REM 수면은 어떻게 발견되었나 — 그리고 어떻게 손목의 숫자가 되었나
펜이 미친 듯이 흔들린 밤
1951년 12월, 서른 살의 대학원생이 University of Chicago의 지하실에서 구식 뇌파 기록 장치를 끌어내 여덟 살 아들에게 연결했다.
Eugene Aserinsky가 빌린 장비를 조심스럽게 다룰 이유는 있었다. 그는 가족과 함께 캠퍼스의 개조된 군용 숙소에 살았고, 결국 자기 지도교수에게 돈을 빌릴 만큼 형편이 어려웠으며, 긴 밤샘 기록을 프레첼과 커피로 버텼다. 장비는 Offner Dynograph였다. 방은 Abbott Hall의 생리학과에서 빌린 것이었다. 피험자는 아들 Armond였고, 자고 있었다.
그때 펜이 종이를 크게 훑기 시작했다. 사람이 격렬하게 몸을 뒤척일 때 나오는 넓은 잉크 호 — 다만 아이는 완벽하게 가만히 누워 있었다.
Aserinsky의 첫 가설은 당연한 것이었다. 장비가 고장 났다. 합리적인 반사이고, 동시에 대부분의 이상 신호가 조용히 죽는 이유이기도 하다. 그는 장비 대신 아들을 보러 갔다. 감긴 눈꺼풀 아래에서 눈이 움직이고 있었다 — 빠르게, 툭툭 끊기며, 이상하게 조율된 채로. 잠에 잠겨 드는 사람의 느린 흐름과는 전혀 달랐다.
발견 자체는 이것으로 끝이다. 그 뒤의 모든 것은 노동이었다. Aserinsky는 45년 뒤 Journal of the History of the Neurosciences에 자신의 회고를 실었는데, 스스로를 조금도 영웅으로 만들지 않는다는 점에서 읽을 값이 있다.
그 밤 이전, 잠은 아무 일도 아니었다
왜 이것이 중요했는지 느끼려면, 당시 수면이 얼마나 지루한 대상으로 여겨졌는지를 알아야 한다.
지배적인 관점은 수동적이었다. 뇌는 속도를 낮추고, 활동은 잦아들고, 밤은 두 낮 사이의 골이었다. 수면은 그것에 없는 것으로 정의되었다. 그 안에서 구조를 찾을 특별한 이유는 없었다. 빈 방에서 가구를 찾을 이유가 없는 것과 같다.
아이러니는, 수면을 진지한 과학으로 만드는 데 누구보다 크게 기여한 사람 본인이 대체로 그 관점을 공유했다는 점이다. Nathaniel Kleitman은 1939년 Sleep and Wakefulness를 출간하며 영어권에서 이 분야를 사실상 세웠다. 그렇다고 조심스러운 사람도 아니었다. 1938년 여름, 그는 대학원생 Bruce Richardson과 함께 켄터키의 Mammoth Cave, 지표에서 약 140피트 아래로 들어가 28시간을 하루로 삼아 32일을 살았다 — 달력의 한 주에 긴 하루가 여섯 번, 깨어 있을 때는 두 시간마다, 잘 때는 네 시간마다 체온을 측정했다. Richardson의 신체는 새 일정에 대체로 적응했다. Kleitman의 신체는 거부했고, 본인은 그것을 자신의 나이 때문이라고 보았다.
신체가 자기만의 시간을 지키는지 알아보려고 한 달을 땅속에서 보낼 각오가 된 사람이다 — 우리가 지금 일주기 리듬이라고 정리하는 질문이다. 그런 그조차 밤 자체는 하나의 길고 균일한 상태라고 생각했다.
시간을 채우기 위한 과제
Aserinsky는 이것을 찾으려 한 게 아니었다. 지도교수가 학생을 그저 바쁘게 두고 싶을 때 나누어 주는 종류의 과제를 받았을 뿐이다. 눈 깜박임, 그다음에는 영아의 눈꺼풀 움직임. 아기를 보고, 세고, 1년 뒤에 돌아오라.
아기들에게서는 별 소득이 없었고, 그는 성인 쪽으로, 그리고 아무도 쓰지 않는 장비 쪽으로 흘러갔다. 이 분야가 뒷문으로 들어오는 습관은 가장 일관된 특징 중 하나다. 의미 있었던 발견은 안전하게 설계된 과제에서 나왔다.
