소리로 델타파(δ) 자극, 깊은 잠 유도해 기억력 3배 증가시켜

미국 노스웨스턴(Northwestern University) 페인버그의대(Feinberg School of Medicine)와, 같은 의대의 생물통계학, 공대의 과학과 응용수학, 인지신경과 알츠하이머병 센터, 정신의학 및 행동과학, 심리학과 과학자들이 다 함께 융합팀을 만들어, 주파수 대역에서 고르게 재생되는(1Hz 폭의 대역) 핑크 노이즈 레벨(Pink-noise level)의 소리파동(Sound waves) 또는 음향(Acoustic)을 잠을 잘 때 듣게 하면, 성인들로 하여금 깊은 잠(deep sleep)에 들게 해, 기억을 3배 이상 증진시킨다는 사실을 밝혀냈다. 

이 연구결과는 “고령자의 서파수면 진동을 음향으로 향상시키면 이에 수반되는 기억이 향상됨(Acoustic Enhancement of Sleep Slow Oscillations and Concomitant Memory Improvement in Older Adults)”이라는 논문을 발표했다(Papalambros et al., Frontiers in Human Neuroscience & Science Daily, 08 Mar 2017)

한의학이나 서양의학이나 한 가지 공통점이 있다. 한방병원에 가면 당연히 침술(acupuncture)의 침(鍼)을 맡는다. 침을 맡는다는 것은 아픈 부위에 침을 꽃아 병들어 가는 세포를 자극하는 것이다. 그러면 병들어 가던 세포들이 젊은 세포로 되돌아간다. 다시 회춘하는 것이다. 전기로 자극하거나 빛으로 자극하는 서양의학도 마찬가지이다. 늙은 세포를 자극시키면 젊은 세포로 되돌아간다. 우리가 아픈 부위를 마사지하는 것도 같은 원리이다. 그런데 무엇으로 자극을 주느냐가 관건이다. 

침으로 자극하느냐 빛으로 자극하느냐 소리로 자극하느냐 인데 오늘의 주제는 폭포소리, 귀뚜라미 소리, 개구리 우는 소리, 봄바람이 진달래꽃에 나부끼는 소리, 낙엽이 스치는 소리 등 바로 부드러운 소리 자극(Gentle sound stimulation)이다. 이러한 소리는 뇌파들(brain waves)의 리듬(rhythm)을 동조화시키고(Sync) 뇌파들을 증가시켜 깊은 잠을 들게 하고, 그 결과 단어를 회상시킨다거나(recall) 기억을 회상시키는 능력을 3배로 끌어 올린다는 것이다. 따라서 지금 다양한 자연의 소리 앱들도 있지만 조만간 이 기술을 집에서도 사용할 수 있게 만드는 것이 목표이다.

우리가 깊은 잠(deep sleep)을 잘 때는 파장이 가장 낮은 0.5Hz~3.5Hz의 델타파(δ)가 뜬다. 그래서 이를 낮은 주파수의 델타 활동이 나타나는 수면인 서파수면(徐波睡眠, Slow-wave sleep)이라 한다. 반면 꿈을 꾸거나 졸고 있는 상태를 얕은 잠(light sleep)이라 하며, 이 때 안구가 급속히 움직이기 때문에 이를 렘수면(REM sleep, Rapid eye movement sleep)이라 한다. 렘수면에서는 4Hz~7Hz의 세타파(θ)가 뜬다. 그래서 깊은 잠을 비렘수면(Non-REM sleep)이라 부른다. 

기억 프로세스를 보면, 지금까지 과학으로 밝혀진 것은 해마(Hippocampus)는 단기기억(short-term memory)을 관장하고, 장기기억(long-term memory)은 대뇌 피질(Cerebral cortex)이나 대뇌 피질 중 가장 최근에 진화된 부위인 신피질(新皮質, neocortex)에서 담당하는데, 신피질은 여섯 개의 세포층으로 구성된다. 

우리가 사건이나 상황을 기억할 때에는, 사건이나 상황을 자극(Stimulus context)해서, 예를 들면 시각신경(시신경)에 그 사건이나 상황에 엔코딩(Encoding) 되어 해마에 처음 저장(Initial store)되고, 그 다음 잠을 자는 동안에 통합(Consolidation) 과정이 일어나 그 요점 정보들이 추상화(Abstraction of gist information) 되어 대뇌피질이나 신피질에 장기기억으로 저장된다(Long-term store). 그 다음 정보가 필요할 때 마다 대뇌피질/신피질에서 불러낸다(Recall). 따라서 깊은 잠을 자야 기억을 증진시킨다. 그런데 나이가 들면 들수록 깊은 잠을 잘 수가 없다. 이를 극복하는 방법이 있을까?

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▲ 깊은 잠은 기억의 통합에 매우 중요하다(Deep sleep is critical for memory consolidation). 그러나 40대 초반부터 깊은 잠이 급격히 줄어, 나이가 들어감에 따라 기억을 잃어버리게 된다. Science Daily. Credit: WavebreakMediaMicro / Fotolia

이와 같은 소리 자극은 참가자들로 하여금 깊은 잠에 들게 하여 그 결과 기억 테스트(a memory test)에서 높은 점수를 받았다. 노스웨스턴(Northwestern University) 페인버그의대의 지(Phyllis Zee) 교신저자는 “이것은 혁신적이고 간단하며 안전한 비-약물(non-medication) 방법으로, 뇌 건강을 증진시키는데 도움을 줍니다. 따라서 이것은 노인 집단들의 기억을 향상시킬 수 있는 잠재력이 높은 툴입니다”라고 말했다.

