수면의 과학: 잠든 몸이 보내는 신호

1995년, 이탈리아 밀라노. 심장내과 전문의 에밀리오 바놀리(Emilio Vanoli)와 연구팀은 수면 실험실에서 밤을 새우고 있었다. 피험자들의 가슴에는 심전도 센서가 붙어 있었고, 뇌파를 측정하는 전극이 머리에 연결되어 있었다. 연구팀은 밤새 두 가지 데이터를 동시에 지켜봤다. 뇌파로 수면 단계를 파악하고, 심전도로 HRV를 측정했다.

결과는 흥미로웠다. 수면은 단일한 상태가 아니었다. 뇌파가 바뀔 때마다 심장의 리듬도 함께 바뀌었다. 깊은 수면에 빠지면 HRV가 치솟았다. 꿈을 꾸는 REM 수면에서는 HRV가 뚝 떨어졌다. 마치 깨어 있을 때처럼.

바놀리는 논문을 발표했다. 제목은 "특정 수면 단계에서의 심박변이도". Circulation에 실린 이 연구는 수면 중 자율신경계가 어떻게 작동하는지를 처음으로 밝힌 연구 중 하나였다.

우리는 잠을 "쉬는 시간"이라고 생각한다. 하지만 몸 안에서는 치열한 일이 벌어지고 있다. 수면 단계마다 자율신경계가 다른 모드로 전환되고, 그에 따라 심장 박동의 리듬이 바뀐다. HRV는 그 변화를 숫자로 보여준다.

오늘 밤 당신이 잠드는 순간, 몸 안에서는 무슨 일이 벌어질까?

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밤의 4막 드라마

수면은 90분 주기로 반복되는 드라마다. 하룻밤에 4-6번의 사이클을 돌면서 각 단계를 오간다. 각 단계마다 자율신경계의 주도권이 바뀐다.

1막: 얕은 수면 (N1, N2)

잠이 들기 시작한다. 의식이 희미해지고, 근육이 이완된다. 아직 완전히 잠든 건 아니다. 작은 소리에도 깬다. 이 단계에서 HRV는 서서히 오르기 시작한다. 교감신경이 슬금슬금 물러나고, 부교감신경이 무대 위로 올라온다.

전체 수면의 약 50%가 이 단계다. 생각보다 길다.

2막: 깊은 수면 (N3, 서파 수면)

진짜 회복이 일어나는 시간이다. 뇌파가 느려지고, 심박수가 떨어지고, 혈압이 안정된다. 성장호르몬이 쏟아져 나온다. 근육이 수리되고, 면역 시스템이 강화된다. 기억이 장기 저장소로 옮겨진다.

이 단계에서 HRV가 최고점에 도달한다. 부교감신경이 완전히 장악한 상태. 바놀리의 연구에 따르면, 깊은 수면 중 LF/HF 비율(교감/부교감 균형 지표)이 깨어 있을 때의 1/3 수준으로 떨어진다. 몸이 완전히 "회복 모드"로 들어갔다는 증거다.

문제는 이 단계가 밤의 전반부에 집중된다는 것이다. 자정 전후에 가장 많다. 늦게 자면 이 황금 시간을 놓친다.

3막: REM 수면

꿈을 꾸는 시간이다. 눈이 빠르게 움직이고(Rapid Eye Movement), 뇌는 거의 깨어 있을 때만큼 활발하게 돌아간다. 감정이 처리되고, 창의적 연결이 만들어진다. 학습한 내용이 통합된다.

놀라운 건, HRV가 뚝 떨어진다는 것이다. 교감신경이 다시 활성화된다. 심박수가 불규칙해지고, 혈압이 올랐다 내렸다 한다. 바놀리의 연구에서 REM 수면 중 LF/HF 비율은 깨어 있을 때와 비슷했다.

왜 그럴까? REM 수면 중에는 근육이 마비되지만(꿈을 실제로 행동하지 않도록), 자율신경계는 활발하게 작동한다. 꿈에서 쫓기거나 싸우면, 실제로 심장이 빨라지고 땀이 난다. 뇌가 시뮬레이션을 돌리는 동안 몸도 반응하는 것이다.

REM 수면은 밤의 후반부에 집중된다. 새벽 4-6시 사이. 일찍 일어나면 이 단계를 놓친다.

