개의 인지 노화 지표로서의 수면 방대파 연구 (이바일로 이오체프 박사)

[03:49 - 04:33] 이는 제가 보여드릴 연구 결과뿐만 아니라, 인간, 개, 쥐에서 소위 서파(slow) 방대파와 속파(fast) 방대파를 구분하는 특성으로 사용됩니다. 서파 방대파는 13Hz 미만의 주파수를, 속파 방대파는 13Hz 초과의 주파수를 보입니다. 중요한 점은 이것이 주파수 범위를 단순히 반으로 나누는 자의적 구분이 아니라는 것입니다. 이 두 유형은 두피상에서 서로 다른 분포를 나타내며, 예컨대 두부 중앙이나 후두부에 위치한 전극에서 속파 방대파가 주로 감지됩니다. 물론 두 유형 모두 각 전극에서 관찰될 수 있습니다. [04:33 - 04:58] 이제 지난 4년 반 동안 인지 및 노화와 관련해 축적된 연구 성과를 말씀드리겠습니다. 우선 제 동료인 안나 키시(Anna Kis) 박사는 비록 처음부터 수면 방대파 효과 검증에 사용한 것은 아니었지만, 개의 수면 의존적 학습 연구 패러다임을 확립한 핵심 연구자 중 한 명이었습니다. 핵심 아이디어를 설명하자면, '앉아', '엎드려'와 같은 단순 명령어를 이미 안정적으로 수행하는 개들을 대상으로 실험을 진행했습니다. [04:58 - 05:35] 저희 연구실이 부다페스트에 있기 때문에 개들은 이 명령어들에 헝가리어로 반응하도록 훈련되어 있었습니다. 따라서 여러 차례 진행된 학습 실험에서 저희는 개들에게 동일한 의미의 영어 명령어에 반응하도록 가르쳤습니다. 훈련이 끝난 후, 개들을 수면 연구실로 보내 EEG 신호를 수집하기 전과 후에 새로운 과제 수행 능력을 평가했습니다. [05:35 - 06:04] 이러한 설계 덕분에 수면 후 회상 수행 능력뿐만 아니라 수면 전후의 상대적 수행 능력 차이도 확인할 수 있었습니다. 중요한 것은 2017년부터 2020년 사이에 이러한 수면 의존적 학습 측정 항목 각각이 수면 방대파 밀도, 즉 비REM 수면 1분당 관찰되는 수면 방대파 수와 정적 상관관계가 있음을 관찰했다는 점입니다. [06:04 - 06:50] 또한 매우 중요한 사실은 2017년에 이 효과를 처음 관찰했지만, 비침습적 방법을 사용하기에 이 현상의 기저 메커니즘을 직접 확인할 수 없어 확실성을 높이고자 했습니다. 그래서 3개의 유사한 데이터셋이 확보된 2020년에 이 관찰 결과가 재현되는지 확인하고자 했습니다. 중요한 발견은 한 개체의 학습 성과와 수면 방대파 측정값을 평균화했을 때(일부 실험에서는 개체당 여러 번 측정함), 이 상관관계가 관찰될 가능성이 높아질 뿐만 아니라 통계적으로 유의미해질 확률도 높아졌다는 점입니다. [06:50 - 07:08] 따라서 인간과 개 대상 연구에서 흔히 발생하는 소규모 표본으로 인해 정적 상관관계가 단순한 측정 오차에 의한偶然일 수 있다는 우려를 배제할 수 있었으며, 이 관찰 결과의 신뢰성에 확신을 가질 수 있게 되었습니다. [07:08 - 07:47] 수면 방대파 밀도는 동물의 학습 능력과 연관될 뿐만 아니라 연령에 따라서도 변화합니다. 이는 조금 더 복잡한 양상을 보이는데, 인간 연구에서 알려진 '연령 증가에 따른 수면 방대파 밀도 감소'는 중앙 전극에서 기록된 서파 방대파에서만 입증할 수 있었습니다. 반면, 원래는 덜 빈번하게 나타나는 전두엽 전극의 속파 수면 방대파는 개의 연령이 증가함에 따라 오히려 증가하거나, 표본 중 가장 나이 든 개들에서 속파 방대파가 더 많이 관찰되었습니다. [07:47 - 08:03] 이는 개에게 매우 독특한 현상입니다. 