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사람은 누구나 잠을 잔다. 그러나 무엇 때문에 그리고 어떻게 자는 것일까? 과학자들은 우리를 잠들게 하는 생화학적 과정의 신비를 해명하기 시작했다.

왜 우리는 잠을 자는가. 이문제에 관한 고찰은 아리스토텔레스의 시대 전까지 거슬러 올라간다. 대다수의 사람들은 깨어 있는 상태에서 생기는 소모로부터의 회복과 휴식이 잠의 목적이라고 단언한다. 잠이 어느 정도 회복의 과정이라는 것을 받아들임으로써, 대부분의 초기 이론가들은 ‘어떻게’수면 현상이 일어나는가─잠을 일으키는 체내의 메카니즘─를 설명하려고 노력했다. 가장 인기있는 개념은 깨어 있는 동안 뇌 속에서 어떤 물질이 점차 늘어 마침내 잠을 초래한다는 것이었다. 이러한 가정에 따라 생각한 아리스토텔레스는 위의 내부에서 따뜻한 증기가 올라와 사람들을 잠들게 한다고 암시했다. 그는 다음과 같이 썼다. “영양섭취의 과정에 따라 생기는 증기는 자연의 이치대로 위쪽을 향해 움직이는 경향이 있다. 이것은 왜 특히 식사 후에 졸음이 오기 쉬운가를 설명해 준다. 증기는 또한 몇몇 형태의 피로 뒤에도 발생한다. 왜냐하면 피로는 용매로 작용하고, 용해된 (따뜻한) 물질은 소화되기 전의 음식물처럼 작용하기 때문이다”.

혈액설·자극설

지난 세기에─뇌·심장·임파관계에 대한 더 넓은 이해에도 불구하고─많은 사람들은 피가 뇌에 몰림으로써 잠이 오게 된다고 믿었다. 또 하나의 인기있는 이론은 뇌의 혈액 부족 곧 빈혈증이 잠을 유도한다는 것인데 이는 정반대의 관점이라 하겠다. 잠잘 때 피가 뇌에서 빠져나가 몸의 다른 곳 특히 창자로 옮겨 간다는 것이다. 이와 같은 생각들은 곧장 어떻게 더 나은 밤의 휴식을 취할 것인가에 관한 경쟁적인 의견들을 낳았다. 어떤 의사들은 머리로의 피의 흐름을 촉진하여 밤 동안의 빈혈증을 완화하도록 베개없이 잘 것을 권장했으며, 다른 의사들은 여러 개의 베개로 머리를 높여 뇌에서 피를 내보낼 것을 장려했다.

19세기에는 또 이러한 생리학적 견해들과 대조를 이루는 잠에 관한 ‘행동 이론’(behavioral theory)들도 흔했다. 몇몇 박식한 사람들은 예컨대 자극의 상실이 잠을 초래한다고 시사했다. 유기체가 지속적으로 활성화될 때만 각성 상태가 가능하고, 자극이 없으면 동물은 잠든다는 것이다. 이것은 왜 우리가 밤에 잠자고 비오는 일요일 오후가 되면 졸게 되는가에 대한 훌륭한 설명인 것 같았다. 그러나 그 대답은 너무나 단순한 것으로 판명되었다. 끊임없는 자극에도 불구하고 잠에 떨어지는 사람들이 있는 반면, 어떤 이들은 완전히 고요한 환경에서조차 잠들지 못한다.

세기가 바뀔 때, 스위스의 생리학자 ‘에두아르 끌라빠레드’는 대중의 상상력을 사로잡은 또 하나의 행동 이론을 제시했다. 그에 의하면 잠은 자극의 결여에 대한 수동적 반응이 아니라 오히려 본능처럼 능동적인 과정이고, 잠의 목적은 우리의 육체가 노폐물에 중독되거나 기진맥진하게 되는 것을 방지하는 것이라고 한다. 그는 또 우리가 얼마나 오랫동안 잠자는가에 대해서도 설명을 했다. 그것은 충분히 잤을 때 깨어난다는 것이다. 이것을 자명한 이치로서 폐기하기는 쉽다. 그러나 끌라빠레드는 인체에 작용하여 잠을 낳는 어떤 것의 개념을 다시 도입함으로써, 다음세대의 이론들을 위해 길을 닦은 셈이 되었다.