4막: 새벽 2시의 절정

수면 연구자 폴 스타인(Paul Stein)과 푸(Pu)의 2012년 연구에 따르면, 부교감신경 활성이 가장 높은 시간은 새벽 2시경이다. 이때 HRV가 하루 중 최고점에 도달한다.

이 시간에 깨어 있으면? 황금 회복 시간을 날리는 것이다.

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8시간을 자도 피곤한 이유

"분명 8시간 잤는데, 왜 이렇게 피곤하지?"

많은 사람들이 이 의문을 품는다. 숫자로는 충분히 잤다. 그런데 몸은 안 그렇다고 한다.

HRV 데이터를 보면 답이 보인다.

수면의 양 vs 수면의 질

2014년, 프랑스 연구팀이 36명의 건강한 청년을 대상으로 실험을 했다. 안정 시 HRV를 측정하고, 1주일간 수면 일지를 작성하게 했다. 결과가 명확했다.

• RMSSD(부교감 활성 지표)와 수면 효율의 상관계수: r = 0.44 (p = 0.007)
• pNN50(심박 변동 비율)와 수면 효율의 상관계수: r = 0.50 (p = 0.002)

연령, 성별, 심리적 상태를 다 보정한 후에도 이 관계가 유지됐다. HRV가 높은 사람이 수면 효율도 높았다.

반대로도 성립한다. 수면의 질이 나쁘면 다음 날 HRV가 떨어진다.

2025년 발표된 14일간 관찰 연구에서도 비슷한 결과가 나왔다. 41명의 건강한 성인을 2주간 추적했다. RMSSD가 높은 날, 참가자들은 "잘 잤다", "피로가 덜하다", "스트레스가 적다"고 보고했다.

수면 분절의 문제

밤중에 자주 깨는 것도 문제다. 깨어 있는 시간이 짧아서 기억 못 할 수도 있다. 하지만 몸은 기억한다.

수면이 분절되면 깊은 수면(N3)에 충분히 도달하지 못한다. 막 깊이 빠져들려는데 깨버리면, 다시 1단계부터 시작해야 한다. HRV가 올라가려는 순간 떨어지고, 또 올라가려는 순간 떨어지고. 롤러코스터를 탄다.

결과적으로 8시간을 누워 있어도, 실제 회복은 4시간밖에 안 된 것과 같은 효과다.

야간 HRV와 주간 HRV의 비율

정상적으로는 야간 HRV가 주간의 1.5-2배 정도 된다. 잠을 자면서 회복하기 때문이다.

그런데 이 비율이 1.3배도 안 되면? 회복이 불충분하다는 신호다. 번아웃 연구에서 이 패턴을 보이는 사람의 78%가 고위험군이거나 이미 임상 번아웃 상태였다.

"충분히 잤는데 피곤하다"고 느낀다면, 야간 HRV를 확인해보자. 주간 대비 얼마나 높은지. 그 비율이 답을 줄 수 있다.

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불면증, HRV로 읽을 수 있을까

2024년, 호주 연구팀이 흥미로운 실험을 발표했다. 불면증 환자, 불면증+수면무호흡 동반 환자, 건강한 대조군을 비교한 것이다. 측정한 건 "잠드는 순간"의 HRV였다.

결과가 명확했다.

불면증 환자들은 잠드는 순간에도 교감신경이 활성화되어 있었다. 몸이 "이제 잘 시간이야"라는 신호를 제대로 받지 못하는 것이다.

연령, 성별, BMI를 다 보정한 후에도 이 차이가 유지됐다. 불면증 자체가 독립적으로 수면 시작 시 HRV에 영향을 미친다는 뜻이다.

취침 전 HRV로 불면증을 예측할 수 있을까?

2025년 핀란드에서 발표된 연구가 있다. 국가대표급 운동선수들의 취침 전 HRV를 측정해서 만성 불면증을 예측할 수 있는지 봤다.

놀라운 결과가 나왔다. 이진 로지스틱 회귀 모델의 정확도가 96%였다. 일반인 대상 연구에서 60-71%였던 것에 비하면 현저히 높다.

낮은 취침 전 HRV가 만성 불면증의 강력한 예측 인자였다. 며칠 연속으로 취침 전 HRV가 낮으면, 앞으로 수면 문제가 생길 가능성이 높다는 것이다.

불면증이라고 다 HRV가 낮은 건 아니다

여기서 중요한 점을 짚어야 한다. 메타분석을 보면 불면증과 HRV의 관계가 "일관되게 입증되지는 않았다"는 결론이 나온다.

