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[강석기의 과학카페] 호흡은 어떻게 감정을 조절할까

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2018년 04월 24일 14:30 프린트하기

호흡이 어떻게 감정을 조절할까 -  GIB 제공
호흡이 어떻게 감정을 조절할까 - GIB 제공

호흡명상은 산란한 마음을 한 곳에 집중시키는 것이 특징이며 불안과 긴장을 이완시키는 것이 핵심입니다.

- 장현갑, ‘호흡명상’ 프로그램에서

 

가만히 앉아있다가 천천히 걷기 시작하면 산소 소모량이 세 배로 늘어난다. 만일 호흡량이 빨리 늘어나지 않으면 100m도 못가서 기절할 것이다. 

- 잭 펠드먼 등, 2013년 ‘생리학연간리뷰’에 실은 호흡의 리듬에 관한 논문에서

 

 

지난 가을 어느 날 신문을 보다 반가운 이름을 만났다. 장현갑 영남대 심리학과 명예교수의 인터뷰 기사로 ‘심리학자의 인생 실험실’이라는 책을 낸 게 계기다. 장 교수는 2011년 과학동아 12월호에서 명상의 과학을 특집으로 다룰 때 취재원이자 글 한 편을 맡아 쓰기도 했다. 전화와 이메일로 연락을 주고받았는데 하루는 장 교수가 서울에 올 일이 있다며 시간이 되면 서울역에서 보자고 해서 만났다.

 

장 교수는 우리나라 심리학계에 명상을 소개한 인물이다. 1990년대 미국에서 불교의 명상을 적용한 ‘마음챙김 명상에 기반한 스트레스 감소(MBSR)’ 프로그램을 만들어 명상을 종교 영역에서 심리치료의 영역으로 들여왔다. 장 교수는 이를 한국인에 맞게 변형해 보급했다.

 

점잖은 노(老)교수일 거라는 필자의 상상과는 달리 장 교수는 에너지가 넘쳤다. 패스트푸드점에서 필자와 대화를 나누며 튀긴 닭을 맛있게 먹던 모습이 눈에 선하다. 헤어질 때 장 교수는 필자에게 2007년 제작한 ‘장현갑 박사의 마음챙김 명상’ CD세트를 선물로 줬다. CD 세 장으로 이뤄져 있는데 다양한 명상법을 장 교수가 직접 설명하고 있다. 필자는 이 가운데 CD2에 있는 호흡명상과 CD3에 있는 정좌명상1, 2를 종종 들으며 따라 하고 있는데 특히 호흡명상은 100번도 넘게 들은 것 같다. 따라 하기도 쉬울 뿐 아니라 효과도 꽤 있기 때문이다.

 

장현갑 영남대 심리학과 명예교수 - 동아일보 제공
장현갑 영남대 심리학과 명예교수 - 동아일보 제공

 

 

의식이 개입할 수는 있지만

 

사실 호흡명상뿐 아니라 모든 명상에서 호흡조절은 기본이다. 호흡을 통해 감정을 가다듬고 심신의 균형을 회복하는 게 명상의 작용 메커니즘이라는 말이다. 그런데 이는 호흡의 역할을 과대평가하는 게 아닐까. 호흡이란 우리 몸에 산소를 공급하고 몸에서 만들어진 이산화탄소를 내보내는 작용이니 말이다.

 

이런 관점이 ‘대사적 호흡(metabolic breathing)’으로, 몸이 필요로 하는 산소의 양에 맞춰 산소를 공급하기 위해 호흡 빠르기나 깊이가 바뀐다. 만일 이 일을 제대로 못 하면 이 글 시작 부분의 두 번째 인용문 같은 사태가 벌어진다. 그러나 조금만 생각하면 꼭 대사적 필요에 따라 호흡 속도와 깊이가 정해지는 게 아님을 알 수 있다. 흥분하면 호흡이 빠르고 얕아지고 장미의 향기를 맡으면 호흡이 느리고 깊어진다. 이런 측면은 ‘행동적 호흡(behavioural breathing)’이라고 부른다.