Science에 실린 두 페이지
1952년 봄에는 같은 패턴을 다른 사람들에게서도 확인했다. 그해 가을에는 더 나은 장비로 50회가 넘는 야간 기록을 진행했다. 1953년 9월 4일, 그와 Kleitman은 Science에 두 페이지를 발표했다.
논문은 짧고, 거의 공격적일 만큼 담담하다. 건강한 성인 20명. 대략 90분마다 돌아오는 빠르고 툭툭 끊기는 안구 운동의 시기, 그와 함께 나타나는 낮은 진폭의 불규칙한 뇌 활동과 호흡·심박의 상승 — 첫 에피소드는 짧고, 마지막은 길다.
그리고 관찰을 발견으로 바꾼 한 수가 왔다. 그들은 사람들을 깨웠다.
안구 운동 시기에 행한 스물일곱 번의 각성 중 스물 번에서 상세하고 시각적인 꿈 이야기가 나왔다. 그 시기 밖에서 행한 스물세 번의 각성 중 열아홉 번에서는 아무것도 나오지 않았다.
그 비대칭이 곧 논문이다. 그리고 수면이 아니라 측정에 대한 교훈을 원한다면, 그것이 요령의 전부다. 그들은 신호를 기록하는 데 그치지 않고, 그 신호가 무엇의 증거인지를 신호에게 물었다.
누군가 먼저 보았다. 그것은 찾아낸 것과 다르다
이제 신화를 바로잡는 부분이다. 어떤 역사에서든 보통 여기가 가장 좋은 대목이다.
안구 운동이 처음 관찰된 곳은 시카고가 아니다. 1926년, 러시아 연구자 Denisova와 Figurin이 잠든 영아에서 주기적인 발현을 기술했다. 불안정한 호흡, 늘어난 몸의 움직임, 빨라진 심박, 그리고 반쯤 감긴 눈꺼풀 아래에서 움직이는 눈이 약 50분마다 반복되었다. 그들은 정확히 옳은 대상을 보고 있었다. 스물일곱 해 이른 것이 문제였다.
그들에게 없었던 것은 뇌파계다 — Hans Berger의 사람 EEG는 1929년에 등장한다 — 그리고 성인 피험자, 결정적으로 꿈과의 연결이었다. 2024년 SLEEP의 한 리뷰는 공적 문제를 훑고 유용한 지점에 도달한다. 부분적인 관찰은 발견이 아니다. 보는 것은 싸다. 끝까지 밀고 가는 것은 비싸다.
어떤 웰니스 제품이 당신의 데이터에서 신호를 "발견했다"고 발표할 다음 순간을 위해 기억해 둘 만하다. 신호는 어디에나 있다. 그중 하나가 무엇의 증거인지를 아는 것이 드물고 값비싼 부분이다.
그것을 찾아낸 사람은 이 분야를 떠났다
Aserinsky는 1953년에 박사 과정을 마치고 떠났다. University of Washington으로 옮겨 연어의 전기적 효과를 연구했고, 필라델피아의 Jefferson Medical College에 자리를 얻었으며, 수면 연구로 돌아온 것은 1963년이었다. 1976년에 학과장 자리에서 밀려나 웨스트버지니아의 Marshall University로 옮겼고, 1987년에 은퇴했다. Kleitman은 두 사람이 함께 밤을 둘로 쪼갠 지 10년이 지난 뒤에도 그에게 보내는 편지를 "Dear Aserinsky"로 시작했다고 전해진다.
그동안 1952년에 연구실에 들어온 의대생 William Dement가 이 현상에 끝까지 남은 이름을 붙였다 — rapid eye movement, REM — 그리고 이 연구를 유명하게 만든 수십 년을 통과해 끌고 갔다. 과학에서 공적은 누가 먼저 있었는지로 나뉘지 않는다. 누가 남는지로 나뉜다.
Aserinsky는 1998년 7월, 77세에 캘리포니아 칼즈배드에서 자동차 충돌로 사망했다. 부검은 결론에 이르지 못했고, 운전 중 잠들었을 가능성이 고려되었다. 기록은 그것을 확정하지 않으며, 나도 기록을 개선할 생각은 없다.
강을 계단으로 바꾼 위원회
여기서 이야기는 사람에 대한 것이기를 멈추고, 오늘 아침 당신이 본 화면에 대한 것이 된다.