2022년 다코스타(Da Costa) 연구팀이 17개 연구, 921명의 데이터를 종합했다. 풀링된 효과 크기는 0.19로 작았고, p = 0.075로 통계적 유의성 경계선에 걸렸다.

왜 그럴까?

불면증에도 종류가 있다. 잠드는 게 어려운 사람(onset insomnia), 중간에 자주 깨는 사람(maintenance insomnia), 너무 일찍 깨는 사람. 원인도 다양하다. 스트레스, 잘못된 수면 습관, 수면 무호흡, 카페인, 약물 부작용.

모든 불면증이 HRV 저하로 나타나지는 않는다. 하지만 만성적이고 심한 불면증은 대체로 HRV 패턴에 흔적을 남긴다. 특히 잠드는 순간의 HRV 저하는 비교적 일관되게 관찰된다.

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수면 무호흡, 숨겨진 위협

코골이가 심한 편인가? 아침에 일어나면 입이 바싹 마르고 두통이 있는가? 낮에 졸음이 밀려오는가?

수면 무호흡일 수 있다.

수면 무호흡은 자는 동안 기도가 막혀서 호흡이 멈추는 질환이다. 보통 10초 이상 호흡이 멈추면 "무호흡 이벤트"로 카운트한다. 시간당 5회 이상이면 수면 무호흡으로 진단한다. 30회 이상이면 중증이다.

문제는 본인이 모른다는 것이다. 잠든 상태에서 벌어지니까.

수면 무호흡과 HRV

무호흡 이벤트가 발생할 때마다, 몸에서는 이런 일이 벌어진다.

1. 산소 포화도가 급격히 떨어진다.
2. 뇌가 "위험!"을 감지하고 교감신경을 확 켠다.
3. 심박수가 급증한다.
4. 미세하게 각성(arousal)이 일어나서 기도가 다시 열린다.
5. 호흡이 재개되고, 잠시 안정됐다가 다시 무호흡이 발생한다.

이 사이클이 밤새 수십 번, 심하면 수백 번 반복된다. 매번 교감신경이 급격히 활성화되고, HRV가 요동친다.

2025년 발표된 COMISA(불면증 + 수면무호흡 동반) 연구에 따르면, 수면 무호흡 환자와 COMISA 환자 모두에서 야간 HRV 패턴이 심하게 교란되어 있었다. 특히 불면증이 동반되면 수면 중 평균 심박수가 유의하게 높아졌다.

HRV 데이터로 수면 무호흡을 진단할 수 있을까?

직접 진단하기는 어렵다. 수면 무호흡 확진은 수면다원검사(PSG)가 필요하다.

하지만 HRV 패턴에서 힌트를 얻을 수는 있다. 다음 중 여러 개에 해당하면 전문가 상담을 권한다.

• 수면 중 HRV가 매우 불규칙하다 (날마다 편차가 크다)
• 야간 HRV가 주간보다 오히려 낮거나 비슷하다
• 수면 시간은 충분한데 아침 HRV가 계속 낮다
• 심한 코골이, 아침 두통, 낮 졸음이 동반된다

오우라 링이나 애플워치의 수면 데이터를 가지고 수면 클리닉을 방문해보자. 의사에게 좋은 참고 자료가 된다.

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수면 부족이 쌓이면

하루 잠을 적게 자는 건 괜찮다. 다음 날 잘 자면 회복된다.

문제는 이틀, 사흘 연속될 때다.

수면 부족에는 "빚(debt)" 개념이 있다. 하루 2시간씩 모자라면, 일주일이면 14시간의 빚이 쌓인다. 이 빚은 "주말에 몰아 자면 된다"고 생각하는데, HRV 데이터는 그게 그렇게 간단하지 않다는 걸 보여준다.

연속 수면 부족의 HRV 패턴

• 첫째 날: 아침 HRV가 5-10% 감소. 괜찮아 보인다.
• 둘째 날: 추가로 10% 감소. 피로가 느껴진다.
• 셋째 날: 기준선 대비 20-30% 감소. 확실히 힘들다.

그리고 회복은 쌓인 것만큼 빠르지 않다. 3일 연속 수면 부족 후 하루 푹 자도, HRV가 기준선으로 돌아오는 데 2-3일이 더 걸린다.

소셜 제트래그의 함정

주중에 6시에 일어나다가 주말에 10시에 일어나면, 몸에게는 4시간 시차가 생긴 것과 같다. 월요일이 힘든 건 "월요병"이 아니라, 주말에 수면 시간을 밀었기 때문이다.