 

GIB 제공
GIB 제공

한편 심장박동과는 달리 호흡은 우리의 의지에 따라 ‘어느 정도’ 통제할 수 있다. 즉 마음 먹기에 따라 한동안 숨을 멈출 수도 있고 가쁘게 숨 쉴 수도 있다. 다만 완전하지는 못하다. 예를 들어 ‘내 의지로 생을 마치겠다’는 생각에 억지로 숨쉬기를 멈춰도 죽기 전에 기절하고, 그 순간 호흡이 재개되기 때문이다. 즉 호흡은 때에 따라 무의식과 의식이 관여하는 독특한 생리현상이다.

 

아무튼 특별히 신경을 쓰지 않는 이상 호흡은 무의식의 통제를 받고 우리 뇌에서 그 역할을 하는 부위는 뇌간(brainstem)의 연수(medulla)다. 뇌간은 포유류뿐 아니라 파충류에도 있는 원시적인(진화적으로 오래된) 뇌 부위로 호흡과 수면, 체온 등 생명유지에 중요한 생리현상을 주관한다. 대뇌나 소뇌가 손상돼도 살 수 있으나 뇌간이 손상되면 바로 죽는다.

 

 

연수에 호흡리듬발생기 있어

 

흥미롭게도 연수에서 들숨과 날숨을 담당하는 영역은 서로 분리돼 있다. 평소 편안한 호흡을 할 때는 들숨을 조절하는 뉴런 네트워크만 활동한다. 즉 이 네크워크가 2초 정도 활동할 때 횡격막이 수축하면서 폐가 팽창해 압력이 떨어져 공기를 들이마시게 된다. 네크워크가 꺼지면 약 3초에 걸쳐 횡격막이 이완되면서 원상태로 돌아간다. 즉 날숨은 뉴런의 개입 없이, 들숨에 따라 자연적으로 이뤄진다. 그 뒤 다시 들숨 뉴런 네트워크가 켜지며 횡격막이 수축하며 2초 정도 숨을 들이쉬고 네트워크가 꺼지면 다시 이완해 3초 동안 숨을 내쉰다. 즉 대략 5초 주기로 들숨과 날숨 세트가 반복된다.

 

그러다 상황이 바뀌어 호흡이 빨라지거나 깊어질 필요가 있으면 날숨 뉴런 네트워크가 켜져 날숨도 능동적인 활동이 된다. 의식적으로 숨을 조절하는 명상 역시 들숨과 날숨 뉴런 네트워크가 모두 켜지는 능동적인 활동이다.

 

1991년 학술지 ‘사이언스’에는 쥐의 연수에서 호흡리듬을 주관하는 영역을 밝힌 논문이 실렸다. 미국 LA 캘리포니아대 잭 펠드먼 교수팀은 연수 배쪽(腹側)에 있는 뉴런 3000여 개로 이뤄진 작은 조직 한 쌍이 들숨에 관여하며 동시에 호흡리듬발생기(breathing rhythm generator)의 핵심이라는 사실을 밝혀냈다.

 

뇌간의 연수는 호흡을 조절하는 부위로 숨뇌라고도 부른다. 연수에서 호흡리듬을 발생키시는 핵심 부위는 전뵈트징어복합체(들숨)와 RTN/pFRG(능동적인 날숨)다. 기본적으로 호흡은 연수의 통제 아래 이뤄지지만 감정과 의지 등을 관장하는 뇌의 다른 부위들도 영향을 미치는 복잡한 활동으로 아직 제대로 이해하지 못하고 있다. - ‘생리학연간리뷰’ 제공
뇌간의 연수는 호흡을 조절하는 부위로 숨뇌라고도 부른다. 연수에서 호흡리듬을 발생키시는 핵심 부위는 전뵈트징어복합체(들숨)와 RTN/pFRG(능동적인 날숨)다. 기본적으로 호흡은 연수의 통제 아래 이뤄지지만 감정과 의지 등을 관장하는 뇌의 다른 부위들도 영향을 미치는 복잡한 활동으로 아직 제대로 이해하지 못하고 있다. - ‘생리학연간리뷰’ 제공

펠드먼 교수는 1978년 연수 말단에 있는 조직에 뵈트징어복합체(Bötzinger complex)라는 이름을 붙여줬는데 이 조직이 그 바로 앞에 있기 때문에 전(前)뵈트징어복합체(pre-Bötzinger complex)라고 명명했다. 참고로 뵈트징어는 독일의 화이트와인용 포도 품종 이름으로 1978년 펠드먼 교수가 독일 허쉬호른에서 열린 학회에 참석했을 때 테이블에 있었다고 한다.