1960년대 말에는 모두가 수면을 기록했고 아무도 같은 방식으로 기록하지 않았다. 1968년, Allan Rechtschaffen과 Anthony Kales가 이끄는 위원회가 US Government Printing Office를 통해 매뉴얼을 냈다. 표준화된 용어, 표준화된 기법, 그리고 분야 전체가 공유할 수 있는 판독 체계였다. 그것은 작동했다. 대략 40년 동안 표준이었다.
그 결정 가운데 둘이 오늘 당신이 자기 밤을 어떻게 보는지를 지배한다.
첫째, 에폭. 밤은 30초 조각으로 잘렸고, 각 조각에는 정확히 하나의 라벨이 붙었다. 둘째, 사다리. 단계 1, 2, 3, 4 그리고 REM이다.
두 선택 모두 합리적이었고, 두 선택 모두 행정적이다. 생리는 30초 단위로 상태를 바꾸지 않으며, 하룻밤이 깔끔한 벽으로 나뉜 다섯 개의 개별 상태로 이루어져 있는 것도 아니다. 30초 에폭은 두 실험실이 기록을 맞춰 볼 수 있도록 만든 반올림 규칙이다. 당신의 밤이 강이 아니라 계단으로 나타나는 이유가 이것이다.
American Academy of Sleep Medicine은 2007년에 규칙을 다시 손봤다. 30초 에폭은 살아남았다. 단계 3과 4는 하나의 N3으로 합쳐졌다. 둘 사이의 경계가 판독에 드는 수고만큼의 값을 한 적이 없었기 때문이다. 표준을 정하는 쪽조차 결국 계단 하나가 허구였다고 인정한 셈이다. 현대판 사다리를 평범한 말로 보고 싶다면 수면 단계 설명에 정리해 두었다.
하룻밤, 세 가지 표기
표준화의 각 단계가 포기한 것
전문가들조차 하룻밤의 5분의 1에 대해 합의하지 못한다
규칙집은 판단을 없애지 않았다. 판단을 적어 두었을 뿐이다. 판단이 얼마나 남았는지는 American Academy of Sleep Medicine이 측정했기에 대략 알 수 있다.
Rosenberg와 Van Hout이 2013년에 결과를 보고했다. 2,500명이 넘는 판독자, 임상 기록 9건, 18,000 에폭, 300만 건이 넘는 개별 판독 결정이다.
평균 일치율은 82.6%로 나왔다. 가장 높은 것은 REM이었다. N3은 67.4%, N1은 63.0% — 하필 사람들이 가장 듣고 싶어 하는 두 단계다. 판독자들이 막힌 곳은 예상 그대로였다. 잠들기 직전 마지막 각성 에폭, N1 다음 첫 N2 에폭, N2 다음 첫 REM 에폭. 경계다.
즉 기준 표준 — 훈련된 사람, 완전한 전극 배치, 공유된 하나의 규칙집 — 이 여섯 에폭 중 한 번쯤 스스로와 어긋난다. 이것은 추문이 아니다. 연속된 과정에 단단한 선을 그으면 일어나는 일이다. 다만 누군가 자기 알고리즘이 정확하다고 말하기 전에 머릿속에 넣어 둘 숫자다.
기준 표준을 측정하면
판독자 간 일치, AASM 프로그램 (Rosenberg & Van Hout, 2013)
불일치가 사는 곳
이 연구는 일치율이 단계 R에서 가장 높았고 N2와 각성이 그 뒤를 바짝 따랐으며, 가장 어려운 판정은 전이 구간이었다고 보고한다. 수면 시작 직전 마지막 각성 에폭, N1 다음 첫 N2 에폭, N2 다음 첫 R 에폭이다. N2와 N3를 가르는 일은 특히 어렵다고 지적되었다. 다시 말해, 불일치는 경계에 모여 있다 — 단계 비율이 바로 그 경계로 만들어진다.
그 숫자가 손목에 도달한 경로
당신의 손목 기기는 위의 어느 것도 하지 않는다. 두피에 전극이 없고, 눈꼬리에 유도선이 없고, 턱 아래에 센서가 없다. 있는 것은 움직임, 맥박, 그리고 실험실이라면 무엇이라고 적었을지를 추측하도록 훈련된 모델이다.