일관된 수면 시간이 중요한 이유다. 매일 비슷한 시간에 자고 일어나면, 몸의 생체 시계가 안정되고, HRV도 안정된다.

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진짜 숙면을 위한 프로토콜

이론은 됐다. 실용적인 이야기로 넘어가자.

취침 전 2시간: 준비 단계

수면은 스위치처럼 켜지는 게 아니다. 착륙이다. 비행기가 착륙하듯, 서서히 고도를 낮춰야 한다.

취침 2시간 전부터 조명을 낮춘다. 스마트폰과 노트북의 블루라이트를 줄인다. 아이폰이라면 Night Shift, 안드로이드라면 Night Light. 가능하면 아예 화면을 보지 않는 게 좋다.

격렬한 운동은 취침 3시간 전에 끝낸다. 운동 직후에는 교감신경이 활성화되어 있어서 바로 잠들기 어렵다.

카페인은 취침 8시간 전에 마지막 잔을 마신다. 카페인의 반감기가 5-7시간이다. 오후 2시에 마신 커피가 밤 10시에도 절반이 남아 있다.

야식은 취침 3시간 전까지만. 특히 기름진 음식, 매운 음식은 소화 부담을 주고 체온을 올려서 깊은 수면을 방해한다.

알코올은 가급적 피한다. 잠드는 건 빨라질 수 있지만, 깊은 수면과 REM 수면이 심하게 방해받는다. 알코올에 대해서는 별도의 글에서 자세히 다뤘다.

취침 전 30분: 착륙 단계

이제 본격적으로 착륙한다.

침대에 앉거나 누운 상태에서 5분간 느린 호흡을 한다. 5초 들이쉬고, 5초 내쉰다. 분당 6회 호흡. 이 속도가 HRV를 가장 많이 올리는 "공진 주파수"다.

HRV가 낮은 날이라면, 취침 전 호흡 세션을 10분으로 늘려보자. 연구에 따르면, 취침 전 HRV를 안정시키는 것이 수면의 질 개선에 도움이 된다.

마음이 복잡하면, 간단히 내일 할 일을 메모장에 적어둔다. "뇌 비우기(brain dump)"라고 부르는 방법이다. 걱정을 종이에 옮겨두면, 뇌가 "OK, 이건 저장했으니 잊어도 돼"라고 인식한다.

침실 환경

온도는 18-22도가 적합하다. 우리 몸은 잠들 때 체온이 1도 정도 떨어져야 깊은 수면으로 들어간다. 더우면 깊은 수면이 줄어든다.

암막 커튼으로 빛을 완전히 차단한다. 1 lux(희미한 불빛) 정도도 멜라토닌 분비를 방해한다. 알람 시계의 LED 불빛까지 가려야 할 수도 있다.

소음은 차단하거나, 일관된 백색 소음으로 대체한다. 간헐적인 소음(차 지나가는 소리, 문 닫히는 소리)이 수면을 깨는 주범이다.

스마트폰은 침실 밖에 둔다. 그게 어려우면 최소한 팔이 닿지 않는 곳에. 알람이 필요하면 저렴한 알람 시계를 사자.

아침 루틴

일어나자마자 햇빛을 본다. 창문 앞에 서서 10분. 흐린 날이라도 실내보다 훨씬 밝다. 이게 생체 시계를 리셋하고, 밤에 멜라토닌이 제때 분비되게 해준다.

매일 같은 시간에 일어난다. 주말에도. 수면 시간을 늘리고 싶으면 늦게 일어나는 게 아니라 일찍 자는 것이 낫다.

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HRV로 수면 추적하기

요즘 웨어러블 기기들은 수면 중 HRV를 자동으로 측정해준다. 이 데이터를 어떻게 활용할 수 있을까?

기준선 파악

2-3주간 데이터를 모아서 나의 야간 HRV 평균을 파악한다. 이게 기준선이다. 개인차가 크기 때문에 남과 비교하는 건 의미 없다. 어제의 나, 지난주의 나와 비교한다.

패턴 읽기

• 야간 HRV가 기준선보다 10% 이상 낮다? 어젯밤 뭔가 수면을 방해한 게 있다. 알코올, 늦은 식사, 과도한 스트레스, 과훈련.
• 3일 연속 낮다? 회복이 부족하다. 수면 시간을 늘리거나, 스트레스 요인을 점검해야 한다.
• 주말에도 회복 안 된다? 심각하다. 번아웃 경고 신호일 수 있다.

