잘 때 일하는 '뇌 청소부' 측정 기술, 세계 최초 개발…치매 정복 앞당길까

연구팀이 개발한 무선 근적외선 분광기. 이마에 부착해 수면 중 뇌 수분량을 측정하면 아교임파계 활성도를 확인할 수 있다./사진=분당서울대병원

치매를 유발하는 독성 단백질 '아밀로이드 베타' 등 뇌 속 노폐물이 자는 동안 효과적으로 배출되고 있는지를 실시간으로 확인할 수 있는 기술을 국내 연구진이 개발했다. 치매를 비롯한 퇴행성 뇌질환을 조기 예측하고, 위험군을 선별하는 데 도움 될 것으로 기대를 모은다.

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 23일 밝혔다.

사람이 잠들면 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 베타'다. '아밀로데드 베타'가 뇌에 장기간 쌓이면 신경세포를 망가뜨려 알츠하이머병을 유발하는 것으로 알려졌다. 아교임파계는 이런 노폐물을 제거하는 '뇌 청소부'인 셈이다. 치매·파킨슨병 등 퇴행성뇌질환을 억제하는 뇌신경계 보호 기전이자 수면의 핵심 기능이다.

하지만 지금까지는 인체에서 아교임파계가 수면 중 어떻게 작동하는지 실시간 '비침습적'으로 관찰하기에는 한계가 있었다. MRI(자기공명영상)는 뇌 척수강 내 조영제를 투여하는 부담이 있고, 7~8시간에 이르는 전체 수면시간 동안 연속적으로 시행할 수 없으며 결과를 정량화하기도 어렵다.

이에 연구팀은 사람을 대상으로 전체 수면 시간 동안 아교임파계 활동을 비침습적으로 연속 측정할 수 있는 기술을 개발하기 위해 연구에 착수했다. 그 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.

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 떨어졌다. /그림=연구팀

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.

잠이 들고 난 후 첫 번째 깊은 잠(NREM) 사이클에서 수분량이 가장 많이 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.

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.

정심교 기자 simkyo@mt.co.kr