숨결이 바뀔 때마다 뇌파도 달라진다 [사이언스 브런치]

긴장하고 있는 사람을 보면 깊이 숨을 들이마시고 복식 호흡을 해보라고 말하곤 한다. 복식 호흡은 횡격막의 깊은 수축과 이완을 유도함으로써 스트레스와 긴장 상태에서 나타나는 빠른 베타파를 억제하고 안정되고 편안한 알파파를 끌어내는 방법이다. 그런가 하면 미국 대표 특수부대인 네이비실에서는 전투처럼 극도의 스트레스 상황에서 교감신경계의 과각성을 막기 위해 들이마시고 멈추고 내쉬고 멈추기를 각각 동일한 시간 동안 유지하는 상자 호흡을 추천하기도 한다. 이렇듯 호흡으로 뇌파를 바꾸는 방법들이 많다. 실제 과학적 근거가 있는 것일까.

미국 샌디에이고 캘리포니아대(UCSD) 인지과학과, 데이터 과학 연구소, 신경과학 대학원, 뇌·마음 연구소, 노스웨스턴대 의대 신경과, 신경외과, 워싱턴DC 국립아동병원 신경외과, 조지워싱턴대 의대 신경과, 아이오와대 신경외과 공동 연구팀은 호흡의 리듬과 인지, 감정, 기억에 관여하는 뇌 영역의 신경 활동 형태가 밀접하게 연관돼 있다고 밝혔다. 이 연구 결과는 신경학 분야 국제 학술지 ‘신경과학 저널’ 9월 1일 자에 실렸다.

연구팀은 호흡과 뇌파가 같은 주기로 뛰는지를 넘어 개별 호흡의 미세한 형태가 뇌파의 형태와 일치하는지를 확인하기 위해 3개 병원에서 임상 모니터링을 받고 있는 난치성 뇌전증 환자 16명에게서 입체뇌파(sEEG) 데이터를 수집했다. 환자들은 머리뼈 안에 전극을 삽입하고 있었다.



호흡 신호는 코에 부착한 비강 캐뉼라를 통해 기류 측정과 흉부 및 복부에 두른 호흡 벨트를 통한 흉곽 변위 측정 등 두 가지 방식으로 기록됐다. 기존 주파수 평균화 방식을 벗어나 호흡과 국소장전위 신호 모두에서 흡기와 호기의 파동을 개별 주기 단위로 추출해 각 파동의 상승 시간, 하강 시간, 전체 주기 시간, 호흡 형태 등을 정량화했다.

그 결과 호흡은 비대칭적 형태를 띠며 사람별로 호흡 주기마다 흡기와 호기의 부피와 속도 등이 다르게 나타나는 것을 확인했다. 비강 기류와 호흡 벨트 신호 모두 안와전두피질, 하전두회, 측두엽, 편도체, 해마 등 대뇌피질 및 변연계의 광범위한 영역에서 유의미한 주파수 동기화가 확인됐다. 연구팀에 따르면 가장 핵심 결과는 단순한 주파수 일치를 넘어 매 호흡마다 호흡 파동의 구체적 형태가 뇌 신경 진동 형태와 밀접하게 결합돼 있다는 것이다.

또 코를 통한 비강 기류 신호가 뇌파에 강한 영향을 미치는 것으로 나타났다. 비염이나 축농증 환자들이 코로 숨 쉬지 못해 항상 머리가 무겁게 느껴지는 이유도 이런 부분에서 찾을 수 있다.

호흡 타이밍이 주의력과 기억에 영향을 미칠 수 있다. 사람들은 숨을 내쉴 때보다 숨을 들이마실 때 정보를 접하면 기억력 과제에서 약간 더 나은 성과를 보인다. 호흡 조절은 외상후스트레스장애(PTSD) 증상을 겪는 사람들을 진정시키는 데 도움을 주는 도구로도 활용할 수 있다. 또 신체의 가장 근본적인 리듬 중 하나인 호흡을 통해 뇌전증 환자 돌연사(SUDEP), 영아 돌연사 증후군(SIDS) 등을 더 잘 이해할 수 있을 것으로 기대된다.

연구팀에 따르면 이번 연구는 호흡은 단순한 숫자가 아니라 고유한 형태를 지닌 정보로 뇌는 숨결 하나하나의 세밀한 모양새를 신경 활동에 그대로 투영하고 있음을 과학적으로 증명했다는 점에 의미가 크다.

연구를 이끈 브래들리 보이텍 UCSD 교수는 “이번 연구 결과는 호흡 형태와 신경활동에 따른 뇌파 형태 사이에 놀랍도록 긴밀하고 풍부한 결합이 있다는 것을 보여준다”라며 “호흡과 뇌파의 상관관계가 밝혀진 만큼 우리가 탐구할 수 있는 새로운 선택지가 늘어나게 됐다”고 설명했다.

유용하 과학전문기자