취침 전 측정의 가치

수면 중 HRV는 자동으로 측정되지만, 취침 전 HRV를 따로 체크하는 것도 가치가 있다.

취침 전 5분간 HRV를 측정해서 기준선과 비교해보자. 기준선보다 10% 이상 낮으면, 오늘 밤 수면의 질이 좋지 않을 가능성이 높다. 이럴 때는 취침 전 호흡 세션을 더 길게 하거나, 수면 시간을 더 확보하는 게 좋다.

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수면과 HRV, 닭과 달걀

흥미로운 질문이 있다. HRV가 높아서 잘 자는 걸까, 잘 자서 HRV가 높은 걸까?

연구에 따르면, 둘 다 맞다. 양방향 관계다.

2021년 발표된 만성 스트레스 연구에서 이 관계가 확인됐다. 수면의 질이 나빠지면 다음 날 HRV가 낮아진다. 반대로, HRV가 낮으면 그날 밤 수면 문제가 생길 확률이 높아진다. 만성 스트레스 상황에서 이 악순환이 더욱 강화된다.

좋은 소식은, 어느 쪽을 개선해도 선순환이 시작된다는 것이다.

수면 위생을 개선하면 HRV가 올라간다. HRV 바이오피드백 훈련(호흡 훈련)을 하면 수면의 질이 좋아진다. 2022년 파일럿 연구에서, 4주간 모바일 HRV 바이오피드백 훈련을 한 그룹에서 주관적 수면의 질이 유의하게 개선됐다.

악순환에 빠져 있다면, 어느 한쪽을 깨야 한다. 가장 쉬운 건 수면 위생부터 시작하는 것이다. 취침/기상 시간 고정, 침실 환경 정비, 취침 전 루틴. 이게 자리 잡으면 HRV가 오르고, HRV가 오르면 수면이 더 좋아지는 선순환이 시작된다.

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마지막으로

수면은 단순히 "쉬는 시간"이 아니다. 몸과 뇌가 정비소에 들어가 수리와 업그레이드를 받는 시간이다.

새벽 2시, 당신이 깊은 수면에 빠져 있을 때, 부교감신경은 최대 출력으로 가동된다. 성장호르몬이 쏟아지고, 면역 세포가 순찰을 돌고, 뇌의 노폐물이 청소된다. HRV는 하루 중 최고점에 도달한다.

이 황금 시간을 놓치면, 8시간을 누워 있어도 회복이 안 된다.

오늘 밤, 스마트폰은 침실 밖에 두자. 조명을 낮추고, 5분만 느린 호흡을 해보자. 침실 온도를 확인하고, 같은 시간에 잠자리에 들어보자.

작은 변화들이 쌓이면, 아침이 달라진다. HRV가 올라가고, 피로가 줄고, 하루가 가벼워진다.

내일 아침, 당신의 수면 HRV는 뭐라고 말하고 있을까?

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참고 문헌

수면 단계와 HRV

• Vanoli, E., et al. (1995). Heart Rate Variability During Specific Sleep Stages. Circulation, 91(7), 1918-1922.
• Stein, P.K., & Pu, Y. (2012). Heart rate variability, sleep and sleep disorders. Sleep Medicine Reviews, 16(1), 47-66.

수면의 질과 HRV

• Leti, T., et al. (2014). Heart rate variability predicts sleep efficiency. International Journal of Psychophysiology.
• Associations Between Daily Heart Rate Variability and Self-Reported Wellness. (2025). Sensors, 25(14), 4415.

불면증 연구

• Da Costa, L.O.P., et al. (2022). Heart rate variability in patients with insomnia disorder: a systematic review and meta-analysis. Sleep and Breathing.
• Sweetman, A., et al. (2024). Heart rate variability during sleep onset in patients with insomnia. Sleep Medicine.
• Pre-sleep heart rate variability predicts chronic insomnia. (2025). Frontiers in Physiology.

수면 무호흡

• Heart rate variability analysis in comorbid insomnia and sleep apnea (COMISA). (2025). Scientific Reports.

HRV 바이오피드백과 수면

• Sakakibara, M., et al. (2022). Mobile Heart Rate Variability Biofeedback Improves Autonomic Activation and Subjective Sleep Quality. Frontiers in Neurology.