인간의 경우 아동기에서 청소년기로 넘어갈 때 속파 방대파 수의 증가가 일어나는 정도만 유사합니다. 전체 연구 결과의 의미에 대해서는 토론에서 다루도록 하겠습니다. [08:03 - 08:32] 약속드린 대로 수면 방대파 주파수를 살펴보겠습니다. 여러 인간 연구에 따르면 발생 횟수나 진폭(이벤트의 크기)과 달리 방대파 주파수는 연령 증가에 따라 증가할 것으로 예상되는 몇 안 되는 특성 중 하나입니다. 즉, 방대파 이벤트의 초당 파형 수가 고령층 인간에서 더 높게 나타났습니다. 그리고 이는 2019년 연구에서 나이 든 개들에게서도 동일하게 관찰된 현상입니다. [08:32 - 09:16] 나이 든 개의 경우 중앙 전극의 속파 방대파가 현저히 높은 주파수를 보였습니다. 1년 후 저희는 최소 3개월 간격을 두고 실시한 두 차례의 측정 사이에 방대파 주파수가 증가한 것이, 역시 최소 3개월 간격으로 테스트한 역전 학습(reversal learning) 과제에서의 반복 오류 증가와 연관되어 있음을 밝혀냈습니다. 이는 중앙 전극에서 기록된 수면 방대파의 서파 및 속파 아유형 모두에서 동일하게 나타났습니다. [09:16 - 09:59] 그렇다면 이러한 연구 결과의 다양한 측면이 개의 인지 노화 지표로서 수면 방대파의 유용성에 어떤 의미를 가질까요? 우선 도입부에서 시간을 아끼기 위해 언급하지 않았지만 수면 방대파 연구의 잠재적 우려사항 중 하나는 인간과 동물의 EEG에 유사한 다른 진동 파형들이 존재한다는 점입니다. 따라서 수면 방대파 발생과 학습 사이의 연관성은 생쥐 대상 광유전학 실험에서 입증된 이른바 시상 방대파(thalamic spindle, 진정한 방대파)에 특화된 정밀한 효과임을 지적하는 것이 매우 중요합니다. 화면 설명 (00:00-10:00): 00:00 - 화면에 개 사진 백그라운드 프레임과 함께 연사가 나타나 발표를 진행함.

00:43 - 슬라이드 상단에 발표 제목 'The sleep spindle as a marker of cognitive aging in dogs' 및 발표자 'Ivaylo Iotchev PhD' 표시됨. 01:15 - 슬라이드에 수면 중인 개 사진과 EEG 파형(원시 신호 A, 필터링 신호 B, 스펙트로그램 C) 그래프가 나타남. 02:05 - 슬라이드에 수면 방대파 관련 학술 문헌 Citation과 시상-신피질 회로 개식도, 전극 배치도 등이 제시됨. 04:34 - 슬라이드에 수면 후 재상환 및 방대파 밀도(spindles/minute) 간의 상관관계 그래프(2017, 2020년 연구 데이터)가 제시됨. 07:08 - 슬라이드에 연령(age in years)과 수면 방대파 밀도(slow vs fast spindles) 간의 상관관계 산점도가 표시됨. 08:05 - 슬라이드에 수면 방대파 주파수(waves/second)와 인지 노화 간의 관계를 보여주는 산점도 그래프 세 개가 배치됨. 09:15 - 요약 슬라이드에 주요 관찰 결과 및 인간 연구 비교 문헌 목록이 제시됨. [10:00] 따라서 인간과 쥐에서 관찰되는 것과 유사한 학습 방대파 연관성을 개에서도 관찰할 수 있었다는 점은 개 모델 연구에 있어서 매우 중요한 검증이었습니다. [10:13] 나아가 최근 수년간 여러 동물군에서 축적된 다른 관찰 결과들과 비교한 개에서의 결과는, 적어도 2000년이나 2005년경 종마다 방대파 주파수가 크게 다를 것이라고 믿었던 대중적인 통념을 서서히 해소해 주고 있습니다. [10:41] 하지만 인지와 노화에 연관되어 인간과 유사하게 나타나는 사건들과 관련하여 개에서 관찰된 