60세 이상의 13명이 참가했는데, 하루 밤은 음향 자극(acoustic stimulation)을 받았고, 하루 밤은 가짜 자극(sham stimulation)을 받았다. 가짜 자극 과정은 음향 자극과 유사하지만, 참여자들은 잠자는 동안 아무런 소리를 듣지 않았다. 그리고 각각 개인은 음향과 가짜 자극을 받은 그 밤에 기억 테스트를 받았고, 그 다음날 또 한 차례 기억 테스트를 받았다. 그 결과 가짜 자극은 회상 능력(Recall ability)을 몇 % 증가시키는데 그쳤으나, 핑크 노이즈 자극(pink-noise stimulation)은 평균 3배 이상으로 높아졌다. 

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이것은 깊은 잠을 들게 하는 정도가 기억 향상의 정도와 깊은 관계가 있다는 것으로, 서파수면은 기억에 중요하다는 것을 의미하는 것이다. 특히 노인들에게는 더욱 중요하다. 그 전에도 같은 연구가 있었는데, 깊은 잠은 젊은 사람들의 기억을 통합하는데 중요한 역할을 하고 있다고 보고되었으나, 노인들을 대상으로 한 연구는 이번이 처음이다. 

이번 연구는 새로운 접근을 사용했는데, 참가자들의 뇌파를 리얼타임으로 읽어내는 방법과 깊은 잠을 자는 동안 뉴런들이 커뮤니케이션 하는 정확한 순간에 부드러운 소리 자극에 빠지도록 하는 방법이다. 깊은 잠 동안의 뇌파는 깨어 있을 때의 초당 10 진동수(10Hz)와 비교해보면 초당 1진동수(1Hz)로 낮다. 연구팀은 서파수면, 즉 델타파가 뜰 때 소리를 전달하는 알고리즘을 개발해 소리를 전달했는데, 소리 자극은 뉴런의 활동과 동조화(synchronization)를 이뤄 기억을 향상시켰다. 

다시 말하면 델타파와 같은 파장의 소리를 외부에서 쏘아주거나 들려주면, 같은 파장 또는 비슷한 파장이기 때문에 공명현상이 일어나는데 이를 동조화로 표현한 것이다. 동조화시키기 때문에 고장 났던 서파들(slow waves)이 살아나고 증가해 깊은 잠을 자게 만들어 기억력이 향상되는 것이다. 

우리 몸은 대략 218개의 장기로 이루어져 있는데, 다 고유의 파장들을 갖고 있다. 따라서 같은 이유로 218개의 장기들의 파장들을 알아내서 그에 맞는 맞춤식 파장을 쏘아주면 죽어가는 장기들을 살릴 수 있는데, 이것이 바로 테라헬츠파(THz)인데, 근적외선-중적외선-원적외선 파장 영역들이다.

연구팀은 현재 장기간 집에서 사용할 수 있는 앱이나 디바이스를 연구 중이다. 또한 인지기능이 손상된 환자들을 대상으로 연구할 계획인데, 청각뿐만 아니라 시각 등의 인지기능을 증가시키는 방법을 연구할 계획이다. 

뇌파는 뇌의 상태에 따라 바뀐다

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▲자료: 차원용, 매트릭스 비즈니스, 굿모닝미디어, 2006. 2부 8장 5절 (뇌파와 뇌파란?), 페이지 246. (Colgin et al., Nature, 2009)

그렇다면 왜 우리는 이런 연구를 못할까? 제안을 해보기로 한다. 뇌파에는 델타파-세타파-알파파-베타파-감마파 등 다섯 가지가 있다. 다음 표를 보면 사람마다 다 다르지만 일반적으로 평균 파장들을 나타낸 것이다.

그렇다면 그 사람의 델타파를 정확히 측정해 정확한 또는 비슷한 델타파를 만들어 외부에서 쏘아주거나 들려주면, 깊은 잠을 잘 들게 하는데 이번 연구가 그 예이다. 그렇다면 세타파를 만들어 쏘아주거나 들려주면, 얕은 잠(렘수면)을 잘 자게 하여 꿈을 꾸도록 하고 꿈속에서도 일을 하고 공부도 하고 사랑도 할 수 있지 않을까? 

또 그렇다면 알파파를 들려주면 우울증에 걸린 사람들이 안정을 찾고 편안해지지 않을까? 그렇다면 베타파를 쏘아주거나 들려주면 집중을 잘할 수 있어 공부를 더욱 잘하지 않을까? 수행능력이 향상되지 않을까? 그렇다면 감마파를 쏘아주거나 들려주면 정보를 더욱 잘 처리 저장하여 기억력이 더욱 향상되고 인지능력도 향상되지 않을까? 뇌파 하나만 가지고도 무궁무진한 미래를 열어 갈 수 있다. 이에 도전하자. [정리 김들풀 기자  itnews@itnews.or.kr]
 

크기변환_사본-10632695_637493523030856_2757249799481243589_n차원용 소장/교수/MBA/공학박사/미래학자

아스팩미래기술경영연구소(주) 대표, 국가과학기술심의회 ICT융합전문위원회 전문위원, 국토교통부 자율주행차 융복합미래포럼 비즈니스분과 위원, 전자정부 민관협력포럼 위원, 국제미래학회 과학기술위원장