마이어-오버톤 가설

20세기 초, 한스 호스트 마이어(Hans Horst Meyer)와 찰스 어니스트 오버톤(Charles Ernest Overton)은 독립적인 연구를 통해 ‘지질(오일) : 기체 분배 계수’는 직접적인 선형 관계가 있음을 발견했다

지질 용해도가 높은 기체는 신경세포막에 침투하여 신경 전달 신호를 억제함으로써 마취 효과를 가져온다는 것이다

질소 – 지질 용해도가 0.067

아르곤 – 지질 용해도가 0.140 (질소보다 2.3배 강하다)

임계 부피 가설

마이어-오버톤 가설을 확장한 밀러(Miller) 등의 연구에서는 임계 부피 가설(Critical Volume Hypothesis)를 제시했다

이는 마취 기체가 소수성(hydrophobic) 지질 영역에 용해되어 세포막을 팽창시킬 때 신경 전달이 차단된다는 이론이다

(소수성 = 물과 잘 섞이지 않고 밀어내는 성질)

이 연구에 따르면, 세포막의 소수성 부피가 약 0.4%이상 팽창하면 마취가 발생한다

이 팽창은 신경세포막의 신경 흥분을 억제하는 역할을 하는 이온 채널(GABA 수용체 등)의 구조적 변형을 유발하여 신경 발화(Firing)을 억제, 결과적으로 의식 수준을 저하시킨다

(신경 발화 = 뇌세포가 켜지고 꺼지는 것)

산소는 지질 용해도가 약 0.11로 질소보다 두배 가까이 높다, 즉 마이어-오버톤 가설을 적용한다면 산소는 질소보다 2배 더 강력한 마취제여야 한다

그러나 산소의 분압을 높이더라도 실제 다이빙에서는 마취 증상이 보이지 않으며 CNS 산소 중독만이 관리해야 될 대상이다

산소가 대사 과정(Metabolism)을 통해서 소비되므로 마취에 기여하지 않는다는 이론

불활성 기체는 혈액 내에 용해되어 조직으로 확산된 후 축적되어 포화 상태에 도달한다

반면, 산소는 혈류를 타고 조직에 도달하는 즉시 미토콘드리아에 의해 소비되어 ATP 생성(세포가 에너지를 얻는 과정)에 사용된다

테크니컬 다이빙에서는 사용하는 훨씬 높은 산소의 분압(1.2~1.6Bar)은 신체의 대사 요구량을 초과한다. 이 경우 헤모글로빈은 완전히 포화되고, 세포 내 산소 분압은 급격히 상승하여 마이어-오버톤 효과를 유발할 수 있는 수준으로 도달할 수 있다

GUE와 일부 생리학자들, 누노 고메즈(Nuno Gomes)같은 대심도 기네스 레코더들은 이런 이론들을 옹호했다

최근 정략적 뇌파(qEEG)연구는 산소 마취성 논쟁에 새로운 과학적 데이터를 제공하고 있다

브리이다그(Vrijdag)의 연구에 따르면, 6Bar 공기를 호흡할 때 EEG의 기능적 연결성이 증가했다. 이는 알코올이나 진정제 투여 시 나타나는 상태와 유사하며 Euphoria와 판단력의 저하로 나타난다

2.8Bar의 100% 산소를 호흡하는 실험에서, 질소 마취에서 나타나는 진정 및 동기화 현상은 관찰되지 않았다. 이는 산소가 질소와 같은 방식의 마취를 유발하지 않음을 시사한다

헬륨은 현존하는 기체 중 가장 낮은 지질 용해도(0.015)를 가진다, 이는 질소의 1/4 수준이다

마이어-오버톤 가설에 따르면 헬륨도 이론적으로 마취를 유발해야 하지만, 실제로 수심 600m 이상의 압력에서도 헬륨에 의한 마취 증산은 보고되지 않았다

헬륨 분자 크기가 매우 작아 세포막의 지질 이중층에 용해되더라도 막을 팽창시키지 못하는 것으로 해석된다

헬륨의 사용하면 질소 마취 효과는 사라지지만 고압 신경 증후군(HPNS)라는 새로운 문제가 발생한다

150m 이상에서 압력은 신경세포막을 물리적으로 압축시킨다. NDMA 수용체와 같은 흥분성 시냅스 전달을 강화하고 GABA수용체의 억제 기능을 감소 시켜서 중추신경계의 과흥분을 유발한다

세포막을 팽창시키는 질소 마취와는 정반대 작용이다

적절한 END(질소)를 맞춘 기체가 세포막 압축을 완화하여 HPNS 증상을 억제하는 치료제 역할을 한다

최근 BASC와 DAN은 기체 밀도가 5.2g/L을 초과하면 WOB를 증가시켜 이산화탄소의 저류 위험이 급증한다고 발표했다

산소는 마취제가 아니라 과흥분제이다

HPNS를 예방하기 위한 기체밀도 5.2g/L 이하의 유지는 바람직하다

CNS 산소 독성을 피하면서도 HPNS를 예방하기 위한 적절한 비율의 질소 역시 필수적이다