 

그 뒤 연수에서 능동적인 날숨을 주관하는 영역도 밝혀졌다. 즉 전뵈트징어복합체 앞쪽에 있는 RTN/pFRG라는 부분이다. 두 부분이 뇌의 다른 부분들과 신호를 주고받으며 상황에 맞는 호흡리듬을 발생시킨다. 이때 전뵈트징어복합체와 RTN/pFRG도 서로 정보를 주고 받는다. 그러나 단순히 산소를 공급하고 이산화탄소를 배출하는 작용이 호흡의 전부가 아니기 때문에 호흡 전반에 대해 아직까지 제대로 이해하지 못하고 있다.

 

 

한숨 못 쉬는 것도 병

 

호흡이 꼭 몸의 대사를 반영하는 게 아님을 보여주는 대표적인 예가 한숨이다. 한숨은 얕은 숨을 쉬다가 일시적으로 깊은 숨을 쉬는 현상이다. 보통 걱정이 있거나 탈진했을 때 한숨을 쉬지만 위험에서 벗어나 안도할 때도 한숨이 나온다. 그런데 사람만 한숨을 쉬는 게 아니다. 사람은 한 시간에 수차례 한숨을 쉬고 쥐의 경우는 수십 차례 한숨을 쉰다.

 

사실 한숨이 꼭 감정을 동반하는 것도 아니다. 한숨의 생리적 기능으로는 뇌의 기체 교환 효율을 높이는 것이다. 즉 반복된 얕은 호흡으로 찌그러진 채 있는 폐포에 공기를 가득 넣어 다시 펴지게 한다. 즉 폐는 가끔 한숨을 쉼으로써 조직을 재정비해 호흡의 효율은 높이는 것이다.

 

2016년 학술지 ‘네이처’에는 호흡리듬발생기의 핵심인 전뵈트징어복합체와 RTN/pFRG에서 한숨을 조절하는 회로를 발견했다는 연구결과가 실렸다. 여전히 왕성하게 활동하고 있는 잭 펠드먼 교수는 미국 하워드휴즈의학연구소의 연구자들과 함께 생쥐 뇌간의 유전자 발현 패턴을 분석해 한숨이 일어나는 메커니즘을 밝혔다.

 

즉 RTN/pFRG에 있는 두 종류의 뉴런이 한숨을 쉬라는 생리적 또는 감정적인 입력신호를 받으면 신경펩티드를 분비하고, 이를 전뵈트징어복합체의 뉴런이 감지해 호흡리듬을 변화시켜 한숨을 쉬게 되는 것이다. 전뵈트징어복합체에서 한숨에 관여하는 뉴런은 200여 개로 전체 뉴런의 7%다.

 

생쥐의 뇌 단면으로 왼쪽이 앞이다. 뇌간의 연수에 있는 전뵈트징어복합체(preBötC)는 호흡리듬을 발생시켜 신호가 VRG전운동뉴런을 통해 근육에 전달돼 호흡을 하게 되고 그 정보는 청반(LC)으로 전달돼 각성 등 뇌 전반의 활동에 영향을 미치게 된다. - ‘사이언스’ 제공
생쥐의 뇌 단면으로 왼쪽이 앞이다. 뇌간의 연수에 있는 전뵈트징어복합체(preBötC)는 호흡리듬을 발생시켜 신호가 VRG전운동뉴런을 통해 근육에 전달돼 호흡을 하게 되고 그 정보는 청반(LC)으로 전달돼 각성 등 뇌 전반의 활동에 영향을 미치게 된다. - ‘사이언스’ 제공

한숨을 쉴 때는 전뵈트징어복합체의 뉴런의 활동 패턴이 다르다. 즉 들숨 뉴런이 켜졌다가 꺼진 뒤 바로 다시 켜지는 ‘이중 발화(double burst)’가 일어나며 숨을 깊이 들이쉬게 된다. 그 결과 평소보다 두 배나 많은 공기가 폐로 들어온다. 이렇게 꽉 찬 공기를 내보내다 보니 날숨도 길어지고 때로 “후~” 같은 추임새도 동반된다.

