GIB 사진 제공

"우리 부모는 현명해져 이 사실(청소년의 늦잠은 의지의 문제가 아니라 생물적 명령이라는)을 받아들여 자녀가 늦잠을 자면 이를 보듬고 격려하고 칭찬해야 한다. 자녀가 수면 부족으로 뇌가 비정상적으로 발달하거나 정신질환에 걸릴 위험성이 커지는 걸 바라지 않는다면 말이다."

- 매튜 워커 -

 

학술지 ‘네이처’ 2월 22일자에는 ‘청소년의 과학’을 특집으로 다뤘다. 과학동아 기자이던 2012년 청소년의 뇌과학을 주제로 공들여 기사를 쓴 적이 있는 필자는 궁금해서 내용을 훑어봤다.

모두 아홉 편의 글 가운데 ‘청소년의 유동적 경계’라는 제목의 기사가 먼저 눈에 들어왔다. 청소년 시기 규정의 변천사를 다루고 있는데, 청소년기를 24세까지 늘리자는 호주 로열아동병원 청소년건강센터 수전 소여 교수의 제안이 튀었다. 소여 교수가 좀 황당해 보이는 이런 주장을 하게 된 배경이 바로 필자가 2012년 기사에서 다룬 연구결과다.

과거에는 뇌의 부피 성장을 기준으로 봤기 때문에 열두 살이 되면 뇌의 성장은 끝난다고 설명했다. 그런데 자기공명영상(MRI) 같은 뇌의 내부를 볼 수 있는 장비가 나오면서 미국립정신건강연구소(NIMH)의 뇌과학자들은 청소년의 뇌발달 과정을 자세히 들여다봤고 그 결과 놀라운 사실을 발견했다. 즉 신경세포(뉴런) 사이의 연결인 시냅스가 청소년 시기에 큰 변화를 겪으며 성숙하는데 그 시기가 부위에 따라 달랐던 것이다.

청소년기 뇌의 성숙은 한마디로 시냅스 가지치기(synaptic pruning)다. 즉 가지가 제멋대로 자란 나무를 가지치기로 정리하듯 생후 십여 년 동안 급하게 성장하느라 시냅스가 복잡하게 얽힌 뇌를 정리해주는 과정이 청소년기에 일어나는 것이다. 그런데 일손이 부족한지 시냅스 가지치기는 급한 곳부터 진행된다.

즉 시각, 청각, 후각 등 감각정보를 처리하는 영역이나 운동을 조절하는 영역이 일찌감치 성숙하고 뒤이어 공간 방향, 발성, 언어 발달에 관여하는 영역의 변화가 일어난다. 그러나 판단이나 의사결정 같은 이성적이고 고차원적인 사고를 담당하는 부위는 10대 후반에 가서야 변화가 시작되고 20대가 돼서도 이어진다.

이 발견은 1999년과 2004년 두 차례 논문으로 정리돼 발표됐고 지금까지 각각 4500여 회, 4000여 회 인용됐을 정도로 엄청난 영향을 미쳤다. (자세한 내용은 과학동아 2012년 2월호 122쪽 ‘1999년 제이 기드 박사의 청소년 뇌 발달 장기 추적 MRI 연구’ 참조)

청소년과 성인의 완충지대 필요

소여 교수는 이를 바탕으로 오늘날 성인이 되는 만 18세부터(서구 대다수 나라의 경우로 우리나라는 만 19세다) 24세까지는 권리를 일부 제한하되 국가에서 도움을 주는 완충시기로 하자고 주장했다. 이 경우 결혼과 선거권은 만 18세로 유지하되 음주와 흡연 나이는 올릴 수 있다. 지나치면 건강에 해로운 자극을 절제하기에는 아직 뇌가 충분히 성숙하지 않았기 때문이다. 일본의 경우 2016년 선거권을 20세에서 18세로 낮추면서도 주류를 살 수 있는 나이는 20세로 유지했는데 비슷한 맥락이다.

