Babies spend most of their time asleep. New technologies are beginning to reveal why

신생아가 온종일 잠드는 이유

신생아들이 잠든 사이에 뇌를 모니터링하면 아기들이 어떻게 배우는가를 알 수 있다.

다른 사람들과 마찬가지로 나는 잠을 충분히 자지 못한다. 4살 아기가 매일 새벽 4시에서 6시 사이에 나를 깨워 말을 거는 것을 좋아하기 때문이다. 밤에 12시간을 내리 자고 낮에도 2시간 동안 낮잠을 자는 2살 막내 아기가 부러울 지경이다. 얼마나 편안해 보이는지.

아기들은 어른보다 잠을 더 많이 자야 한다. 나의 막내 아기는 많이 잠들었기 때문에. 태어난 후 몇 달 동안 깨어 있던 시간이 거의 없었다. 과학자들은 아직도 왜 아기가 많이 자야 하는지 정확한 이유를 파악하는 중이다. 최근 선보인 새로운 기술은 신생아의 수면과 성장에 대한 의문에 한 줄기의 가능성을 보여준다. 신생아의 뇌가 어떻게 발달하는지 밝히는 데 도움을 줄 수 있기 때문이다.

영국 케임브리지대 병원 국가보건서비스 신탁 재단(Cambridge University Hospitals NHS Foundation Trust)의 신생아 전문가 토푼 오스틴(Topun Austin)은 “신생아 때 인간의 뇌는 초당 100만 개의 속도로 새로운 시냅스 연결을 만들어낸다”라고 말했다. 이러한 연결은 아기가 주변의 세상을 이해하는 데 중요한 역할을 하는 것으로 보인다. 그리고 아기들의 지식은 점차 정제되면서 많은 연결들이 나중에 제거된다. 아기가 태어나고 생애 첫 일주일은 인생의 중요한 토대가 만들어지는 시기다. 

때때로 연구자들은 뇌의 전기 활동을 연구하기 위해 아기에게 뇌파를 측정하는 전극 모자를 씌운다. 그렇지만 전극 모자를 이용한 이미지화 기법은 공간적 해상도가 높지 않아 동시간에 뇌의 어떤 영역이 활동하는지 정확히 알아내기 어렵다. 

어떤 연구자들은 뇌의 혈류를 측정하는 MRI 검사 장비에 아기를 눕히기도 한다. MRI 검사를 받아본 사람이라면 이 거대한 MRI 장비가 왜 신생아들에게 맞지 않는지 알 수 있을 것이다. MRI 검사 장비는 소음이 클 뿐만 아니라 검사 대상자가 움직이지 않고 조용히 있어야 하기 때문이다.

케임브리지 대학의 박사과정 학생이었다가 현재는 스탠퍼드 대학의 의대생이 된 줄리 우치텔(Julie Uchitel)은 오스틴 등 동료들과 함께 색다른 접근법을 개발했다. 오스틴의 연구팀은 광원과 센서들이 달린 모자를 사용한다. 이 모자는 병원에서 환자의 손가락에 끼우는 산소 포화도 측정기와 같은 간단한 방식으로 뇌의 혈류를 측정할 수 있다.

뇌 연구 분야에서도 비슷한 기술들이 사용되었다. 예를 들어 복잡한 광섬유 케이블이 연결된 모자를 사용했는데 이것은 신생아가 잠을 잘 때 씌우기가 불편하다는 문제가 있었다. 그러나 새로운 장비는 최신 연구를 통해 개발된 타일을 사용한다. 타일 마다에는 몇 개의 광원과 탐지기가 탑재되어 있다. 오스틴의 연구팀은 12개의 타일을 신생아용 모자에 장착했고 한 줄의 케이블로 컴퓨터와 연결했다. 오스틴은 이 시스템이 “과거에 사용하던 광섬유 케이블 시스템에서 최소 10배 이상 해상도”의 뇌 이미지를 제공한다고 말했다.