 

이 뉴런만 골라 죽이는 약물을 처리하자 생쥐는 평소에는 물론이고 산소부족(공기 중 산소 농도 8%) 상황에서도 한숨을 거의 쉬지 않았다. 그러나 호흡 횟수는 분당 평균 150회에서 230회로 많아진다. 즉 숨이 빨라질 뿐 깊어지지는 않는다는 말이다.

 

연구자들은 사람에서도 한숨을 쉬는 메커니즘이 비슷할 것으로 추정했다. 따라서 슬픔이나 안도 같은 감정 신호가 RTN/pFRG에 전달되는 경로를 찾는다면 ‘행동적 호흡’으로서 한숨이 일어나는 메커니즘을 규명할 수 있을 것이다.

 

한숨 역시 호흡리듬발생기의 핵심인 전뵈트징어복합체와 RTN/pFRG에서 조절된다는 사실이 2016년 밝혀졌다. 한숨조절 회로를 도식화한 것으로 RTN/pFRG에 있는 두 종류의 뉴런이 한숨을 쉬라는 생리적 또는 감정적인 입력신호를 받으면 신경펩티드를 분비하고 이를 전뵈트징어복합체의 세 종류의 뉴런이 감지해 호흡리듬을 변화시켜 한숨을 쉬게 한다. 전뵈트징어복합체에서 한숨에 관여하는 뉴런은 200여 개로 전체 뉴런의 7%다. - ‘네이처’ 제공
한숨 역시 호흡리듬발생기의 핵심인 전뵈트징어복합체와 RTN/pFRG에서 조절된다는 사실이 2016년 밝혀졌다. 한숨조절 회로를 도식화한 것으로 RTN/pFRG에 있는 두 종류의 뉴런이 한숨을 쉬라는 생리적 또는 감정적인 입력신호를 받으면 신경펩티드를 분비하고 이를 전뵈트징어복합체의 세 종류의 뉴런이 감지해 호흡리듬을 변화시켜 한숨을 쉬게 한다. 전뵈트징어복합체에서 한숨에 관여하는 뉴런은 200여 개로 전체 뉴런의 7%다. - ‘네이처’ 제공

 

 

뇌교(pons) 통해 뇌에 영향 미쳐

 

펠드먼 교수와 하워드휴즈의학연구소 공동연구자들은 2017년 ‘사이언스’에 명상이 호흡을 중요시하는 근거가 될 수도 있는 연구결과를 발표했다. 전뵈트징어복합체의 뉴런 일부가 뇌교(pons)에 있는 청반(locus coeruleus)에 호흡에 대한 정보를 보내 각성상태를 유도한다고 설명했다. 뇌교 역시 뇌간에 있는 조직으로 연수 위쪽에 있다.

 

연구자들은 전뵈트징어복합체를 이루는 뉴런의 유전자발현패턴을 분석하다 특이한 현상을 발견했다. 즉 3000여 개 뉴런 가운데 175개 정도에서 Cdh9와 Dbx1라는, 두 유전자의 발현이 유난히 높게 나온 것이다.

 

연구자들은 이들 뉴런이 어떤 특화된 기능을 할지 모른다고 가정하고 최신 유전자 기법을 써서 이들 뉴런을 고장 냈을 때 호흡에 어떤 문제가 생기는지 알아봤다. 얼핏 보기에는 호흡에 이렇다 할 문제가 나타나지 않았지만 면밀히 관찰한 결과 생쥐들이 좀 느리게 호흡을 하고 지나치게 침착하다는 사실을 발견했다.

