과학자들은 뇌의 나머지 부분이 깨어 있는 동안 뇌의 작은 부분이 미세한 낮잠을 잘 수 있고 그 반대의 경우도 가능하다는 사실을 발견했습니다.

잠과 깨우기: 그것들은 일상 생활의 경계를 정의하는 완전히 별개의 존재 상태입니다. 수년 동안 과학자들은 뇌파를 관찰하여 이러한 본능적인 뇌 과정의 차이를 측정해 왔습니다. 수면은 특징적으로 전체 기관을 통과하여 10분의 1초 만에 측정되는 느리고 오래 지속되는 파동으로 정의됩니다.

처음으로 과학자들은 수면이 1초보다 1000배 짧은 밀리초 길이의 신경 활동 패턴으로 감지될 수 있다는 사실을 발견했으며, 이는 의식을 지배하는 기본 뇌파 패턴을 연구하고 이해하는 새로운 방법을 제시했습니다. 그들은 또한 뇌의 나머지 부분이 잠들어 있는 동안 뇌의 작은 영역이 일시적으로 "깜박거릴" 수 있으며, 그 반대의 경우도 마찬가지라는 것을 보여주었습니다.

저널에 발표된 새로운 연구에 설명된 이러한 결과는 자연 신경과학는 세인트루이스에 있는 워싱턴 대학의 생물학과 조교수 Keith Hengen과 UC Santa Cruz의 생체분자공학과의 David Haussler 석좌 교수의 연구실 간의 공동 연구에서 나온 것입니다. 연구는 Ph.D.에 의해 수행되었습니다. 학생 David Parks(UCSC)와 Aidan Schneider(WashU).

4년에 걸친 연구를 통해 Parks와 Schneider는 방대한 양의 뇌파 데이터 내의 패턴을 연구하기 위해 신경망을 훈련시켰으며, 이전에 설명된 적이 없는 극도로 높은 주파수에서 발생하는 패턴을 발견하고 신경학적 이론의 기본적이고 오랫동안 유지되어 온 개념에 도전했습니다.

"강력한 도구와 새로운 계산 방법을 사용하면 가장 기본적인 가정에 도전하고 '상태란 무엇인가?'라는 질문을 다시 검토함으로써 얻을 수 있는 것이 너무 많습니다."라고 Hengen은 말했습니다. "수면 또는 기상은 행동을 결정하는 가장 큰 요인이며, 그 다음에는 다른 모든 것이 사라집니다. 따라서 수면과 기상이 실제로 무엇인지 이해하지 못한다면 배를 놓친 것 같습니다."

"뇌의 나머지 부분이 깨어 있을 때 뇌의 다른 부분이 실제로 약간의 낮잠을 잔다는 사실을 발견한 것은 과학자로서 우리에게 놀라운 일이었습니다. 많은 사람들이 이미 배우자에게서 이것을 의심했을 수도 있지만, 아마도 남성-여성 편견이 부족할 것입니다. 정말 놀라운 일입니다."라고 Haussler는 말했습니다.

수면의 이해

신경과학자들은 전기생리학 데이터로 알려진 뇌 활동의 전기 신호 기록을 통해 뇌를 연구하고 전압파가 다양한 속도로 최고점에 도달하고 감소하는 것을 관찰합니다. 이러한 파동에는 개별 뉴런의 스파이크 패턴이 혼합되어 있습니다.

연구자들은 세인트 루이스의 Hengen Lab에서 쥐의 데이터를 가지고 작업했습니다. 자유롭게 행동하는 동물들은 한 번에 10개의 서로 다른 뇌 영역의 뇌 활동을 몇 달 동안 기록하고 마이크로초 단위의 정밀도로 작은 뉴런 그룹의 전압을 추적하는 매우 가벼운 헤드셋을 장착했습니다.

이 많은 입력으로 인해 페타바이트(1기가바이트보다 100만 배 더 큰)의 데이터가 생성되었습니다. David Parks는 이 원시 데이터를 매우 복잡한 패턴을 찾을 수 있는 인공 신경망에 공급하여 수면 및 기상 데이터를 차별화하고 인간이 관찰하지 못했을 수 있는 패턴을 찾는 노력을 주도했습니다. UC San Diego에 위치한 공유 학술 컴퓨팅 인프라와의 협력을 통해 팀은 Google이나 Facebook과 같은 대기업이 사용할 수 있는 규모인 이 많은 데이터를 처리할 수 있었습니다.