20세기의 견해

20세기 초에 가장 유망한 이론들은 뇌에 쌓이는 자연 물질들이 잠을 초래한다고 암시하는 것들이었다. 수면 물질로 불리워진 그 자연 물질들은 유산·이산화탄소·콜레스테롤과 같은 잘 알려진 화합물에서 류코마인─동물의 물질대사 동안에 생겨나는 유독 아민─과 요독소(유로톡신)에 이르기까지 매우 다양하다. 1907년 경에는 두 명의 프랑스 과학자 ‘르네 르쟝드르’와 ‘앙리 삐에롱’이 다소간의 전진을 이룩했다. 그들은 6~15일 동안 잠을 빼앗긴 개들의 뇌척수액에서 한 물질을 분리해냈다고 주장했다. 그들은 그물질을 힙노톡신(최면독소)으로 이름지었다. 그 까닭은 그들이 잠을 방해받지 않았던 다른 개들에게 그것을 주사했을 때 그 개들이 골아 떨어졌기 때문이다. 이 발견물은 수면 물질의 옹호자들을 위한 무기에서 하나의 포탄이었다. 그뒤 20년 동안 특히 독일에서 여러 연구 집단들이 적극적으로 활동하였다. 그 집단들은 ‘쉴라프스토프’(수면물질)와 ‘브롬호르몬’을 비롯한 여러 가지 물질들에 관해 주장했지만, 인체에서 언제나 잠을 초래하는 한 가지 물질을 분리시킬 수는 없었다. 진정한 성공을 달성하지 못했다는 실망감에서 과학자들은 마침내 수면물질에 대한 관심을 차차 잃어갔다. 그러나 일단의 생리학자들이 다시 수면의 메카니즘에 대해 들고 나왔다. 그들은 이번에는 ‘신경 억제’(Neural inhibition)가 잠을 초래한다고 주장했다. 그들은 뇌의 일부분이 신호를 차단하고 근육의 활동을 정시시킴으로써 잠을 유도한다고 암시했다. 1920년대에 이름바 피질 억제에 관해 연구했고 그리하여 많은 연구자들에게 자극을 준 ‘파블로프’는 잠을 감각 투입과 운동 산출의 능동적인 억제로 파악했으며, 통상 뇌의 반구 전역에서 잠이 초래된다고 가정했다. 이전의 관념들로 되돌아감으로써 파블로프는 이것이 부분적으로 단조로움에 대한 반응에서 발생한다고 암시한것이다.

파블로프는 잠에 대한 대체 설명을 찾을 시간이 없었다. 그는 당시에 뇌 속에서 잠을 유도하는 특정의 중추를 찾고있던 생리학자들의 연구를 그야말로 지나쳐 버렸다. 그러나 1940년대에 발견된 각성 체계─중뇌와 후뇌 안에서 작용한다─는 그러한 수면 중추들이 실지로 존재함을 보여준다. 뇌에는 각성 체계를 넘어 널리 퍼져 있는 상호 연결된 수면 중추들이 여러 개 있음이 드러났다. 이 중추들 중 어떤 것들은 잠의 타이밍과 시작과 관계되고, 또 어떤 것들은 REM수면(사람들의 눈이 빠르게 움직이고 꿈이 나타날 때)에 관련된다. 다른 중추들은 눈의 재빠른 움직임이나 꿈이 발생하지 않는 ‘비─REM’수면에 연결되어 있다.

뇌간의 내부에조차 잠에 영향을 미치는 두 가지 별개의 부위─유기체를 깨어 있게 하는 곳과 잠을 촉진하는 곳─가 있다. 이러한 발견들은 신경계에 의한 수면 통제의 복잡성을 입증한다. 수면 중추는 하나만 있는 것이 아니며, 수면 물질도 하나뿐인 것이 아니다. 지금까지 수집된 증거의 대부분은 추정되고 있는 수면 물질들이 수면 중추에 한정되는 것이 아니라 뇌 전체에 퍼진다는 것을 암시하고 있다.

