연구자들은 우리가 잠을 자는 이유를 설명하는 최초의 직접적인 증거를 제공하는 연구에서 물리학과 생물학을 결합했다. 두뇌를 깨어 있는 동안 자원이 고갈되는 생물학적 컴퓨터로 보면, 잠이 두뇌의 '운영 체제'를 재설정하여 사고와 처리를 최적화할 수 있는 이상적인 상태로 되돌린다는 사실이 입증되었다.

오랫동안 과학자와 연구자들을 괴롭혔던 질문이다. 우리는 왜 잠을 자는 걸까? 이 근본적인 필요를 충족시키면 무엇을 달성할 수 있나? '우리는 왜 자는가'를 구글에 검색해 보면 다양한 출처에서 다양한 답변을 얻을 수 있다. 어떤 사람들은 잠이 뇌에서 독소를 제거한다고 말하고, 어떤 사람들은 잠이 신체 회복과 활력을 되찾는 데 도움이 되거나 장기 기억 형성에 중요하다고 말한다.

이제 세인트루이스에 있는 워싱턴 대학교 연구진의 연구는 이 질문에 답할 수 있는 최초의 직접적인 증거를 제공했습니다.

이번 연구의 교신저자인 Keith Hengen은 “뇌는 생물학적 컴퓨터와 같습니다. “깨어나는 동안의 기억과 경험은 코드를 조금씩 변경하여 더 큰 시스템을 이상적인 상태에서 천천히 끌어냅니다. 수면의 핵심 목적은 최적의 계산 상태를 복원하는 것입니다.”

뇌를 복잡한 컴퓨터와 비교하는 것은 그리 무리한 일이 아니다. 둘 다 전기 신호를 사용하여 정보를 전송하고, 장기 기억은 저장 및 검색을 위한 하드 디스크와 같으며, 뉴런은 회로와 유사하다. 컴퓨터를 사용한다는 것은 백그라운드에서 많은 리소스 독점 프로세스를 실행하여 시간이 지남에 따라 속도가 느려질 수 있다는 것을 의미한다. 이번 연구의 연구자들은 '임계 가설'을 적용해 뇌도 비슷하게 행동한다는 이론을 세웠다.

물리학 분야에서 임계성은 ​​질서와 혼돈 사이의 전환점에 존재하는 복잡한 시스템을 설명한다. 물리학자들은 1980년대 후반에 수천 개의 모래 알갱이를 체커판과 같은 격자 위에 떨어뜨리는 간단한 규칙 세트를 사용하여 임계성 개념을 처음 개발했다. 모래 더미는 결국 예고 없이 크고 작은 눈사태가 시작되고 한 사각형의 더미가 다른 사각형으로 계단식으로 떨어지는 지점에 도달한다.

이번 연구의 공동 저자 중 한 명인 Ralf Wessel은 "전체 시스템은 매우 복잡한 것으로 구성됩니다."라고 말했다.

연구자들은 임계성 가설을 뇌에 적용하여 매우 기본적인 규칙에 따라 모든 뉴런을 개별 모래알에 비유했다. 신경 눈사태는 물리학자들이 만든 모래 눈사태와 유사하며, 폭포는 가장 복잡한 상태에 도달한 시스템의 특징이다. 뉴런이 너무 많은 질서와 너무 많은 혼돈 사이의 최적 지점에 도달하면 임계 상태에 도달하고 그곳에서 뇌의 정보 처리가 최대화된다.

임계성 이론은 Hengen과 Wessel이 2019년 에 탐구한 것으로 , 뇌가 임계성을 유지하기 위해 적극적으로 작동한다는 것을 보여준다. 현재 연구에서 그들과 동료 연구자들은 임계성의 틀에서 수면의 기능을 이해하려고 시도했다. 그들은 정상적인 수면/각성 주기를 자유롭게 수행하는 어린 쥐의 시각 피질에 있는 단일 뉴런의 전기생리학적 반응을 측정했다.

Hengen은 "신경망을 통해 이러한 작은 일련의 활동을 추적할 수 있습니다."라고 말했다. “임계에서는 모든 규모와 기간의 눈사태가 발생할 수 있다. 임계성에서 벗어나 시스템은 작은 눈사태 또는 큰 눈사태에만 편향된다. 이는 책을 쓰면서 짧거나 긴 단어만 사용할 수 있는 것과 비슷하다.”

연구자들은 회복 수면에서 막 깨어난 쥐에게서 다양한 크기의 눈사태를 관찰했다. 깨어 있는 동안 폭포는 점점 더 작은 크기로 이동했다. 연구진은 신경 눈사태의 분포를 추적함으로써 쥐가 잠에 들거나 일어날 때를 예측할 수 있다는 것을 발견했다. 캐스케이드 크기가 특정 지점으로 줄어들면 수면이 가까워졌다.

"결과는 깨어있는 모든 순간이 관련 뇌 회로를 위험에서 벗어나게 하고, 수면이 뇌를 재설정하는 데 도움이 된다는 것을 시사합니다."라고 Hengen은 말했다.

전반적으로, 연구원들은 이 데이터가 잠이 깨어 있는 동안 점차적으로 약화되었던 중요성을 회복하기 위해 수면 기능을 하는 모델을 뒷받침한다고 말한다. 그들의 관찰은 임계성의 유지가 수면의 핵심 재생 기능이라는 가설과 일치했다.

이 연구는 Nature Neuroscience 저널에 게재되었다. 출처: 세인트루이스 워싱턴 대학교