 

즉 새로운 환경에 두었을 때 정상 생쥐는 시간의 87%를 탐색활동에 보내지만 전뵈트징어복합체의 특정 뉴런이 고장 난 녀석들은 62%에 그쳤다. 반면 털을 고르는 시간은 세 배 더 길었고(10% 대 31%) 가만히 앉아있는 시간도 두 배 더 길었다(3% 대 7%).

 

연구자들은 이런 행동이 청반이 고장 났을 때 보이는 행동과 비슷하다는 점을 간파했다. 청반은 기억과 정서, 주의집중, 각성, 수면주기의 조절에 관여하는 조직으로 뉴런의 축삭이 뇌의 거의 전체에 걸쳐 뻗어있다. 따라서 전뵈트징어복합체의 특정 뉴런이 보내는 들숨의 상태를 알리는 신호가 청반을 통해 뇌의 전반적인 활동에 영향을 줄 가능성이 있다.

 

연구자들은 실험을 통해 두 부분의 네트워크가 실제 존재함을 확인했다. 즉 청반이 받는 신호의 전부는 아니더라도 상당 부분이 전뵈트징어복합체에서 오는 것으로 밝혀졌다. 그리고 청반의 신호도 전뵈트징어복합체의 활동에 영향을 주는 양의 피드백 현상을 보인다. 한편 이 신호에 관여하는 뉴런은 앞서 한숨에 관여하는 뉴런과는 달라 전뵈트징어복합체에 뉴런들이 세분돼 각자 호흡과 관련된 특정한 역할을 맡고 있는 것으로 보인다.

 

사람에서도 이런 회로가 존재하는지는 아직 확인되지 않았지만 연구자들은 그럴 가능성이 높다고 보고 있다. 명상을 하면 마음이 차분해지는 건 호흡을 가다듬어 전뵈트징어복합체의 특정 뉴런이 잠잠해진 결과일지도 모른다. 연구자들도 논문에서 “느리고 조절된 호흡은 수세기 동안 마음을 고요하게 만드는 방법으로 쓰였고 임상적으로도 공황발작 같은 과도한 각성을 억누르는 데 쓰인다”고 언급했다.

 

 

코로 숨을 쉬어야 하는 이유

 

“먼저 조용히 숨을 쉬는 동안 콧구멍에 의식을 집중하십시오.”

 

장현갑 교수의 명상 CD의 핵심은 마음챙김 정좌명상 두 가지다. 먼저 ‘신체 감각 살피기’ 명상으로 명상을 하는 동안 신체 부위를 돌아가며 의식을 집중하는데 가장 먼저 콧구멍을 살핀다. 코는 호흡(들숨)이 시작하는 부위다.

 

GIB 제공
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물론 입으로 숨을 쉴 수도 있지만 코가 막혀있지 않는 이상 코로 숨을 쉬기 마련이다. 이처럼 코를 통한 호흡이 디폴드모드인 것에 대해 “코털에서 이물질이 걸러지고 비강에서 체온에 맞게 온도가 조절된 공기를 폐로 보내기 위해서”라는 생리적 관점의 설명이 있다. 그런데 코를 통한 들숨의 또 다른 기능은 냄새를 맡는 것이다.

 

화학적 감각, 즉 넓은 의미의 후각은 박테리아를 비롯해 모든 생물이 지닌 원초적인 감각이다. 뇌의 전두엽에 있는 후각을 담당하는 후각망울 역시 구피질(paleocortex)로 불리는 원시적인 뇌 영역이다. 사람의 전두엽 대부분은 훗날 진화한 신피질(neocortex)이지만 속에는 구피질인 후각망울이 여전히 건재하다.

 

후각이 다른 감각과 다른 특이한 점은 감각정보가 시상을 거치지 않고 바로 변연계로 들어간다는 점이다. 변연계는 감정과 기억에 관여하는 해마와 편도체가 있는 부위다. 후각이 즉각적인 감정 반응을 불러일으키고 오래돼 까맣게 잊고 있었던 기억도 떠올리게 하는 이유다.