대신 국가는 이 시기(만 18~24세) ‘청소년’에게 의료나 교육, 주거를 지원해 ‘경제적 독립’이라는 의무를 면제해 줘야 한다. 실제 뉴질랜드에서는 2016년부터 국가가 미성년을 돌보는 기간을 만 18세에 갑자기 끊는 대신 18~25세를 청소년과 성인의 ‘과도기’로 규정해 교육비와 주거보조비 등 각종 지원을 하고 있다.

‘가지치기 가설이 때를 만났다’는 제목의 기고문도 2012년 기사의 내용과 밀접한 관련이 있었다. 청소년 시기 전두엽의 가지치기가 제대로 일어나지 않은 게 조현병(정신분열증)의 원인이라는 게 가지치기 가설(pruning hypothesis)이다. 이는 조현병의 대부분이 청소년이나 성인 초기에 처음 발병한다는 임상적 관찰과도 맥이 통한다.

미국 하버드대 의대 매튜 존슨 교수와 브로드연구소의 베스 스티븐스 교수는 기고문에서 가지치기 가설의 역사를 정리하고 있는데 꽤 흥미롭다. 이야기는 50여 년 전으로 거슬러 올라간다.

1983년 가지치기 가설 나와

1960년대 미국 샌프란시스코 캘리포니아대 의대 정신과 어윈 파인버그(Irwin Feinberg) 교수는 사람의 일생에 걸친 잠의 패턴을 연구했는데 청소년 시기 비렘수면 동안 뇌파의 진폭이 크게 떨어진다는 특이한 현상을 관찰했다. 비렘(NREM)수면은 안구가 움직이지 않는 잠으로 보통 꿈을 꾸지 않는다. 그는 이 연구결과를 1967년 학술지 ‘정신의학연구저널’에 발표했다.

1983년 어윈 파인버그는 조현병 원인으로 ‘가지치기 가설’을 제안했지만 별다른 주목을 받지 못하다 한 세대가 지난 오늘날 정설로 받아들여지고 있다. 지난해 인터뷰 장면을 캡쳐했다. - 유튜브 제공

십여 년의 세월이 흐른 1979년 학술지 ‘뇌 연구’에는 미국 시카고대 소아과․신경학과 피터 후튼로처(Peter Huttenlocher) 교수의 논문이 실렸다. 후튼로처는 신생아에서 90세 노인에 이르기까지 21명의 전두엽 시료를 슬라이스로 만들어 얻어(물론 죽은 사람들이다) 전자현미경 사진을 찍은 뒤 뉴런 사이의 연결, 즉 시냅스의 숫자를 일일이 셌다. 그 결과 아기와 어른 사이, 즉 청소년 시기에 숫자가 뚝 떨어진다는 예상치 못한 발견을 한다.

이 논문을 접한 파인버그는 자신의 1967년 논문 내용과 조현병이 주로 10대 후반에서 20대 초반 처음 발병한다는 사실을 더해 이 시기 전두엽의 시냅스 가지치기가 비정상적으로 이뤄질 경우 조현병이 발병한다는 ‘가지치기 가설’을 담은 논문을 1983년 학술지 ‘정신의학연구저널’에 발표했다. 이에 따르면 가지치기는 청소년 시기 유전 프로그램에 따라 이뤄지고 그 결과 수면 뇌파의 진폭이 줄어든 것이다. 이 프로그램에 문제가 생겨 가지치기가 지나치거나 미흡하면 조현병으로 이어질 수 있다. 그러나 당시 가지치기 가설은 주류 학계에서 철저히 무시됐다.

