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5남매로 자란 어머니에겐 재미난 기억이 많습니다. 그중 하나는 ‘괴짜’ 외삼촌 도어시가 어머니에게 했던 과학 실험입니다. 어머니가 여덟 살일 때 도어시는 매일 밤 어머니가 잠든 뒤 침대 밑에 에드가 앨런 포의 “갈가마귀(The Raven)”를 틀어놓았습니다. 그는 어머니가 자신도 모르게 이 시를 외울 수 있을지 보고 싶었던 것입니다. 하지만 어머니는 테이프의 시작 부분에 잠을 깨곤 했고, 그래서 시의 시작 부분만을 외우게 되었습니다.

도어시의 ‘수면 중 학습’ 실험은 실패로 끝났지만, 이 아이디어가 완전히 틀린 것은 아니라는 사실이 밝혀지고 있습니다. 최면학습(hypnopaedia)으로도 알려진 이 개념 자체는 사실이 아닌 것으로 밝혀졌지만, 최근 뇌과학자들은 소리와 같은 신호를 사용해 수면 중에 기억이 강화되는 현상을 발견하고 있습니다.

초기 연구자들은 도어시 삼촌과 같은 실수를 저질렀습니다. 그들은 올더스 헉슬리의 “멋진 신세계”에 나오는 것처럼 수면 중에도 새로운 내용을 배울 수 있을 것이라 생각했습니다. 그들은 수면 상태가 최면 상태와 비슷할 것으로 가정했는데, 이 가정이 잘못됐습니다. 1920년대 연구자들은 지원자가 잠을 자는 동안 새로운 정보가 담긴 테이프 레코더를 틀어줌으로써 이 내용을 배울 수 있다고 믿었고, 발명가들은 이 장치를 사람들에게 팔았습니다. 천재 소년을 주인공으로 한 만화 시리즈 “덱스터의 실험실” 중 ‘빅 치즈’ 에피소드에서 그가 자는 동안 프랑스어를 배우기 위해 만든 요상한 기계와 별반 다르지 않았죠.

1950년대에 이르러 연구자들은 소위 최면학습 현상이 수면 중 학습 때문이 아니라는 사실을 알게 되었습니다. 사실 그 기기들은 자는 사람을 깨웠습니다. 이는 당시 신기술이었던 뇌파(EEG) 검사를 통해 밝혀졌습니다. 곧, 수면 중에 무언가를 학습한 것이 아니라 잠에서 깨어난 뒤 배운 것임이 드러났죠. 그러나 50년이 지난 오늘날 우리는 이와는 다른 방식으로 수면 중 기억 강화가 가능하다는 것을 알게 되었습니다.

2007년 뤼벡 대학의 뇌과학자 비요른 라쉬는 앞서 학습한 내용과 연관된 냄새가 수면 중에 뇌를 자극할 수 있음을 발표했습니다. 이들은 실험 참가자들에게 일종의 기억 게임에서처럼 격자 위에 존재하는 물체의 위치를 기억하게 하고 이 과정에서 장미 향을 맡게 하였습니다. 참가자들은 학습이 끝난 후 실험실에서 잠을 자야 했고, 이들이 깊은 수면 상태로 들어갔을 때 연구원들은 이들에게 장미 향을 맡게 했습니다. 잠에서 깨어난 이들은 수면 중에 장미 향을 맡지 않은 이들보다 물체의 위치를 훨씬 잘 기억했습니다. 이 현상은 학습 중에 장미 향을 맡고, 다시 깊은 수면 상태에서 장미 향을 맡은 이들에게만 나타났습니다. 학습 중에만 장미 향을 맡은 이들, 혹은 REM 수면 상태에서만 장미 향을 맡은 이들의 성적은 변화가 없었습니다.

이는 사실 믿기 힘든 결과입니다. 정말 우리는 학습 과정에 냄새를 연관시킨 후 수면 중에 뇌가 이 기억을 강화하도록 만들 수 있을까요? 잇단 후속 연구에서도 이 효과는 확인되었고, 심지어 냄새가 아닌 소리로도 기억이 강화된다는 사실이 밝혀졌습니다.