 

학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’ 4월 20일자에는 코로 숨을 쉬면 후각을 통해 호흡리듬이 변연계와 변연계 앞 전전두엽에 전달돼 뉴런네트워크가 동조해 감정을 조절한다는 사실이 밝혀졌다. 변연계 앞 전전두엽은 변연계와 정보를 주고받으며 공포와 불안을 지각하는 영역이다.

 

미국 펜실베이니아 밍홍 마 교수팀은 생쥐를 대상으로 조건화된 공포로 몸이 얼어붙는 반응과 코를 통한 호흡의 관계를 조사했다. 조건화된 공포란 예를 들어 특정 주파수의 소리를 10초 동안 들여준 뒤 전기쇼크를 1초 동안 주는 조건을 반복하면 나중에는 그 소리만 들려줘도 공포반응(이 경우 몸이 굳는다)을 유발하는 현상이다.

 

광유전학 기법으로 후각망울(OB)의 후각감각뉴런을 13헤르츠 주기(굉장히 빠른 호흡에 해당)로 자극해도 변연계앞 전전두피질(pIPFC)은 이에 동조해 진동한다. 호흡 속도 정보가 후각계를 통해 전달됨을 입증하는 실험의 하나다. - ‘네이처 커뮤니케이션스’ 제공
광유전학 기법으로 후각망울(OB)의 후각감각뉴런을 13헤르츠 주기(굉장히 빠른 호흡에 해당)로 자극해도 변연계앞 전전두피질(pIPFC)은 이에 동조해 진동한다. 호흡 속도 정보가 후각계를 통해 전달됨을 입증하는 실험의 하나다. - ‘네이처 커뮤니케이션스’ 제공

흥미롭게도 조건화된 공포로 몸이 얼어붙으면 호흡이 느려지며 4헤르츠 부근에서 안정화된다. 1초에 네 번 숨을 쉬면 꽤 빠른 호흡 같지만 생쥐의 호흡 속도는 2~12헤르츠로 사람의 0.1~0.3헤르츠보다 열 배는 빠르다. 대사율이 높기 때문이다. 호흡이 4헤르츠를 유지하자 후각망울의 신경활동도 4헤르츠의 주기를 보였고 놀랍게도 변연계와 변연계 앞 전전두엽의 뇌파 활동도 4헤르츠로 바뀌며 호흡리듬과 동조하는 것으로 나타났다.

 

그런데 콧구멍을 막아 입으로 숨을 쉬게 하고 조건화된 공포 실험을 하자 쥐는 여전히 4헤르츠로 숨을 쉬었지만 후각망울은 동조하지 않았고 변연계 앞 전전두엽의 동조도 많이 약해졌다. 특히 약물을 처리해 후각망울의 신경을 파괴하자 조건화된 공포 반응으로 몸이 얼어붙는 시간이 훨씬 더 길어졌다. 즉 감정을 제대로 조절하지 못하게 된 것이다.

 

연구자들은 “코는 냄새 분자를 감지하는 것과 별도로 호흡 속도도 감지해 그 정보를 변연계와 변연계 앞 전전두엽에 보낸다”며 “호흡리듬이 뇌의 여러 영역에 걸쳐 신경 활동을 조율하는 데 도움을 주는 것으로 보인다”고 추정했다. 즉 호흡과 코(후각계), 감정/행동이 밀접히 관련돼 있다는 말이다.

 

마음챙김 정좌명상2는 ‘생각과 감정과 함께 하기’로 장 교수도 “수준이 높은 명상”이라고 말할 정도로 추상적이다. CD를 따라 하는 걸로는 어렵고 전문가의 도움을 받아 실시해야 한다는 말이다. 필자는 수년 전 취재로 알게 된 서울의 한 곳에서 잠깐 마음챙김 명상을 배우기는 했는데 집에서 다니기도 멀고 해서 계속하지 못했다.

 

집 근처에 혹시 배울 데가 있는지 알아봤지만 종교(명상)나 미용(요가)의 색채가 짙어 내키지 않았다. 명상에만 오롯이 집중할 수 있는 곳이 생길 때까지는 장 교수의 CD에 계속 의지해야겠다.

 

 

 

※ 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.

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