무엇보다도 청소년이 어린이보다 시냅스 수가 적다는 게 말이 안 된다고 생각했는데, 1979년 논문에서 후튼로처가 전두엽의 시냅스 숫자를 조사한 21명 가운데 청소년이 한 명뿐이라는 사실도 이 결과를 믿지 못하는 이유였다. 18년이 지난 1997년 후튼로처는 청소년 네 명의 뇌에서 비슷한 결과를 얻어 논문으로 발표했다. 그리고 이듬해 마침내 조현병 환자의 뇌에서 고차원적 인지를 담당하는 부분의 시냅스 밀도가 낮다는 사실이 확인됐다. 그리고 1999년 제이 기드 박사의 청소년 뇌 MRI 연구결과까지 나오면서 마침내 학계의 주목을 받게 된다.

1983년 가지치기 가설이 나오고 30여 년이 지나는 사이 이를 지지하는 연구결과가 쌓이면서 확고한 위상을 얻었다. 위의 그래프는 1983년 당시 연구결과를 요약한 것으로 나이에 따른 수면파 진폭(하늘색)과 시냅스 수(보라색), 조현병 발병 시기(빨간색)의 관계에서 추론해 이 가설이 나왔음을 보여준다. 아래는 조현병 관련 유전자를 규명한 결과 제시된 메커니즘으로 보체 단백질(빨간색)이 너무 많이 만들어질 경우 마이크로글리아가 수상돌기 가시(시냅스)를 과도하게 없앤다. - ‘네이처’ 제공

2000년대 들어 조현병 관련 유전자가 속속 밝혀지면서 가지치기 가설은 더욱 힘을 얻고 있다. 예를 들어 2016년 ‘네이처’에는 C4라는 유전자의 복제수가 많은 사람이 조현병에 걸릴 위험성이 높다는 연구결과가 실렸다. 이 유전자가 발현된 보체(complement) 단백질은 뉴런의 시냅스에 달라붙는다. 뇌에 있는 면역세포인 마이크로글리아는 보체 단백질이 달라붙어 있는 시냅스를 인식해 제거(가지치기)한다. C4 유전자의 복제수가 많을 경우 보체 단백질도 많이 만들어져 과도한 가지치기가 일어나고 그 결과 조현병이 생긴다는 메커니즘이다. 지금까지 밝혀진 조현병 관련 유전자 가운데 상당수가 시냅스 가지치기와 관련된 것으로 보인다.

이런 발견은 가지치기를 정상화하는 약물을 만들 경우 조현병 예방과 치료에 획기적인 전기가 마련될 수 있다는 기대를 품게 하지만 동시에 그 전에는 우리가 할 수 있는 게 없다는 무력감을 느끼게 하는 것도 사실이다. 그러나 많은 질병이 그렇듯이 조현병도 유전자가 전부는 아니다.

일란성쌍둥이 가운데 한 사람이 조현병일 경우 다른 사람도 조현병이 나타날 가능성이 40%가 넘을 정도로 유전의 영향력이 상당한 건 사실이지만 바꿔 말하면 60% 가까이는 조현병에 걸리지 않는다는 뜻이기도 하기 때문이다. 즉 환경요인도 중요하다는 말이다. 실제 극도의 스트레스나 감염질환, 약물중독 등이 주요 위험요인으로 알려져 있다.

왼쪽은 건강한 뇌의 뉴런으로 위의 네모 안을 확대한 오른쪽 위 사진을 보면 검은 줄(수상돌기)의 표면에 도돌도돌 솟아난 수상돌기 가시가 보인다. 수상돌기 가시는 시냅스 수를 나타내는 지표다. 오른쪽 아래는 조현병 환자의 뉴런으로 수상돌기에 가시가 훨씬 적다. - ‘신경학 신경외과 정신의학 저널’ 제공

등교시간 9시로 늦춰야

미국 버클리 캘리포니아대 신경과 매튜 워커(Matthew Walker) 교수는 지난해 펴낸 책 ‘Why we sleep(우리는 왜 잠을 자나)’에서 청소년기 수면부족이 조현병을 포함한 정신질환 발병의 주요 환경요인이라고 주장했다. 즉 합리적이고 논리적인 사고를 하는데 중요한 전두엽이 성숙하는 민감한 시기에 만성적인 수면 부족을 겪으면 결국 뇌 구조가 비정상적으로 만들어진다는 것이다.

