연구자들은 우리가 잠을 자는 이유를 설명하는 최초의 직접적인 증거를 제공하기 위해 물리학과 생물학을 결합한 연구를 진행했습니다. 연구자들은 뇌를 깨어 있는 동안 자원이 고갈되는 생물학적 컴퓨터로 봅니다. 그들은 수면이 뇌의 "운영 체제"를 이상적인 상태로 재설정하여 사고와 처리를 최적화한다는 것을 입증했습니다.

이 질문은 오랫동안 과학자와 연구자들을 당황하게 했습니다. 우리는 왜 잠을 자는가? 이 기본적인 욕구를 충족시키면 무엇을 얻을 수 있습니까? 구글에서 '우리는 왜 자는가'를 검색하시면 다양한 출처에서 다양한 답변을 얻으실 수 있습니다. 어떤 사람들은 잠이 뇌에서 독소를 제거한다고 말하고, 다른 사람들은 신체를 회복하고 활력을 되찾는 데 도움이 된다고 하며, 또 다른 사람들은 잠이 장기 기억 형성에 중요하다고 말합니다.

이제 세인트루이스에 있는 워싱턴 대학교 연구원들의 연구는 이 질문에 답할 수 있는 최초의 직접적인 증거를 제공합니다.

해당 연구의 교신저자인 Keith Hengen은 "뇌는 생물학적 컴퓨터와 같습니다. 깨어 있는 동안의 기억과 경험은 코드를 조금씩 변경하여 더 큰 시스템을 이상적인 상태에서 멀어지게 합니다. 수면의 핵심 목적은 최적의 컴퓨팅 상태를 복원하는 것입니다."라고 말했습니다.

뇌를 복잡한 컴퓨터와 비교하는 것은 그리 큰 일이 아닙니다. 둘 다 전기 신호를 사용하여 정보를 전송하고, 장기 기억은 저장 및 검색을 위한 하드 드라이브와 같으며, 뉴런은 전기 회로와 유사합니다. 컴퓨터를 사용한다는 것은 백그라운드에서 많은 리소스 독점 프로세스를 실행하여 시간이 지남에 따라 컴퓨터 속도를 저하시키는 것을 의미합니다. 이 연구의 연구자들은 뇌도 비슷하게 행동한다고 ​​추측하기 위해 "임계 가설"을 사용했습니다.

물리학에서 임계 상태는 질서와 혼돈 사이의 임계점에 존재하는 복잡한 시스템을 설명합니다. 물리학자들은 1980년대 후반에 수천 개의 모래 알갱이를 바둑판 모양의 격자 위에 떨어뜨리는 간단한 규칙 세트를 사용하여 티핑 포인트 개념을 처음 제안했습니다. 모래는 결국 크고 작은 눈사태가 예고 없이 시작되어 한 사각형의 모래가 다른 사각형으로 쏟아지는 지점까지 쌓이게 됩니다.

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

연구자들은 임계성 가설을 뇌에 적용하여 각 뉴런을 기본 규칙을 따르는 개별 모래알에 비유했습니다. 신경 눈사태는 물리학자들이 만든 모래 눈사태와 유사하며, 폭포는 시스템이 가장 복잡한 상태에 도달했다는 신호입니다. 뉴런이 너무 많은 질서와 너무 많은 혼돈 사이의 최적 지점에 도달하면 뇌의 정보 처리 능력이 최대화되는 전환점에 도달합니다.

Hengen과 Wessel은 2019년에 임계 이론을 탐구하여 뇌가 임계 상태를 유지하기 위해 적극적으로 작동한다는 것을 보여주었습니다. 현재 연구에서 그들과 다른 연구자들은 중요도 틀 내에서 수면의 기능을 이해하려고 노력했습니다. 그들은 정상적인 수면/각성 주기 동안 자유롭게 움직일 때 어린 쥐의 시각 피질에 있는 단일 뉴런의 전기생리학적 반응을 측정했습니다.

Hengen은 "우리는 신경망을 통해 이러한 작은 폭포를 추적할 수 있습니다."라고 말했습니다. "임계 상태에서는 다양한 크기와 기간의 눈사태가 발생합니다. 임계점과는 거리가 멀면 시스템은 작은 눈사태 또는 큰 눈사태에만 편향됩니다. 짧은 단어 또는 긴 단어로만 책을 쓰는 것과 같습니다."

연구자들은 회복 수면에서 막 나온 쥐에게서 다양한 크기의 눈사태를 관찰했습니다. 깨어 있는 동안 눈사태는 점점 작아집니다. 연구진은 신경 눈사태의 분포를 추적함으로써 쥐가 잠들거나 깨어날 때를 예측할 수 있음을 발견했습니다. 신경 사태의 크기가 특정 수준으로 감소하면 수면이 가까워집니다.

Hengen은 "이번 연구 결과는 깨어 있는 순간마다 관련 뇌 회로가 중요도에서 멀어지고 잠이 뇌를 재설정하는 데 도움이 된다는 것을 시사합니다"라고 말했습니다.

전반적으로, 연구자들은 이 데이터가 잠이 깨어 있는 동안 점진적으로 붕괴되는 중요한 상태를 복원하는 기능을 하는 모델을 뒷받침한다고 말합니다. 그들의 관찰은 중요한 상태를 유지하는 것이 수면의 핵심 재생 기능이라는 가설과 일치합니다.

이 연구는 Nature Neuroscience 저널에 게재되었습니다.