그 추측은 공학으로서 진짜 인상적이며, 어떤 질문에서는 다른 질문보다 훨씬 잘한다. 2023년 JMIR mHealth and uHealth의 다기관 검증은 소비자용 수면 트래커 11종을 실험실 수면다원검사와 맞붙였다 — 참가자 75명, 판독된 349,114 에폭. 4분류(각성·얕은·깊은·REM)에서 기기별 macro F1은 아래로는 0.26, 위로는 0.69였다. REM 최고 점수는 0.76 부근, 깊은 수면 최고 점수는 0.59 부근이었다.
그 범위를 다시 읽어 보라. 기기 사이의 산포가 바로 결과이기 때문이다. 어떤 30초에 붙는 라벨이 어느 회사가 알고리즘을 썼는지에 이토록 좌우된다면, "깊은 수면을 48분 했다"는 절반은 제품에 대한 문장이다. 이 문제의 일반형은 웨어러블이 측정할 수 있는 것과 없는 것에서, 개별형은 하나의 숫자를 넘어선 수면에서 다뤘다.
이 이야기가 실제로 증명하는 것
그렇다고 수면 구조가 허구가 되는 것은 아니다. 생리학에서 비교적 단단한 대상이다. REM과 서파 수면은 뇌 활동, 근긴장, 호르몬의 날씨가 서로 다른 구별 가능한 상태다 — 그래서 깊은 수면과 성장호르몬에 대해 글 하나를 쓸 수 있었다.
역사가 허락하지 않는 것은 하룻밤의 비율을 개인 성적으로 읽는 일이다. 그 막대들을 느슨하게 쥐어야 할 이유가 셋 있다.
비율은 나이와 함께 저절로 움직인다. Ohayon과 동료들은 2004년에 65편의 연구와 5세부터 102세까지 건강한 3,577명을 모았다. 서파 수면은 성인기를 통해 꾸준히 줄고, 얕은 단계가 밤의 더 많은 부분을 차지하며, REM의 비중은 더 완만하게 내려간다. 5년 전보다 깊은 수면이 적다는 것은 습관에 대한 판결이 아니라 그저 생일 때문일 수 있다.
측정은 각 단계마다 오차를 안고 있다. 위원회가 30초를 골랐다. 숙련된 판독자들이 경계에서 어긋난다. 당신의 기기는 그 경계를 움직임과 맥박에서 추론한다. 세 겹의 근사치가 쌓이고, 마지막 하나만 소수점 한 자리까지 깔끔한 백분율로 표시된다.
결과 연구가 기대는 것은 다른 쪽이다. 큰 연구들이 수면을 노화 방식과 연결할 때 가장 큰 무게를 지는 변수는 단계 비율이 아니라 대개 길이와 규칙성이다 — 수면 규칙성과 수면 시간에서 살펴본 그대로다. 그리고 그 둘은 손목 기기가 비교적 잘 측정하는 두 가지이기도 하다. 믿을 수 있는 숫자와 중요한 숫자가 마침 같은 숫자인 것이다.
결론
휴대폰의 계단은 어떤 우연의 후손이다. 돈 없는 대학원생, 아무도 원하지 않던 장비, 잠든 여덟 살, 그리고 15년 뒤 두 실험실을 비교 가능하게 만들어야 했던 위원회. 실제 역사와 알려진 오차를 가진 좋은 추상이다. 다만 하룻밤의 성적표로 설계된 적은 한 번도 없다.
그래서 이번 주에 해 볼 것은 하나다. 단계 막대를 엄지로 가리고 두 숫자만 본다. 몇 시에 누웠는지, 그리고 얼마나 잤는지. 어젯밤의 REM 비율이 아니라 그 둘이 얼마나 촘촘히 모이는지로 그 주를 평가한다. 그다음 단계 그래프는 일요일에 한 번, 추세로만 본다 — 밑에 놓인 측정이 실제로 감당하는 해상도는 대략 그 정도다. 그리고 어떤 숫자가 당신이 분명히 느끼는 것과 어긋난다면, 시험대에 오른 쪽은 숫자다. 숫자는 환상을 교정하는 데 쓰는 것이지, 경험을 대체하는 데 쓰는 것이 아니다.
Aserinsky는 기기를 믿는 대신 아들을 보러 갔다. 75년이 지나도 그것이 여전히 옳은 한 수다.