수면 물질들과 대부분의 수면 중추는 아마도 틀림없이 잠을 조정하는 것일 것이다. 이를테면 그것들은 잠의 타이밍을 수정·조절하고 잠의 구조를 체계화하는데 도움을 준다. 수면 물질들에 대한 이런 식의 고찰은 식욕 촉진제와 그것이 식생활에 미치는 영향의 경우와 유사할 것이다. 쓴 맥주, 반주, 특정한 약제들, 그리고 음식의 냄새는 모두 식욕을 촉진하지만, 그것들은 왜 우리가 먹어야 하는지를 설명하지 못한다. 배불리 먹은 뒤에도 그것들은 더 많이 먹도록 우리를 유혹할 수 있다. 그러나 이러한 과식은 우리의 행복이나 허리 선에 불필요한 것이다. 수면 물질은 수면제가 아니라 잠을 유도하는 뇌 내부의 내인성 화합물이다──나는 이 사실을 강조하지 않을 수 없다. ‘존 파펜하이머’는 최근에 은퇴하기까지 하버드 의대에서 첨단 연구팀을 이끌었다. 그는 염소에게서 잠을 박탈함으로써 그때까지 알려지지 않은 물질 ‘요인 S’가 염소의 뇌척수액에 쌓인다는 사실을 발견했다. 이 물질을 생쥐와 토끼에 주사했을 때, ‘요인 S’는 그 동물들을 즉시 잠들게 했다.(이 물질이 르쟝드르와 삐에롱에 의해 발견된 힙노톡신과 같은 것인지 아닌지를 아는 이는 아무도 없다.) 1980년대 초에 파펜하이머 실험실의 연구원들은 사람의 오줌에서 요인 S를 분리해냈으나, 오줌 3천리터로부터 고작 백만분의 7 그램의 요인 S가 나온다는 것을 알아차렸다. 그러나 터무니없게도 이것은 5백번의 복용량을 산출하기에 충분할 정도로 강력했다. 토끼에게 복용시켰을 때, 각 복용량은 비─REM 수면을 최고 6시간까지 크게 증가시켰다. 흥미롭게도 그리고 수면제의 효과와는 달리, 예컨대 동물들은 요인 S의 1회 복용 뒤에 아무런 어려움 없이 깨어날 수 있었다. 그 동물들은 깨어난 뒤 수분 동안 먹이를 먹거나 자세를 가다듬고는 다시 수면의 세계로 빠져들곤 했다.

테네시 대학의 ‘짐 크뤼거’는 파펜하이머가 시작한 연구를 계속 수행해 왔다. 그는 요인 S가 박테리아 세포막과 매우 비슷한 물질 ‘뮤라밀 펩타이드’라는 사실을 밝혔다. 그리하여 연구자들은 최초로 요인 S가 단순히 뇌척수액과 오줌을 오염시킨 박테리아의 어떤 산물이라고 추단하였다. 그러나 크뤼거와 그의 동료들에 의한 그 이상의 연구는 뇌가 이 물질을 자체 생화학의 일부로 채택해 왔다는 것을 강력히 암시한다. 그것은 인체 면역체계의 일부인 백혈구에 의해 파괴되고 그 다음에 분비된 죽은 박테리아의 잔해인 것 같다.

과학자들은 ‘뮤라밀 펩타이드’를 합성했으며, 크뤼거는 하나의 변이형 뮤라밀 디펩타이드(MDP)가 생쥐·토끼·고양이·원숭이에게 주입될 때 평상시보다 더 많은 비─REM수면을 가져온다는 사실을 증명했다.(REM 수면은 영향을 받지 않는다.) 사람에게 MDP를 시험삼아 써 본 적은 없다. 효과상 약간의 지연 현상이 일어난다. 토끼들은 주사후 3시간 뒤에 대부분 잠들게 된다. MDP는 하루 동안의 체온과 같은 다른 생물학적 리듬에는 영향력을 갖지 못하며 단지 수면과 깨어 있는 상태에만 영향을 미친다. 이상하게도 MDP는 그밖의 알려진 수면 물질들처럼 하루 동안의 시각에 따라 효력이 변한다.

