수면 중 뇌 속 '청소' 집에서 본다..분당서울대 무선 웨어러블 장비 개발

이마에 붙이는 초박형 센서로 수면 측정
깊은 수면 활성화, '뇌 청소 시스템' 관찰
치매·수면장애·인지저하 연구 활용 기대

[파이낸셜뉴스] 잠자는 동안 뇌에서 이뤄지는 노폐물 제거 과정을 가정에서도 연속적으로 관찰할 수 있는 웨어러블 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

기존에는 MRI 등 대형 장비를 이용해야만 확인할 수 있었던 뇌 수분 변화를 이마에 부착하는 무선 센서만으로 측정할 수 있게 되면서 치매와 수면장애 등 신경계 질환 연구에 새로운 전기가 마련될 것으로 기대된다.

분당서울대병원은 신경과 윤창호 교수 연구팀이 조지아공과대 여운홍 교수 연구팀과 공동으로 수면 중 뇌의 수분 변화를 연속 측정할 수 있는 무선 웨어러블 근적외선분광(NIRS) 장비를 개발했다고 9일 밝혔다.

최근 뇌 건강 연구에서 주목받는 개념 가운데 하나는 '아교림프계(Glymphatic system)'다. 이는 수면 중 뇌척수액이 뇌 조직 사이를 순환하며 아밀로이드 베타와 같은 노폐물을 제거하는 일종의 뇌 청소 시스템으로, 특히 깊은 비렘수면 단계에서 활발하게 작동하는 것으로 알려져 있다.

이 기능이 원활하지 않을 경우 알츠하이머병 등 다양한 신경퇴행성 질환 위험이 높아질 수 있다는 연구 결과도 꾸준히 보고되고 있다.

하지만 지금까지는 이러한 뇌 수분 변화와 아교림프계 활동을 자연스러운 수면 환경에서 관찰하기가 쉽지 않았다. MRI는 정밀한 측정이 가능하지만 검사실에서만 사용할 수 있어 실제 잠을 자는 환경에서 장시간 반복 측정하는 데 한계가 있었다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 피부에 부드럽게 밀착되는 초박형 무선 웨어러블 장비를 개발했다. 장치는 이마에 부착하는 형태로 설계됐으며, 세 가지 파장의 근적외선을 이용해 뇌 조직의 수분과 혈류 변화를 측정한다.

무선 데이터 전송 기능도 갖춰 사용자가 집에서 잠을 자는 동안에도 밤새 연속적으로 데이터를 수집할 수 있도록 했다.

성능 검증을 위해 건강한 성인 4명을 대상으로 총 16차례의 야간 수면 측정을 실시한 결과, 수면 단계 변화에 따라 뇌 수분 신호가 일정한 방향성을 보이며 변하는 패턴이 확인됐다.

깨어 있거나 렘수면 상태에서 깊은 비렘수면으로 전환될 때는 뇌 수분 신호가 증가했고, 반대로 비렘수면에서 렘수면으로 넘어갈 때는 감소하는 양상이 나타났다.

특히 이러한 변화는 뇌파와 안구운동을 통해 확인한 실제 수면 단계 전환 시점과 거의 동시에 나타나 웨어러블 장비가 뇌 내부 변화를 정확하게 반영할 수 있음을 보여줬다.

연구팀은 장비를 통해 뇌 수분 변화뿐 아니라 호흡과 심장박동, 느린 뇌파 등 수면 중 나타나는 다양한 생리학적 리듬도 함께 관찰했다고 설명했다. 비렘수면에서는 호흡과 심박이 안정적으로 유지됐으며, 렘수면에서는 불규칙해지는 기존 생리학적 특징도 동일하게 확인됐다.

이번 연구는 수면 시간이나 수면 단계를 분석하는 기존 수면검사에서 한 걸음 더 나아가, 수면 중 뇌 청소 시스템과 관련된 생리적 변화를 가정에서도 장시간 추적할 수 있는 가능성을 제시했다는 점에서 의미가 크다는 평가다.
윤창호 교수는 "아교림프계 활동을 자연스러운 수면 환경에서 관찰할 수 있는 기술은 신경계 질환 연구의 중요한 과제였다"며 "현재 정상인과 인지장애 환자를 대상으로 관련 데이터를 구축하고 있으며, 수면무호흡증 치료와 불면증 인지행동치료 등이 뇌 청소 기능에 미치는 영향도 후속 연구를 통해 분석하고 있다"고 말했다.

이어 "향후 표준 검사와의 비교 검증을 거쳐 기술의 신뢰성이 확보된다면 수면장애는 물론 노화와 인지기능 저하, 치매 등 다양한 분야에서 새로운 연구와 진단 보조 도구로 활용될 수 있을 것"이라고 전망했다.

한편 이번 연구 결과는 융합과학 분야 국제학술지 사이언스 어드밴시스(Science Advances)에 게재됐다.

[email protected] 강중모 기자