《네이처 신경과학(Nature Neuroscience)》에 발표된 연구에 따르면 뇌는 사고와 처리를 최적화하는 상태인 ‘임계점’에 도달하기 위해 정기적으로 운영 체제를 재설정하는 것으로 나타났다.
이 연구의 공동 저자인 세인트루이스 워싱턴대의 생물학 조교수인 키스 헨겐과 물리학 교수 랄프 베셀은 2019년 연구에서 헨겐과 웨셀은 뇌가 임계성을 유지하기 위해 적극적으로 작동한다는 사실을 밝혀냈다. 임계성은 신경 활동의 질서와 혼돈의 균형을 유지해 사고와 정보 처리를 최적화하는 상태이다.
2019년 논문을 발표한 후 이들은 학습과 사고, 깨어 있는 상태가 뇌를 위험에서 벗어나게 하며, 수면이 시스템을 리셋하는 데 완벽한 위치에 있다는 이론을 세웠다.
이론을 검증하기 이들은 정보가 뇌를 통해 흐르는 방식을 나타내는 신경 폭포에 초점을 맞춰 어린 쥐의 뇌 활동을 관찰했다. 신경 폭포는 크기가 다양하며 각성 상태나 수면 상태에 따라 분포도 달라진다.
연구진은 쥐가 수면에서 깨어난 직후 다양한 범위의 폭포가 발생했지만 깨어 있는 상태가 지속되면서 폭포들이 더 작은 크기로 기울어지기 시작했다는 것을 발견했다. 이러한 변화는 수면 시작을 예측하는 역할을 하며, 신경 폭포의 분포와 수면의 필요성 사이의 직접적인 연관성을 시사하는 것이다.
연구진은 “폭포의 분포를 추적함으로써 쥐가 잠에 들거나 깨어날 때를 예측할 수 있다는 것을 발견했다”며 “크기가 줄어들면 잠이 멀지 않은 것”이라고 말했다.
헨겐은 “수면의 주요 기능은 뇌의 계산 상태를 재설정해 임계성을 달성하는 것”이라며 “깨어 있는 모든 순간이 관련 뇌 회로를 위험에서 벗어나게 하고, 수면이 뇌를 재설정하는 데 도움이 된다는 것을 시사한다”고 말했다. 베셀은 “물리학자들이 30년 이상 임계점에 대해 생각해 왔지만, 그 연구가 수면에 영향을 미칠 것이라고는 상상도 못했다”고 말했다.