모습은 그렇지 않았으며, 인간 방대파의 정의를 따르는 주파수 정의로 이러한 현상들을 포착했습니다. [10:56] 다른 동물 연구들과 종합해 볼 때, 수면 방대파 주파수는 포유류 수면 방대파 전반에서 매우 잘 보존된 특성이라고 결론지을 수 있습니다. [11:09] 그리고 마지막으로, 반전 학습에서의 반복 오류와 방대파 주파수 간의 연관성에 관한 개 연구의 최신 발견 중 하나가 인간 연구에서도 거의 동시에 흥미롭게 발견되었습니다. [11:29] 이는 매우 중요한 의미를 갖는데, 방대파 주파수와 인지 및 노화의 관계는 다소 까다로워서, 젊은 대상자에서는 방대파 주파수가 인지의 여러 측면과 실제로 양의 상관관계를 보이기 때문입니다. [11:43] 인간의 경우 나이가 들면서 방대파 주파수가 증가하고 치매 발병의 좋은 예측 변수가 된다는 점이 확인되었음에도, 방대파 주파수만의 특정한 인지적 상관 변인은 2020년 저희가 개 연구에서 제시하고 과다니 연구진이 인간에서 입증할 때까지 발견되지 않았습니다. [12:04] 방대파 주파수에 대한 이러한 복잡한 양상에 대한 한 가지 가능한 설명은(간단히 말씀드리자면), 다른 신경계에서도 관찰되듯 일종의 보상 효과일 수 있다는 점입니다. 특정 뇌 구조의 세포가 사멸함에 따라 살아남은 세포의 발화 주파수가 증가하여 더 높은 주파수가 관찰될 수 있습니다. [12:28] 그리고 반전 학습 시 발생하는 반복 오류는 이러한 보상 기전으로도 메울 수 없는 종류의 실수로 보이며, 이것이 바로 해당 특정 관찰 지표만이 방대파 주파수와 양의 상관관계를 나타내고 다른 인지적 측면은 그렇지 않은 이유입니다. [12:47] 경청해 주셔서 감사합니다. 이번 연구에 참여해 주신 동료 연구자분들과 모든 반려견 보호자, 그리고 반려견들에게 감사드립니다. [13:00] 혹시 청중 중에 계신 분이 있다면 더욱 감사드리며, 쉬운 실험이 아니고 전극도 매우 끈적거렸을 텐데 함께해 주신 모든 분께 진심으로 감사드립니다. 보시다시피 이 연구를 통해 의미 있는 발견들을 이뤄낼 수 있었습니다. 다시 한번 감사드리며, 제 발표는 여기까지입니다. [13:21] 이바이로 발표자님, 정말 감사합니다. 개의 행동과 뇌 속에서 일어나는 현상 간의 연결 고리를 확인하는 것은 매우 흥미로웠습니다. 정말 감사합니다. [13:36] 질문이 하나 있습니다. 이 특정 뇌 활동 마커와 성별 차이에 대해 알고 계신 점이 있나요? [13:47] 사실 그 부분에 대해서도 연구를 진행했습니다. 오늘 발표에서는 시간과 분량 관계상 빠졌지만, 수면 방대파는 실제로 성적 이형성(성별 차이)을 보이는 뇌파 진동 중 하나입니다. [14:04] 그리고 개와 인간 모두에서 이 점이 직접적으로 입증되었습니다. [14:10] 이것이 인지에 구체적으로 어떤 의미를 갖는지 세부적으로는 아직 확실치 않습니다. 방대파에 차이가 있다는 것은 알고 있습니다. 인간의 경우 지능(수면 의존적 학습이 아닌 순수 지능)과 관련해 여성만이 수면 방대파의 이점을 얻는 것으로 보여 인지와의 연관성이 더 직접적으로 나타납니다. [14:35] 남성은 그렇지 않습니다. 즉, 남성의 지능은 수면 방대파 발현과 독립적인 것으로 보이며, 지능이라는 동일한 구조가 남성과 여성에서 서로 다른 전략을 통해 달성되는 것으로 보입니다. [14:48] 하지만 개에서는 기존에 알려진 수면 방대파의 일반적 발현에 관한 일부 효과만을 재현할 수 있었습니다. 즉, 중성화되지 않은 암컷 개에서 빠른 수면 방대파 밀도, 진폭, 그리고 주파수가 더 높게 나타났습니다.

