신경과학자가, 다른 하나는 임상심리학자가 고안하였다. 현재 활성화-통합 모델이 주류에 가깝다.

 

꿈을 설명하는 첫번째 이론은 활성화-통합 모델이다. 활성화-통합 모델(activation-synthesis model, 활성화-합성 모델)은 수면중에 무작위로 일어나는 신경활동이 나중에 하나의 의미를 가진 것으로 재구성되면서 꿈의 형태를 가진다고 본다.[각주:46] 사실 뇌활동의 상당수는 우리의 의지와 관계없이 일어나며, 전두엽은 이것을 통제하는 동시에 각각에 의미를 부여하여 하나의 이야기로 만든다. 그렇기 때문에 뇌가 꿈에서 나타나는 장면들도 하나로 통합하리라고 예상하는 것은 무리가 아니다. 다른 신경과학자는 렘수면 기간에 뇌가 스스로를 재정비하면서 무작위로 떠오르는 심상들이 꿈의 재료가 된다고 말한다. 실제로 잠을 잘때 기억의 consolidation이 활발하게 일어나고, 이는 더 좋은 기억력을 초래하며 해마와 전두엽의 연결도 강화되어[각주:47] 기억이 더 잘된다. 이는 잠든 동안 뇌가 저장된 정보를 재정비하기 때문으로 보인다. 아래는 잠이 기억력을 증진한다는 연구이다.

더보기

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두번째 이론은 프로이트의 이론이다. 프로이트는 꿈은 무의식적으로 만들어지며, 이드의 욕망이 여러 상징의 모습으로 나타난게 꿈이라고 주장했다.[각주:48] 이후 다른 정신분석가들은 이드뿐만 아니라 전반적인 역동이 꿈으로 나타난다고 주장했으며, 꿈해석(꿈분석)을 통한 내담자의 역동 해석은 정신분석 전반에 수용되었다. 최근 일련의 신경과학자들은 이를 현대적으로 해석하여, 자는 동안 낮에 있었던 일의 기억을 통합하고[각주:49] 이를 시뮬레이션하여 앞날을 대비하는 일종의 이미지 트레이닝을 위해 꿈이 고안되었으며 역동이 꿈에 나타나는 것도 이러한 이유라고 설명하였다. 실제로 억제된 사고가 꿈에 나타난다는 연구도 있고,[각주:50] 많은 문화권의 사람들이 이러한 해석을 더 좋아하지만,[각주:51] 이 해석은 활성화-통합 모델에 비해 증거가 약하다.

 

뇌영상 연구[각주:52]

fMRI 연구에 따르면 인간이 꿈을 꿀 때는 PFC의 활동이 감소하고 운동피질과 시각피질, 뇌간, 편도체가 활성화된다.[각주:53] 또한 PFC 활동이 감소하면서 DMN의 활동은 증가한다.[각주:54] 이러한 패턴은 일부 정신질환자에게서 나타나는 뇌활성 패턴과 흡사하다. 꿈을 꿀 때 활성화되는 부위들은 꿈의 특징 중 일부를 설명하는데 도움이 되는데, 가령 편도체의 활성화는 왜 꿈이 보통 강렬한 정서가 동반되는지 설명해준다. 또한 대부분의 꿈이 시각이미지로만 나타난다는 사실도 시각피질만 활성화되었다는 결과와 연결된다. 정확히 시각피질 중에서도 실제 시지각보다 복측 경로와 연관된 부위가 활성화되었는데[각주:55] 이는 당연히 꿈이 실제 존재하는 무언가를 보는 것이 아니기 때문이다. PFC의 비활성화도 왜 꿈의 내용이 비논리적인지 설명해준다. 한편 뇌간과 운동피질은 서로 반대로 작용하는데, 뇌간의 활동은 운동피질의 신호를 억압하여 운동피질에서 내려보낸 명령이 실제 근육으로 전달되지 않도록 차단한다. 이는 왜 어떤 사람들이 몽유병에 걸리는지, 그리고 가위눌림이 어째서 생겨나는지에 대한 설명을 제공한다.

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