수면 연구가인 매튜 워커는 지난해 출간한 이 책에서 청소년 시기 만성 수면 부족이 조현병을 비롯한 각종 정신질환 만연의 주된 환경요인이라고 주장했다. 국내 한 출판사가 판권을 샀기 때문에 조만간 번역서가 나올 것이다. - amazon 제공

책의 5장 ‘일생에 걸친 수면의 변화’의 ‘수면과 청소년’ 부분에서 워커는 깊은 비렘수면 동안 시냅스 가지치기가 주로 일어난다고 설명한다. 그런데 흥미롭게도 이 장면에서 어윈 파인버그가 등장한다. 워커는 파인버그의 수면 실험 장면을 묘사하고 있다.

파인버그는 6~8세인 아이들을 대상으로 10년에 걸쳐 수면 뇌파를 기록하는 연구를 수행했다. 실험 참가자들은 6개월 또는 1년마다 실험실에 들러 머리 곳곳에 전극을 부착하고 잠을 잤다. 10년 동안 참가자들이 실험실에서 보낸 밤을 다 합치면 3500일이 넘고 수면 뇌파 기록도 32만 시간을 넘는다. 그 결과 청소년 후기와 성인 초기에 깊은 비렘수면 동안 뇌파의 진폭이 크게 떨어진다는 사실을 발견한 것이다.

워커 교수에 따르면 조현병 증상이 있는 사람들은 비렘수면의 뇌파 패턴이 다르고 깊은 비렘수면 시간이 정상에 비해 2분의 1에서 3분의 1밖에 되지 않는다. 그는 “비정상적인 수면으로 유발되는 가지치기 이상이 조현병을 일으킬 수 있다는 가설이 현재 활발히 연구되고 있다”고 쓰고 있다.

문제는 오늘날 청소년의 상당수가 만성적인 수면 부족에 시달리고 있다는 점이다. 워커 교수는 두 가지를 원인으로 꼽는데 하나는 청소년 시기의 생체시계 변화이고 다른 하나는 이른 등교시간이다. 지난 세기 두 원인이 맞물리면서 최악의 결과를 초래했다는 것이다.

청소년 상당수가 만성적인 수면 부족에 시달리고 있다. - GIB 사진 제공

먼저 생체시계로 아이일 때는 어른에 비해 시간이 약간 빠르게 맞춰져 있다. 아이들이 대체로 일찍 자고 일찍 일어나는 이유다. 그런데 사춘기에 들어서면 생체시계가 급격히 늦춰져 어른보다도 대략 두 시간이나 늦어진다. 즉 수면호르몬인 멜라토닌이 분비되는 시점이 아이 때에 비해 서너 시간 뒤로 밀린다.

따라서 청소년 자녀에게 밤 10시에 자라는 건 남편(또는 아내)에게 8시에 자라고 하는 것과 같다는 말이라고 워커 교수는 설명한다. 바꿔 말하면 청소년 자녀에게 6시에 일어나라는 건 어른에게 4시에 일어나라는 말이다. 자기 역시 한 세대 전에 똑같은 경험을 했음에도 까맣게 잊어버리고 청소년 자녀가 늦잠을 잔다고 나무라는 게 대부분 부모의 모습이다.

그래도 주말처럼 급한 일이 없다면 자녀들이 안 일어나고 이부자리에서 버틸 때 억지로 깨울 부모는 많지 않겠지만 주중엔 급한 일이 있다는 게 문제다. 즉 아이들이 밥 먹고 학교에 제시간에 등교하려면 6시에는 일어나야 하기 때문이다.

책에 따르면 19세기만 해도 미국 학교 대부분은 9시가 등교시간이었다. 그런데 20세기 들어 유럽 몇몇 나라에서 등교 시간을 당기기 시작했고 미국도 여기에 편승하면서 지금은 고등학교의 80% 이상이 8시 15분 이전에(거의 절반은 7시 20분 이전에) 수업을 시작하고 있다.