[15:06] 이는 인간 여성의 월경 주기 중 프로게스테론 수치가 최고조에 달하는 단계에서 방대파 지표가 가장 높아지는 경향과도 일치합니다. 질문하신 내용에 대한 답변은 여기까지입니다. [15:19] 좋습니다! 앞으로 더 많은 연구가 기대되네요. 흥미롭습니다. 아만다 님으로부터 질문이 들어왔습니다: '방대파 주파수에 영향을 주어 인지 능력을 변화시킬 수 있나요?' 훈련을 통한 가능성을 묻는 것 같은데, 답변 부탁드립니다. [15:40] 인간 및 설치류 수면 방대파 연구 문헌에서 시도되어 온 한 가지 방법은, 뇌를 자극하여 수면 방대파 생성을 늘리는 것이었습니다. [15:52] 흥미롭게도, 방대파 주파수와 유사한 주파수로 뇌를 자극할 때 뇌가 이에 반응하는 것으로 나타납니다. [16:01] 이러한 자극은 광유전학적 방식과 전자기적 자극 방식을 통해 수행되어 왔습니다. [16:08] 뇌는 더 많은 방대파를 생성함으로써 반응하며, 이는 결과적으로 쥐의 학습 성공률에 영향을 주는 것으로 나타났습니다. 이 특정 실험은 학습과 연결된 것이 다른 유사한 진동파가 아닌 바로 시상 방대파임을 입증해 주었습니다. [16:31] 질문이 주파수에 관한 것이었으므로 간단히 답하자면 '아직 모른다'입니다. 방금 말씀드린 내용은 수면 방대파의 발생 빈도(발현)에 관한 이야기였습니다. [16:40] 하지만 수면 방대파의 발생을 늘리기 위해서는 인공적 자극이 방대파 자체의 주파수 대역 내에 있어야 한다는 점이 중요한 참고 사항입니다. [16:51] 네. 그럼 마지막 질문에 대해 짧게 답변 부탁드립니다: 진행하신 연구가 종단 연구였나요? 반려견 EEG 측정 시 탈락률이 매우 높았나요? [17:04] 아니요, 종단 연구는 아니... 사실 저희 연구 중 하나는 종단 연구였습니다. 제가 발표한 내용은 지난 4년 반 동안 수행한 여러 연구를 종합한 것입니다. [17:18] 저희가 진행한 하나의 종단 연구는 방대파 내 초당 파동 수인 주파수의 변화와 반전 학습 과제 수행 능력 간의 연관성을 입증한 연구였습니다. [17:33] 따라서 이 효과는 종단 연구를 바탕으로 한 결과입니다. 탈락 사례가 분명히 존재했지만, 그 원인이 보호자와 반려견이 불참해서만은 아니었습니다. 사실 보호자 및 반려견들과 관계가 양호하여 그 점에서는 운이 좋았습니다. [17:50] 하지만 불행히도 분석 전에 일부 데이터 파일이 손상된 것을 발견하는 등 다양한 변수가 발생했습니다. 해당 결과는 최종적으로 유효하게 남은 데이터를 기반으로 도출된 것입니다. [18:12] 네, 이바이로 발표자님 정말 감사드립니다. 화면 설명 (10:00-18:16): 10:00 - 12:48 구간에서는 발표자의 슬라이드 자료(결론, 주요 연구 요약, 연구진 및 참가 반려견들에 대한 감사 인사 표구 등)와 오른쪽 하단의 발표자 모습이 표시됩니다. 13:35 이후 질의응답 구간에서는 강아지 그림 배경 앞에 위치한 발표자(Ivaylo Iotchev)의 카메라 화면이 전면에 나타납니다.

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