MDP는 다른 작용도 한다. 그것은 면역체계를 자극하고 열을 야기한다. 토끼의 경우에는 주사후에 체온이 1─2도 올라간다. 우리들의 대다수가 알고 있듯이, 감기나 그밖의 가벼운 병으로 열이 난 뒤에는 흔히 졸음이 이어진다. MDP가 졸음을 불러온다면 이것은 단순히 열의 부산물인가에 관한 의문이 현재 제기되고 있다. 여기에서 그 다음의 수면 물질 인터루킨─1(IL─1)이 등장한다. 크뤼거가 믿고 있듯이, MDP는 실제로 IL─1을 자극함으로써 수면 물질로 작용한다. 이 화학물질은 피 속의 단세포들(모노시트)에 의해 그리고 뇌 세포를 보호하고 기르는 특정한 뇌 신경교(글리아) 세포들에 의해 만들어진다. MDP는 더 많은 IL─1을 만들도록 단세포들을 자극한다. IL─1은 또한 ‘내인성 발열물질(피로겐)’ 즉 자연적으로 발생하여 열을 낳는 인체 물질로 알려져 있다. 그러나 크뤼거의 연구 집단은 또한 약으로 열을 방지할 경우에조차 졸음이 여전히 찾아온다는 것을 밝혀냈다. 이것은 졸음이 단지 열의 부산물만은 아니라는 점을 암시한다. 이 견해를 뒷받침하는 보다 중요한 증거는 MDP의 한 형태인 ‘뮤라메타드’가 열은 일으키지 않고 졸음만 초래한다는 최근의 발견이다.

깊은 잠에 이르는 길

연구자들은 인공적으로 높여진 IL─1의 수준이 사람의 수면에 미치는 영향을 아직 평가하지 못했다. 그러나 그것이 사람에게 있어서 더 깊고 더 긴 비─REM 수면을 불러일으킨다는 것을 보여주는 정황 증거가 있다. 예컨대 힘든 운동은 IL─1의 생산을 증가시킨다.

IL─1은 다른 작용도 일으킨다. 몇사람의 수면 연구자들 특히 ‘토론토 웨스턴’병원의 ‘하베이 몰도프스키’는 수면이 특히 사람에게서 찾아볼 수 있는 더 깊은 형태의 비─REM 수면이 면역체계의 몇몇 측면을 강화하는 것 같다는 점을 밝혀 왔다. IL─1은 이 과정에서 중추적인 것으로 보인다. 몰도프스키와 그의 동료들은 수면실험 지원자들에게서 혈액을 뽑음으로써 깊은 비─REM 수면의 시작이 면역 활동상의 동요와 연결되어 있음을 발견했다. 예를 들어 백혈구는 이질의 단백질들에 더 민감하게 된다. 이러한 반응들은 혈중 IL─1의 수준 상승과 나란히 일어나는 것 같았다.

잠과 면역기능

그렇지만 잠의 상실이 면역체계에 손상을 입히는 것 같지는 않다. ‘몰도프스키’는 최근의 연구에서 밤잠이 박탈된 사람들에게 무슨 일이 일어나는가를 주목했다. 수면과 관련된 IL─1의 동요가 없었으며 연구자들은 면역 기능의 상실을 전혀 발견하지 못했다. 단지 반응의 양태만이 조금 변하였다. 이것은 1970년대에 스톡홀름 임상스트레스연구소의 한 연구집단이 떠맡은 연구의 결과를 옹호하는 것 같다. 그들은 2─3일 동안 잠을 자지 못한 피실험자들의 면역 반응에서 단지 대수롭지 않은 변화만을 검출했다. 수면과 면역체계 사이의 관계는 결코 분명하지 않으며 정황적이라 해도 과언은 아니다. 예컨대 시상하부와 같은 뇌의 몇몇 수면 중추들도 면역 반응에 영향을 미친다. 시상하부의 손상은 상해 부위가 어디냐에 따라 불면증이나 과도한 수면을 일으키며, 또한 면역 활동을 변화시킨다. 우리는 IL─1이 수면의 조절에 중심적인지 아니면 잠에 대한 영향요소망의 일부일 뿐인지를 알지 못한다. 지금까지 드러난 징후로는 양자 사이의 어떤 곳에 위치하는 것 같다.

곧 그것은 잠에 영향을 미치는 물질들의 연쇄에서 하나의 고리라는 뜻이다.

IL─1은 또한 동물에게 있어서 강력한 수면 유발물이기도 한 특정 ‘프로스타글란딘’D2의 방출을 증진 시킨다.