Parks는 전통적으로 수면이 느리게 움직이는 파도로 정의된다는 사실을 알고 점점 더 작은 데이터 덩어리를 신경망에 공급하고 뇌가 잠들어 있는지 깨어 있는지 예측하도록 요청했습니다.

그들은 이 모델이 단 밀리초의 뇌 활동 데이터로부터 수면과 각성을 구별할 수 있다는 것을 발견했습니다. 이것은 연구팀에게 충격적이었습니다. 모델이 잠과 깨어남의 차이를 배우기 위해 느리게 움직이는 파도에 의존할 수 없다는 것을 보여주었습니다. 느린 리듬이 있는지 알려주지 않으면 모델이 무작위로 분리된 밀리초 단위의 정보를 보는 것만으로는 몇 초에 걸쳐 발생하는 리듬을 학습하는 것이 불가능합니다.

Haussler는 "우리는 전례 없는 세부 수준의 정보를 보고 있습니다."라고 말했습니다. "이전에는 거기에서 아무것도 찾을 수 없고 모든 관련 정보가 더 느린 주파수 파동에 있다는 느낌이 들었습니다. 이 문서에서는 기존 측정을 무시하고 단 한 번의 고주파 측정에 대한 세부 정보만 보면 된다고 말합니다. 1000분의 1초는 조직이 잠들어 있는지 아닌지를 알 수 있을 만큼 충분합니다. 이는 매우 빠른 속도로 무언가가 진행되고 있음을 말해줍니다. 이는 수면 중에 무슨 일이 일어날 수 있는지에 대한 새로운 힌트입니다."

Hengen은 Parks와 Schneider가 뭔가를 놓쳤다고 확신했습니다. 그들의 결과는 수년간의 신경과학 교육을 통해 그에게 주입된 기본 개념과 너무 모순되었기 때문입니다. 그는 파크스에게 이 현상이 실제일 수 있다는 더 많은 증거를 제시해 달라고 요청했습니다.

"이것은 나에게 '내 믿음이 어느 정도까지 증거에 기초하고 있는지, 그러한 믿음을 뒤집으려면 어떤 증거가 필요한가?'라고 스스로에게 질문하게 만들었습니다." 헨겐이 말했다. "정말 고양이와 쥐의 게임처럼 느껴졌어요. 왜냐하면 제가 David에게 물어봤거든요. [Parks] 계속해서 더 많은 증거를 제시하고 나에게 증명하려고 하면 그는 돌아와서 '이것 좀 봐!'라고 말하곤 했습니다. 학생들에게 이 탑을 벽돌 하나하나 철거하게 하는 것은 과학자로서 정말 흥미로운 과정이었는데, 나로서는 그걸 괜찮게 여겨야 했습니다."

지역적 패턴

인공 신경망은 기본적으로 블랙박스이고 학습한 내용을 다시 보고하지 않기 때문에 Parks는 모델이 어떤 패턴을 학습할 수 있는지 이해하기 위해 시간적, 공간적 정보의 레이어를 제거하기 시작했습니다.

결국 그들은 1밀리초 길이의 뇌 데이터 덩어리와 뇌 전압 변동의 가장 높은 주파수를 보는 지점에 이르렀습니다.

Parks는 "우리는 지난 세기 동안 수면을 이해하고, 정의하고, 분석하기 위해 신경과학이 사용한 모든 정보를 꺼냈고, '모델이 이러한 조건에서도 학습할 수 있는가?'라고 물었습니다."라고 말했습니다. "이를 통해 우리는 이전에 이해하지 못했던 신호를 조사할 수 있었습니다."

이 데이터를 조사함으로써 그들은 단지 몇 개의 뉴런 사이의 초고속 활동 패턴이 모델이 감지한 수면의 기본 요소라는 것을 확인할 수 있었습니다. 결정적으로 이러한 패턴은 전통적이고 느리고 널리 퍼진 파동으로는 설명할 수 없습니다. 연구자들은 느리게 움직이는 파도가 빠르고 국소적인 활동 패턴을 조정하는 역할을 할 수 있다고 가정했지만 궁극적으로 빠른 패턴이 수면의 진정한 본질에 훨씬 더 가깝다는 결론에 도달했습니다.