내가 일하는 노스웨스턴대학의 팰러(Paller) 인지뇌과학 연구소에서는 하나의 소리를 하나의 물체에 대응시키고 각각의 기억을 강화하는 실험으로 여러 편의 논문을 발표했습니다. 예를 들어 고양이는 왼쪽 아래에 있고 주전자는 오른쪽 위에 있다고 해봅시다. 고양이의 위치를 기억할 때에는 야옹 하는 고양이 울음소리를 들려주며, 주전자 위치를 기억할 때에는 주전자 안의 물이 끓는 소리를 들려줍니다. 이후 잠이 들었을 때 고양이 울음소리를 들은 사람들은 주전자의 위치보다 고양이의 위치를 더 잘 기억했습니다. 곧, 처음에는 같은 정도로 학습이 이루어지지만, 수면 중에 들은 고양이 소리가 고양이에 대한 기억을 강화한 것입니다. 이러한 선택적 기억 강화는 “목표 기억 재활성화(targeted memory reactivation, TMR)”라 불립니다.

이런 이름이 붙은 이유는 고양이 소리와 같은 신호가 앞서 학습한 기억을 재활성화한다고 생각하기 때문입니다. 우리는 이런 수면 중 자극이 뇌세포의 연결을 강화시켜 더 기억을 잘 하게 되는 것이라 생각합니다. MIT의 다니엘 벤더와 매튜 윌슨은 이를 정확히 실험으로 보였습니다.

이제 뇌과학자들은 TMR을 이용한 다양한 실험을 시도하고 있습니다. 최근 우리 그룹에서는 비디오게임 기타 히어로를 이용한 실험을 진행했습니다. 지금은 프린스턴대학교의 박사후연구원인 제임스 앤터니는 실험 참가자들에게 기타 히어로의 두 곡을 연습시켰습니다. 이는 네 개의 음을 기호가 떨어지는 타이밍에 맞춰 곡으로 연주하는 게임입니다. 두 곡을 같은 시간 연습한 뒤 그는 참가자들이 낮잠을 자는 동안 한 곡을 들려주었습니다. 잠에서 깨어난 이들은 자는 동안 들었던 곡을 더 잘 연주했습니다. 이 실험은 우리가 자는 동안 음악을 듣는 것만으로 새로운 노래를 배우거나 악기 연주 실력을 키울 수 있다는 뜻입니다!

점점 더 많은 관련 연구가 진행되고 있지만, 아직 우리는 TMR의 한계를 아직 알지 못합니다. 2017년 우리 실험실의 박사후연구원이었던 로라 배터링크는 REM 수면 상태에서 이루어진 TMR이 오후 낮잠 상태에서 이루어진 TMR보다 효과가 더 좋다는 것을 발견했습니다. 이 연구는 REM 수면과 기억 강화가 관련이 있음을 의미합니다.

아직 우리가 알지 못하는 사실들이 있습니다. TMR로 외국어(문법)를 배울 수 있을까요? 혹은 외국어 단어 암기에는 도움이 될까요? 이 방법이 노인들의 기억력 감퇴를 막아줄 수 있을까요? 특정 기억을 수면 중에 강화하는 것이 다른 기억을 더 쉽게 잊도록 하는 것은 아닐까요?

나는 개인적으로 자극에 의해 재활성화된 기억이 처음 기억과 어떤 차이가 있는지에 관심이 있습니다. 지금 나는 재활성화가 전체 기억의 세부 사항을 다 강화하는지 아니면 기억의 핵심만을 강화하고 세부사항은 무시하는지를 연구하고 있습니다. 아니면 TMR은 이와 연관된 모든 기억을 강화하는 대신 연관되지 않은 다른 기억을 약하게 만들지도 모릅니다.

우리에게는 몇 가지 단서가 있고, 이제 이런 질문들에 답할 수 있는 새로운 프로젝트를 시작할 계획입니다. 물론 우리는 수면에 대해 이제 겨우 이해하기 시작했을 뿐입니다. 우리가 삶의 삼분의 일을 보내는 이 활동에 대해 우리는 여전히 답보다 질문을 더 많이 가지고 있습니다. 어쩌면 괴짜 삼촌 도어시는 시대를 앞서간 것일지도 모르겠군요.

(AEON)

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