기능적 근적외선 분광을 이용한 뇌기능 분석(fNIRS)에 사용되는 타일형 모자

뉴로 이미지(NeuroImage) 저널에 실린 오스틴 연구팀의 최신 연구에 따르면 부모들에게 출산 병동에 있는 신생아들을 관찰할 수 있도록 허락을 받아 28명의 신생아를 대상으로 잠든 동안의 뇌의 활동을 기록했다. 오스틴은 “수영모처럼 생긴 이 장비를 씌울 때마다 아기들이 좋아하는 것 같았다”라고 말했다.

관찰 결과 아기들은 2가지 단계의 수면을 순환했다. 신생아들이 얼굴을 실룩거리고 찡그리는 활동적 단계(active phase) 이어 매우 얌전해지는 고요한 단계(quiet phase)가 나타났다. 연구팀은 아기들의 뇌 활동을 관찰하면서 비디오 촬영도 진행했다. 그 결과 신생아들이 언제, 어느 수면 단계에 있는지 알아낼 수 있었다.

오스틴과 그의 팀은 이후 기록을 분석하면서 활동적 단계와 고요한 단계 사이의 뇌의 차이점을 발견했다. 아기들이 좀 더 움직임을 보이는 활동적 단계에서는 좌뇌와 우뇌 반구의 영역이 동시에 같은 방식으로 활동하는 것처럼 보였다. 이것은 뇌 전체에 새로운 긴 연결이 형성되고 있음을 암시한다. 그리고 고요한 단계에서는 뇌에 더 짧은 연결이 형성되고 있는 것으로 보였다.

신생아의 뇌에서 무슨 일이 벌어지는지 확실하지 않았지만 오스틴은 이론을 하나 세웠다. 그는 활동적 수면 단계가 더 광범위한 의식적 경험을 쌓을 수 있도록 뇌를 준비하는 중요한 역할을 한다고 생각한다. 예를 들어 어떤 사람을 색과 질감으로 이루어진 일련의 모음이 아닌 한 사람으로서 인식하는 것이다. 이 감각을 활성화하기 위해서는 다양한 뇌의 영역이 서로 협력해야 한다.

오스틴은 “고요한 수면 단계에서 형성되는 짧은 연결은 개별 뇌 영역이 미세한 조정을 수행하고 있음을 의미한다. 활동적 수면 단계에서 뇌가 큰 그림을 그린다면 고요한 수면 단계에서는 그림의 구성 요소들을 다듬는 것이다”라고 설명했다.

우리가 신생아의 뇌의 작용을 더 많이 알게 되면 미숙아로 태어나거나 뇌가 손상된 아기들을 더 많이 도울 수 있을 것이다. 오스틴은 수면의 각 단계가 뇌에 어떤 작용을 하는지 더 배울 수 있기를 바란다. 뇌가 무엇을 하고 있는지 이해가 높아진다면 우유를 먹이기 위해 언제 아기를 깨우는 것이 좋은지 알 수 있게 될지도 모른다.

오스틴은 잠자는 아기 옆에 둘 수 있는 일종의 신호등 시스템을 구상 중이다. 녹색 등은 아기가 중간 수면 단계에 있고 잠에서 깨어날 수 있다는 신호다. 반면, 적색 등은 아기의 뇌가 중요한 작업을 진행하고 있기 때문에 잠들어 있는 것이 좋다는 신호다. 

나는 이 연구 결과를 내 아이들에게 적용해 보았다. 아이들 방에 엄마가 잠에서 깨어날 준비가 되었을 때 녹색 등이 켜지면서 노래가 재생되는 구름 모양의 장난감을 두었다. 그렇지만 그 장난감은 아기들의 관심을 전혀 끌지 못했다. 안타깝지만 아기들은 자신들의 뇌가 깨어날 준비가 되면 나의 뇌가 깨어날 준비가 되었는지는 전혀 신경 쓰지 않는 것 같다.

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