잠자는 동안 뇌가 노폐물을 제거하는 이른바 ‘뇌 청소 시스템’을 집에서도 관찰할 수 있는 웨어러블 장비가 국내 연구진에 의해 개발됐다. 향후 알츠하이머 치매와 수면장애, 인지저하 등의 조기 진단과 치료 효과를 평가하는 새로운 도구로 활용될 가능성이 제시됐다.
분당서울대병원은 신경과 윤창호 교수 연구팀이 조지아공과대 여운홍 교수 연구팀과 함께 이마에 부착하는 무선 근적외선분광(NIRS) 웨어러블 장비를 개발하고, 수면 중 뇌의 수분 변화를 연속적으로 측정하는 데 성공했다고 밝혔다.
최근 뇌 건강 연구에서는 수면 중 활성화되는 '아교림프계(glymphatic system)'가 주목받고 있다. 아교림프계는 뇌척수액이 뇌 조직 사이를 순환하며 아밀로이드 베타 등 노폐물을 제거하는 시스템으로, 특히 깊은 수면 단계에서 활발하게 작동한다. 이 기능이 저하되면 알츠하이머병을 비롯한 신경계 질환 위험이 높아질 수 있다는 연구 결과가 잇따르고 있다.
하지만 지금까지는 이 과정을 MRI 등 대형 장비로만 관찰할 수 있어 검사실 밖의 자연스러운 수면 환경에서 반복 측정하는 데 한계가 있었다.
연구팀이 개발한 장비는 얇고 유연한 형태로 제작돼 이마에 부드럽게 밀착되며, 잠을 방해하지 않고 밤새 뇌의 수분 변화와 혈류를 측정할 수 있다. 세 가지 파장의 LED와 광검출기를 이용해 데이터를 무선으로 전송하는 방식으로, 가정에서도 연속 측정이 가능하도록 설계됐다.
연구팀은 건강한 성인 4명을 대상으로 총 16차례 야간 수면을 측정해 장비의 성능을 검증했다. 동시에 뇌파와 안구운동 검사를 통해 수면 단계를 분석하고 뇌 수분 변화와 비교했다.
분석 결과, 수면 단계가 바뀔 때마다 뇌 수분 신호도 일정한 방향성을 보이며 변화했다. 깨어 있거나 렘(REM)수면에서 깊은 잠인 비렘(NREM)수면으로 전환될 때는 신호가 증가했고, 반대로 비렘수면에서 렘수면으로 넘어갈 때는 감소했다. 이러한 변화는 뇌파로 확인한 수면 단계 전환 시점과 거의 동시에 나타나 장비가 실제 뇌 변화를 정확하게 반영하는 것으로 확인됐다.
또한 장비는 뇌 수분 변화뿐 아니라 호흡과 심박수, 느린 뇌파와 관련된 생리적 리듬도 함께 포착했다. 비렘수면에서는 호흡과 심박이 안정적으로 유지됐고, 렘수면에서는 불규칙해지는 등 기존 수면 생리학에서 알려진 변화와도 일치했다.
연구팀은 이번 연구가 자연스러운 수면 환경에서 웨어러블 장비를 이용해 뇌 청소 과정과 관련된 변화를 연속 관찰한 첫 사례라고 설명했다. 기존 수면검사가 수면 시간과 단계 분석에 초점을 맞췄다면, 이번 기술은 수면 중 아교림프계 활동을 간접적으로 추적할 수 있다는 점에서 의미가 있다는 것이다.
윤창호 교수는 “아교림프계 활동을 자연스러운 수면 환경에서 관찰할 수 있는 기술은 신경계 질환 연구의 오랜 과제였다”며 “현재 정상인과 인지장애 환자를 대상으로 데이터를 구축하고 수면무호흡 치료와 불면증 인지행동치료 등의 효과를 평가하는 후속 연구를 진행하고 있다”고 말했다.
이어 “표준 검사와의 비교 검증을 거쳐 기술이 발전하면 수면장애는 물론 노화와 인지저하, 치매 연구 등 다양한 분야에서 새로운 관찰 도구로 활용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.