전통적으로 수면을 정의하는 데 사용되는 느리게 움직이는 파도를 야구 경기장에서 파도를 하고 있는 수천 명의 사람들과 비교한다면, 이러한 빠르게 움직이는 패턴은 파도에 참여하기로 결정한 소수의 사람들 사이의 대화입니다. 이러한 대화는 전체적으로 더 큰 파도가 발생하는 데 필수적이며 경기장의 분위기와 더 직접적으로 관련됩니다. 파도는 그 부차적인 결과입니다.

깜박임 관찰

활동의 초지역적 패턴을 더 연구하면서 연구자들은 또 다른 놀라운 현상을 발견하기 시작했습니다.

그들은 수면 또는 각성을 예측하는 모델을 관찰하면서 처음에는 오류처럼 보이는 것을 발견했습니다. 즉, 모델이 뇌의 한 영역에서 깨는 순간을 감지하고 나머지 뇌는 잠든 상태를 유지하는 것입니다. 그들은 깨어난 상태에서도 같은 것을 보았습니다. 짧은 순간 동안 한 영역은 잠들고 나머지 영역은 깨어 있었습니다. 그들은 이러한 인스턴스를 "깜박임"이라고 부릅니다.

"우리는 이 뉴런이 활성화되는 개별 시점을 볼 수 있었고, [the neurons] 슈나이더는 "어떤 경우에는 이러한 깜박임이 개별 뇌 영역에만 국한될 수도 있고 그보다 더 작을 수도 있다"고 말했습니다.

이로 인해 연구자들은 깜박임이 수면 기능에 대해 무엇을 의미할 수 있는지, 그리고 깜박임이 수면 및 각성 중 행동에 어떤 영향을 미치는지 조사해야 했습니다.

"거기에는 자연스러운 가설이 있습니다. 깨어 있는 동안 뇌의 일부가 잠에 빠진다고 가정해 보겠습니다. 이는 갑자기 행동이 잠든 것처럼 보인다는 뜻인가요? 우리는 그런 경우가 많다는 것을 알기 시작했습니다." 슈나이더가 말했다.

쥐의 행동을 관찰하면서 연구자들은 뇌의 나머지 부분이 깨어 있는 동안 뇌 영역이 깜빡깜빡 잠을 자면 쥐가 마치 멍하니 있는 것처럼 잠시 멈추는 것을 확인했습니다. 수면 중 깜박임(뇌의 한 영역이 "깨어남")은 동물이 잠을 자면서 꿈틀거리는 모습으로 반영되었습니다.

깜박임은 각성 상태에서 비REM 수면, REM 수면 사이를 순차적으로 이동하는 뇌의 엄격한 주기를 지시하는 확립된 규칙을 따르지 않기 때문에 특히 놀랍습니다.

Hengen은 "우리는 REM이 깜박이고 REM이 비 REM으로 깜박이는 것을 보고 있습니다. 가능한 모든 조합을 볼 수 있으며 이는 100년 간의 문헌을 기반으로 기대할 수 있는 규칙을 위반합니다"라고 Hengen은 말했습니다. "나는 이것이 거시적 상태(전체 동물 수준의 수면과 각성)와 뇌의 기본 상태 단위인 빠르고 국소적인 패턴 사이의 분리를 드러낸다고 생각합니다."

영향

고주파수에서 발생하는 패턴과 각성 및 수면 사이의 깜박임에 대한 더 깊은 이해를 얻으면 연구원들이 수면 조절 장애와 관련된 신경 발달 및 신경 퇴행성 질환을 더 잘 연구하는 데 도움이 될 수 있습니다. Haussler와 Hengen의 실험실 그룹은 모두 이 연관성을 더 깊이 이해하는 데 관심이 있으며, Haussler는 실험실 벤치에서 성장한 뇌 조직의 일부인 대뇌 유기체 모델에서 이러한 현상을 더 연구하는 데 관심이 있습니다.

Hengen은 "이것은 잠재적으로 질병과 장애에 대한 문제를 해결할 수 있는 매우 날카로운 메스를 제공합니다."라고 말했습니다. "수면과 각성이 무엇인지에 대해 근본적으로 더 많이 이해할수록 관련 임상 및 질병 관련 문제를 더 많이 해결할 수 있습니다."

기초적인 수준에서 이 연구는 행동, 감정 등을 지시하는 기관인 뇌의 복잡한 여러 층에 대한 이해를 높이는 데 도움이 됩니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/07/240716165143.htm