과학자들은 포유류의 뇌 안에서 다른 내인성 수면 물질들을 추적해 왔다. 또 다시 어느 누구도 이 물질들이 IL─1이나 다른 통로들을 통해 작용하는지 그렇지 않은지, 그리고 작용한다면 어느정도 까지인지를 알지 못한다. DSIP즉 텔타수면 유발 펩타이드는 바젤 대학의 ‘마르셀 모니에’와 그의 연구 집단이 20년 전에 확인한 또 하나의 발견물질이다.

일본 연구자들 두각 나타내

일본 과학자들은 현재 수면 물질 연구의 영역에서 두각을 나타내고 있다. 그들은 여러가지 화합물들을 더 확인해 왔다. 수면─촉진 물질(SPS)과 프로스타글란딘 D2는 가장 주목할 만한 것으로 보인다. SPS는 구조상 ‘요인 S’와 비슷하다. 그것은 잠을 박탈당한 생쥐의 뇌간에서 추출한 것으로, 4가지 구성요소가 들어있다. 가장 유망한 화합물은 특히 REM 수면을 증가시킴으로써 동물에게 있어서 오래 지속되는 수면을 초래하는 ‘유리딘’이다. 이러한 물질들 중에서 어떤 것도 인체에 실험된 적이 없다.

동경 의과치과 대학 출신의 연구자 ‘이노우에 소지로’가 강조하듯이, MDP와 IL─1을 비롯한 여러 수면 물질들은 설치류에게 있어서 서로 다른 방식으로 수면에 작용한다. MDP와 프로스타그란딘 D2가 느리게 작용하는 반면에, DSIP는 더욱 빠르게 수면을 유발한다. MDP는 비─REM 수면을 증가시키는 반면, D2는 일반적으로 수면을 연장시키는데 도움을 준다. SPS와 유리딘은 꾸준하고 더 오래 지속되는 방식으로 수면을 촉진한다.

이 모든 화합물이 체온에 미치는 영향은 아직 완전하게 조사되지 않았다. DSIP는 혼란스런 상황을 나타낸다. 그것은 동물이 차가운 환경에 있을 때 체온을 낮추지만, 뜨거운 곳에서는 체온을 높인다. 프로스타글란딘 D2는 체온을 줄이는 것 같다.

다시 한번 크뤼거의 경우처럼 이러한 발견물들은 체온과 수면 물질들의 수면─유발 활동이 서로 독립적이며 증가된 수면은 높아진 체온에 기인하는 것이 아니라는 것을 암시한다.(그런데 따뜻한 장소에서 우리가 경험하는 졸리움은 다른 현상이고, 따라서 체온은 통상 증가하지 않는다.)

보편적인 물질이 있을듯

이 수면 물질들 중 여러 가지는 다양한 포유동물들에게 영향을 끼친다. ‘이노우에’는 물고기나 곤충들도 그러한 화합물에 반응하는가를 알고 싶어 했다. 이러한 동물들이 진짜로 잠을 자는지는 결정하기 힘든 문제이지만, 그것들이 매일 규칙적인 정지상태의 시기를 갖는다는 것은 확실하다. 두 종의 잉어에 DSIP와 유리딘을 투여한 결과 드러났듯이, 그 두 물질은 정지상태의 두드러진 증가를 초래했다. 그러나 이노우에의 실험중에서 가장 기이한 것은 아마도 매일의 휴식─활동 주기가 유리딘에 의해 눈에 뛰게 바뀐 거대한 일본 풍뎅이였을 것이다. 어쩌면 이물질들 중 몇몇은 동물계를 통털어 수면이나 진화상의 수면의 선행 상태에 보편적인 영향력을 행사할 수 있을 것이다.

보편적 수면 물질은 실지로 존재한다 할지라도 아직 발견되지 않았다. 나는 이러한 물질들 중에서 좀더 중요한 것들만을 논의했을 뿐이며, 인슐린과 몇몇 장(창자) 호르몬들은 말할 것도 없이 덜 강력한 것 같은 다른 물질들이 있다. 어쩌면 아리스토텔레스는 표적에서 멀리 벗어난 것이 아닐지도 모른다. 실로 수면은 창자에서 위로 움직이는 얼마간의 증기에 의해 일어날 수도 있다.