치매를 유발하는 독성 단백질 ‘아밀로이드 베타’ 등 뇌 속 노폐물이 자는 동안 효과적으로 배출되고 있는지를 실시간으로 확인할 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

분당서울대병원 신경과 윤창호 교수와 KAIST 전기·전자공학부 배현민 교수 공동 연구팀은 세계 최초로 수면 중 뇌 노폐물 배출 시스템 ‘아교임파계’(Glymphatic System)의 활동을 실시간 모니터링할 수 있는 근적외선 분광기법(Near Infrared Spectroscopy, NIRS) 기반의 비침습적 검사법을 개발했다고 밝혔다.

▲(좌측부터)분당서울대병원 신경과 윤창호 교수 

    KAIST 전기·전자공학부 배현민 교수

사람이 잠에 들면 뇌를 감싸고 있는 뇌척수액이 혈관 주위 공간을 따라 뇌 깊숙이 스며들어 노폐물을 씻어내고, 뇌수막 임파계나 경부 임파절을 통해 배출된다.

이렇게 수면 중 뇌척수액이 뇌 안으로 들어가 뇌 조직을 세척하고 빠져나오는 시스템을 ‘아교임파계’라고 하며, 이를 통해 청소되는 대표적인 노폐물이 아밀로이드 베타다. 뇌에 장기간 축적될 경우 신경세포를 손상시켜 알츠하이머병을 유발하는 것으로 잘 알려져 있다.

즉, 아교임파계는 이러한 노폐물들을 제거함으로써 치매와 파킨슨병 등 퇴행성뇌질환을 억제하는 뇌신경계 보호 기전이자 수면의 핵심적인 기능 중 하나다.

하지만 지금까지는 인체에서 아교임파계가 수면 중 어떻게 작동하는지 실시간 비침습적으로 관찰하기에는 한계가 있었다. MRI는 뇌 척수강 내 조영제를 투여하는 부담이 있고, 7-8시간에 이르는 전체 수면시간 동안 연속적으로 시행할 수 없으며 결과를 정량화하기도 어렵다.

이에 연구팀이 사람을 대상으로 전체 수면 시간 동안 아교임파계 활동을 비침습적으로 연속 측정할 수 있는 기술을 개발하고자 연구를 수행한 결과, 수분 변화에 민감한 ‘무선 근적외선 분광기’를 활용해 뇌 내 체액 흐름을 실시간 측정하는 데 성공했다.

연구팀이 개발한 무선 근적외선 분광기는 이마에 부착된 상태로 작동해 두개골 내부로 700-1000나노미터(nm) 파장의 근적외선을 투과시키고, 산란된 빛의 흡수율을 분석해 뇌 수분량, 산소포화도, 혈류량 등을 산출한다. 특히 수분에 민감한 925nm 파장을 중심으로 사용하며, 측정된 수분량 중 뇌혈류량(혈장 수분)의 영향을 제거하는 알고리즘을 적용해 아교임파계 활동과 직접 연관된 수분량을 정밀하게 평가할 수 있다.

[사진] 연구팀이 개발한 무선 근적외선 분광기.

이마에 부착해 수면 중 뇌 수분량을 측정하면 아교임파계 활성도를 확인할 수 있다.

연구팀이 건강한 성인 41명을 대상으로 해당 장비를 사용해 검증 연구를 수행한 결과, 각성 상태에서 잠이 들어 비렘수면(NREM)으로 진행하는 동안 전두엽 수분량이 유의하게 증가함을 확인했다. 이는 깊은 수면 단계로 갈수록 뇌 세척 활동이 활성화됨을 보여주는 결과로, 동물실험에서 관찰된 아교임파계 활성 패턴과 일치한다.

[그림] 무선 근적외선 분광기로 5분마다 측정한 뇌 수분량 변화

*비렘수면, 특히 깊은 수면 단계로 진입할수록 뇌 수분량이 뚜렷하게 증가하며, 아교임파계에 의한 뇌 세척 활동이 활발해지고, 반대로 렘수면이나 각성 상태에서는 뇌 수분량이 감소해 청소 기능이 저하되는 모습

또한 잠에 들고 난 후 첫 번째 깊은 잠(NREM) 사이클에서 수분량이 가장 크게 증가했는데, 수면 초반이 뇌 청소 활동의 핵심적인 시간대임을 시사해 향후 수면 치료의 지침을 수립하는 데 중요한 참고 자료가 될 것으로 전망된다.

이번 연구는 사람을 대상으로 전체 수면 시간 동안 뇌 수분량을 연속적으로 측정하는 기반 기술을 개발해 아교임파계 활동을 실시간 정량화한 세계 최초의 연구로, 수면과 치매의 연관성을 과학적으로 규명할 수 있는 중대 전환점으로 주목받고 있다.

또한 해당 장비는 무선 비침습 방식으로 개발되어 향후 가정용 뇌 건강 모니터링 웨어러블 장비로 확장 가능성도 높다.

윤창호 교수는 “이번 연구는 수면 중 아교임파계 활성도를 정량적으로 평가할 수 있는 세계 최초 근적외선분광기법 기반 기술을 개발해 수면과 뇌 건강 간의 연관성을 과학적으로 규명할 수 있는 토대를 마련했다는 점에서 의미가 깊다”며, “향후 치매를 비롯한 퇴행성 뇌질환의 조기 예측과 위험군 선별은 물론, 수면 치료의 효과를 평가하고 개인 맞춤형 뇌 건강 관리 전략을 수립하는 데까지 폭넓게 활용될 수 있을 것”이라고 전망했다.

한편, 이번 연구 결과는 국제뇌혈류대사학회의 공식 학술지 ‘뇌혈류 및 대사 저널(Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism)’에 게재됐다.