커피, 밤에 마시고 ‘말똥말똥’···실제 뇌파로 확인해보니?

늦은 밤, 집중이 필요해 커피 한 잔을 마셨던 날이 있다. 하지만 몇 시간 뒤, 침대에 누워도 쉽게 잠들 수 없었다. 몸은 피곤한데도 머릿속은 계속 깨어 있고, 눈은 말똥말똥해진다. 이런 경험은 누구에게나 익숙하다. 그런데 나이가 들면서는 똑같이 커피를 마셔도 예전만큼 잠이 깨지 않는다는 걸 느끼게 된다. 단순한 체력 차이일까, 아니면 뇌가 정말 다르게 반응하는 걸까.

최근 캐나다 몬트리올대학교 연구팀은 이 질문을 과학적으로 분석했다. 커피에 들어 있는 카페인은 단지 깨어 있을 때뿐 아니라, 잠든 후에도 뇌의 활동에 영향을 주며, 그 효과는 나이에 따라 달라질 수 있다는 사실이 밝혀졌다. 이 연구는 우리가 커피를 대하는 방식을 다시 생각하게 만든다.

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수면 중에도 뇌는 카페인에 반응한다

연구팀은 20세부터 58세 사이의 건강한 성인 40명을 대상으로, 수면 전 카페인을 섭취했을 때 뇌파가 어떻게 달라지는지 조사했다. 참가자들은 두 번의 밤 동안 각각 카페인 캡슐과 위약을 복용하고 수면 상태를 측정받았다. 섭취 시점은 취침 전 3시간과 1시간 전으로, 실제 생활에서 커피를 마시는 시간대와 유사하게 설정됐다. 뇌파 측정과 인공지능 기반 분석 결과, 카페인은 수면 중에도 뇌를 더 각성된 상태로 유지시켰다. 특히 비REM 수면에서 뇌 신호의 복잡성이 증가했고, 회복에 중요한 저주파인 세타파와 알파파는 약화됐으며, 깨어 있을 때 나타나는 베타파는 증가했다. 연구진은 이를 뇌가 질서와 무질서의 중간 지점, 즉 크리티컬리티 상태에 가까워졌다고 설명했다. 이 상태는 낮에는 민첩한 반응을 돕지만, 수면 중에는 회복을 방해할 수 있다.

☕ 카페인이 수면 중 뇌파에 미치는 영향

항목	설명
베타파 증가	수면 중에도 각성과 집중 상태의 빠른 뇌파가 나타남
세타·알파파 감소	깊은 수면과 회복에 필요한 느린 뇌파가 줄어듦
뇌파 복잡성 증가	뇌 활동이 더 불규칙하고 예측 불가능하게 변함
크리티컬리티 상태 증가	뇌가 질서와 무질서 사이의 민감한 균형 상태에 가까워짐
젊은 뇌일수록 민감	아데노신 수용체 밀도가 높아 카페인의 작용 효과가 더 큼
REM 수면 영향	꿈, 감정 조절, 창의성 관련 렘수면에도 변화 발생
수면 회복 효율 저하	기억 정리, 인지 회복, 학습 기능 저하 가능성 있음
개인차 존재	연령, 체질, 수면 패턴에 따라 뇌 반응에 차이 있음

젊은 뇌는 더 민감하게 반응한다

같은 카페인이라도 뇌의 반응은 나이에 따라 달랐다. 20대 참가자들은 중년층보다 훨씬 더 강한 뇌파 변화를 보였고, 특히 감정 조절과 학습에 중요한 렘수면 단계에서 그 차이가 두드러졌다. 연구팀은 이 차이를 아데노신 수용체의 밀도 차이로 설명했다. 카페인은 피로를 유도하는 아데노신이 수용체에 결합하지 못하도록 차단하는 방식으로 각성 효과를 낸다. 그런데 나이가 들면 아데노신 수용체 자체가 줄어든다. 즉, 카페인이 작용할 수 있는 표적이 적어지기 때문에 뇌의 반응도 약해지는 것이다. 기존 뇌영상 연구에서도 이러한 수용체 밀도 감소는 확인된 바 있다. 하지만 이것이 나이든 뇌가 카페인의 영향을 완전히 벗어난다는 뜻은 아니다. 수면 자체가 얕거나 민감한 사람이라면, 적은 양의 카페인도 여전히 수면의 질을 떨어뜨릴 수 있다.

커피 한 잔이 뇌 회복을 방해할 수도 있다

이번 연구는 카페인이 수면 중 뇌의 회복 과정을 실질적으로 방해할 수 있다는 점을 보여준다. 깊은 수면 단계는 기억을 정리하고 감정을 조절하며, 뇌 기능을 재정비하는 시간이다. 하지만 카페인은 이 과정을 교란해 뇌가 제대로 쉬지 못하는 상태를 만든다.

문제는 타이밍이다. 카페인의 반감기(체내에서 농도가 절반으로 줄어드는 데 걸리는 시간)는 평균 5시간으로, 오후 3시에 마신 커피 한 잔도 밤 10시까지 뇌에 영향을 줄 수 있다. 사람에 따라 반감기가 8시간 이상인 경우도 있어, 저녁의 커피는 사실상 수면 중 뇌파까지 간섭할 수 있다.

카페인 하루 권장량은 성인 기준 400mg 이하지만, 체질과 상황에 따라 뇌 반응은 달라진다. 젊은 사람은 수용체 밀도가 높아 더 민감하게 반응하고, 중장년층은 수면 자체가 얕아져 적은 양에도 수면 질이 떨어진다. 불안 장애나 수면장애가 있다면 낮은 용량도 부담이 될 수 있다.

결국 커피는 ‘얼마나’보다 ‘언제’와 ‘누가’가 중요하다. 아침의 커피는 집중력에 도움이 될 수 있지만, 늦은 오후 이후의 섭취는 뇌의 회복 리듬을 방해할 가능성이 있다. 각성 효과만이 아니라 지속 시간과 수면에 끼치는 여파까지 함께 고려할 필요가 있다.

김지윤 기자/ hello@sciencewave.kr

참고 논문: Philipp Thölke et al, Caffeine induces age-dependent increases in brain complexity and criticality during sleep, Communications Biology (2025). DOI: 10.1038/s42003-025-08090-z

자료: Communications Biology / University of Montreal