한편, 조지아공과대 여운홍 교수와 공동으로 진행한 이번 연구 결과는 융합 과학 분야 세계적 권위의 국제 학술지 ‘Science Advances’에 게재됐다.
분당서울대병원은 신경과 윤창호 교수 연구팀이 조지아공과대 여운홍 교수 연구팀과 함께 이마에 부착하는 무선 근적외선분광(NIRS) 웨어러블 장비를 개발하고, 수면 중 뇌의 수분 변화를 연속적으로 측정하는 데 성공했다고 밝혔다.
최근 뇌 건강 연구에서는 수면 중 활성화되는 '아교림프계(glymphatic system)'가 주목받고 있다. 아교림프계는 뇌척수액이 뇌 조직 사이를 순환하며 아밀로이드 베타 등 노폐물을 제거하는 시스템으로, 특히 깊은 수면 단계에서 활발하게 작동한다. 이 기능이 저하되면 알츠하이머병을 비롯한 신경계 질환 위험이 높아질 수 있다는 연구 결과가 잇따르고 있다.
하지만 지금까지는 이 과정을 MRI 등 대형 장비로만 관찰할 수 있어 검사실 밖의 자연스러운 수면 환경에서 반복 측정하는 데 한계가 있었다.
연구팀이 개발한 장비는 얇고 유연한 형태로 제작돼 이마에 부드럽게 밀착되며, 잠을 방해하지 않고 밤새 뇌의 수분 변화와 혈류를 측정할 수 있다. 세 가지 파장의 LED와 광검출기를 이용해 데이터를 무선으로 전송하는 방식으로, 가정에서도 연속 측정이 가능하도록 설계됐다.
연구팀은 건강한 성인 4명을 대상으로 총 16차례 야간 수면을 측정해 장비의 성능을 검증했다. 동시에 뇌파와 안구운동 검사를 통해 수면 단계를 분석하고 뇌 수분 변화와 비교했다.
분석 결과, 수면 단계가 바뀔 때마다 뇌 수분 신호도 일정한 방향성을 보이며 변화했다. 깨어 있거나 렘(REM)수면에서 깊은 잠인 비렘(NREM)수면으로 전환될 때는 신호가 증가했고, 반대로 비렘수면에서 렘수면으로 넘어갈 때는 감소했다. 이러한 변화는 뇌파로 확인한 수면 단계 전환 시점과 거의 동시에 나타나 장비가 실제 뇌 변화를 정확하게 반영하는 것으로 확인됐다.
또한 장비는 뇌 수분 변화뿐 아니라 호흡과 심박수, 느린 뇌파와 관련된 생리적 리듬도 함께 포착했다. 비렘수면에서는 호흡과 심박이 안정적으로 유지됐고, 렘수면에서는 불규칙해지는 등 기존 수면 생리학에서 알려진 변화와도 일치했다.
연구팀은 이번 연구가 자연스러운 수면 환경에서 웨어러블 장비를 이용해 뇌 청소 과정과 관련된 변화를 연속 관찰한 첫 사례라고 설명했다. 기존 수면검사가 수면 시간과 단계 분석에 초점을 맞췄다면, 이번 기술은 수면 중 아교림프계 활동을 간접적으로 추적할 수 있다는 점에서 의미가 있다는 것이다.
윤창호 교수는 “아교림프계 활동을 자연스러운 수면 환경에서 관찰할 수 있는 기술은 신경계 질환 연구의 오랜 과제였다”며 “현재 정상인과 인지장애 환자를 대상으로 데이터를 구축하고 수면무호흡 치료와 불면증 인지행동치료 등의 효과를 평가하는 후속 연구를 진행하고 있다”고 말했다.
이어 “표준 검사와의 비교 검증을 거쳐 기술이 발전하면 수면장애는 물론 노화와 인지저하, 치매 연구 등 다양한 분야에서 새로운 관찰 도구로 활용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.
한편, 조지아공과대 여운홍 교수와 공동으로 진행한 이번 연구 결과는 융합 과학 분야 세계적 권위의 국제 학술지 ‘Science Advances’에 게재됐다.