필자의 청소년 시기를 돌아봐도 중학교 때까지는 행복하게 지내다가(5공화국 시절이라 과외도 불법이었다) 고등학교 들어가 ‘자율학습’이라는 명목으로 아침 7시까지 등교해야 했다. 3년 동안 6시 전에 일어난 것 같은데 워커 교수의 책을 읽으면서 새삼 진저리를 쳤다!

이처럼 늦춰진 생체시계와 당겨진 등교시간이 맞물리면서 뇌가 가장 취약한 시기인 청소년들이 만성 수면 부족에 시달리게 됐고 그 결과 우울증, 불안, 조현병, 자살성향 등 만성 정신질환의 만연이라는 결과로 이어졌다는 것이다. 청소년 시기 새벽부터 밤까지 학교와 학원을 전전하는 삶을 살아야 하는 우리나라가 OECD 자살률 1위인 게 우연이 아니라는 말이다.

다행히 수년 전부터 우리나라도 ‘9시 등교’ 움직임이 일면서 현재 많은 학교들이 9시 또는 8시 반 등교를 실시하고 있다. 미국의 예를 보면 수업 시작 시간을 7시 25분에서 8시 반으로 65분 늦췄더니 학생들이 평균 43분을 더 잤다는 조사결과가 있다. 즉 늦춰진 등교 시간의 3분의 2는 잠자는 시간에 더해진다는 말이다. 게다가 등교 시간을 늦춘 결과 학생들 성적이 올라가고 정서가 안정된 것으로 나타났다.

사실 우리나라 청소년들은 9시 등교를 하더라도 엄밀히 말하면 8시 반 등교인 셈이다. 즉 우리나라 시간대는 동경(경도) 135도에 맞춰있는데(영국 런던 기준 +9시간) 정작 땅은 동경 125도와 130도 사이에 있기 때문이다. 청소년의 생체시계가 아침 8시에 깨는 게 최적일 경우 9시 등교로 8시에 일어난다고 하더라도 여전히 30분을 덜 잔다는 말이다(생체시계는 7시 반이므로).

우리나라 시간대는 일본과 마찬가지로 동경 135도(+9)에 맞춰져 있다. 그 결과 서울 청소년의 생체시계는 이 시간대에 비해 30분 정도 늦은 반면 도쿄 학생은 20분 이르다. 서울에서 9시 등교를 실시하더라도 도쿄에서 8시 등교인 것과 마찬가지라는 말이다. 참고로 북한은 한반도를 관통하는 127.5도(+81/2)로 정했다. - 위키피디아 제공

만일 우리나라가 동경 120도(+8시간)에 맞췄다면 거꾸로 30분 늘었을 것이다. 일본 도쿄가 그런 경우로 동경 140도라 20분을 더 잔다. 서울의 학교와 도쿄의 학교가 똑같이 9시 등교를 하더라도 도쿄 청소년이 서울 청소년에 비해 아침잠을 50분 더 잘 수 있다. 즉 도쿄가 서울에 비해 청소년의 생체시계에 더 맞는 환경이라는 말이다.

이런 불리한 구조에서 8시 등교나 심지어 필자의 고교시절처럼 7시 등교를 실시한다는 건 청소년의 정신건강에 부정적인 영향을 줄 수밖에 없다고 오늘날 뇌과학은 말하고 있다.

※ 필자소개
강석기 과학칼럼니스트 (kangsukki@gmail.com)

LG생활건강연구소에서 연구원으로 근무했으며, 2000년부터 2012년까지 동아사이언스에서 기자로 일했다. 2012년 9월부터 프리랜서 작가로 지내고 있다. 지은 책으로 『강석기의 과학카페』(1~6권),『생명과학의 기원을 찾아서』 등이 있고, 옮긴 책으로 『반물질』, 『가슴이야기』, 『프루프: 술의 과학』 등이 있다.

[강석기 과학 칼럼니스트 kangsukki@gmail.com]