[2] 뇌의 가소성(plasticity, 유연성)에 관한 최근 연구들

» 인형줄 따라 ‘덩실’ 즐거운 인생2막: 실버인형극단에 참여한 노인분들이 함께 모여 인형극 연습을 하고 있다 (한겨레 자료사진, 2008). 인생을 멀리 내다보고 늦은 나이에 배움을 다시 시작하려는 사람들에게 최근 뇌과학 연구는 용기를 북돋아줄 만하다. 비록 어린시절에 비해 그 속도는 느릴지언정, 나이가 들어 '굳은' 어른의 뇌도 환경에 적응하며 끊임없이 변화하고 새로운 정보를 습득해 나간다.

사람들의 수명이 점차 길어지면서 ‘수명 100년 시대’라는 얘기가 나오고 있습니다. 백 살까지 살 수 있다고 가정하면 예순 살 무렵에 직업에서 은퇴하더라도 40년 정도의 여유가 있는 셈이죠. 은퇴 이후의 늘어난 시간을 어떻게 보낼 것인지가 점차 중요한 문제로 떠오르고 있습니다. 어떤 이들은 일찌감치 은퇴를 하고 나서 외국어를 배우거나 악기 연주를 배우는 등 새로운 도전에 나서기도 합니다. 인생을 멀리 내다보고 늦은 나이에 다시 배움을 시작하려는 사람들에게, 어쩌면 최근 뇌과학 연구가 용기를 북돋아 줄 수 있겠습니다.

‘뇌가 말랑말랑한’ 어린시절의 뇌 발달

이전까지 알려진 발달 연구를 잠시 들여다보겠습니다. 나이가 들면 머리가 굳어져서 아직 ‘뇌가 말랑말랑한’ 젊은 시절에 배우는 것만 못하다고들 합니다. 가장 흔히 떠올리는 사례가 외국어 학습입니다. 인간은 태어나서 돌을 지나며 말문이 터지고, 일단 말문이 터지면 놀라운 속도로 단어와 문법과 문장을 빨아들입니다. 아무리 어려운 언어라도 모국어로서 습득할 수 있는 특정 시기가 존재하는 것이죠.

» 어린시절은 뇌 발달에 중요한 '결정적 시기'이다. 출처/ 한겨레 자료사진(2011) 그런 특정 시기는 언어 능력에만 국한되지 않습니다. 가장 잘 알려진 사례 중 하나가 1960년대 하버드대학교에서 휴벨과 위젤이 고양이를 대상으로 한 시각 실험입니다. 갓 태어난 새끼고양이의 한쪽 눈을 꿰맨 뒤 다 자랐을 때 실밥을 풀면, 꿰맸던 쪽의 눈은 약시(amblyopia)가 됩니다. 인간의 경우에도 백내장을 지닌 채 태어난 아이들은 수술을 받더라도 시력이 원상태로 돌아오지 않는 경우가 많습니다. 이런 결과는 특정한 기능이 발달하는 “결정적 시기”가 있다는 생각을 뒷받침해 줍니다. 뇌가 성장하며 신경망을 형성하는 과정에서 주변에서 주어지는 자극이 한몫을 하는 것이죠.

언어나 시각 능력은 어린 시절의 특정 기간에 집중해 발달하는 편이지만, 감정적이고 사회적인 발달은 그보다 훨씬 늦은 시기까지 이어집니다. 2013년 <미국 국립과학아카데미 회보(PNAS)>에 실린 발달신경과학 연구에 따르면, 어린 시절에 고아원에 맡겨져 어머니의 사랑을 받지 못하고 자란 청소년의 경우에는 감정을 담당하는 편도체의 크기가 커지며 예민해집니다. 이뿐 아니라 생각과 판단을 담당하는 전두엽 부위와 편도체 간 연결이 그렇지 않은 청소년과는 다른 형태로 발달한다고 합니다.

<사이언티픽 아메리칸(Scientific American)>에 실린 기사 “어린 시절 트라우마에 노출된 청소년한테서 발견되는 변화된 뇌 반응”도 이런 연구 내용을 뒷받침합니다. 예일대학교의 포텐자 박사는, 어린 시절에 심한 트라우마를 겪은 청소년의 경우에 스트레스 자극이 가해지면 뇌섬엽과 대상피질 및 전두엽이 유난히 강하게 활성화한다고 합니다. 즉 과거에 받은 스트레스 경험이 이후에 성장하는 과정에서 뇌내 신경망이 반응하는 패턴에 영향을 끼친 것입니다. 이런 연구들은 삶의 이른 시기에 겪은 사회적 환경이 아직 ‘말랑말랑한 시절’의 우리 뇌 연결망을 어떻게 바꾸어 놓는지 잘 알려주는 사례입니다.

어른의 굳은 뇌도 얼마든지 유연하게…

그렇다면 이처럼 환경이 뇌 연결망을 바꾸어 놓는 일은 이미 발달이 완전히 끝난 성인에겐 불가능한 것일까요? 물론 가능합니다. 사실 지금 이 순간에도 여러분의 뇌 속에서 일어나고 있는 일입니다. 뭔가 새로운 것을 배우거나 연습을 할 때 말이죠. <이언(Aeon)>에 실린 기사 “내 뇌를 어린 시절처럼 유연하게 만들 수 있을까”를 보면, 뉴런과 뉴런 간 연결고리, 즉 시냅스는 주변에서 주어지는 자극에 끊임없이 반응하여 생겨났다 사라진다고 합니다. 어른의 뇌도 예외가 아닙니다. 어린이나 청소년에 비해 느린 속도이기는 하지만요. 비록 발달을 마쳤더라도, 상황에 따라 우리 뇌는 얼마든지 유연하게 변모할 수 있습니다. 이것을 일컬어 “뇌의 가소성(brain plasticity, 유연성)”이라고 합니다.

비록 성인의 뇌가 완전히 ‘굳지’는 않았더라도, 어린 시절에 그러했듯이 외국어나 악기 연주 등을 빠르게 배울 수는 없는 걸까요? 어쩌면 가능할지도 모르겠습니다.

지난 2013년, 킹스칼리지 런던 대학에서 ‘정동 장애(mood disorder)’를 연구하는 헨슈와 영 박사는 간질 발작과 양극성 장애의 치료제로 사용되는 발프로에이트(valproate)라는 약물이 그런 효과를 낼 수 있다고 말했습니다. 발프로에이트는 히스톤-탈아세틸효소(histone-deacetylase, HDAC) 억제제에 속하는 약물입니다. 이 약물을 다 자란 쥐에게 투여하면 성장기에 형성되어 평생 지속되는 지각적 선호(perceptual preference)를 뒤집을 수 있다고 합니다. 이 점에 착안하여, 연구팀은 인간의 경우에도 발프로이트가 비슷한 효과를 불러일으키는지 알아보기로 했습니다.

연구팀이 주목한 것은 청각, 즉 특정한 음색을 정확히 지각하는 능력이었습니다. 흔히 절대음감이 발달하는 시기는 네 살에서 여섯 살 사이로 성인기를 지나 절대음감을 획득했다는 보고는 아직 없습니다. 이들은 24명의 남자 참여자를 두 집단으로 나누어 한 집단엔 위약, 다른 집단엔 발프로에이트를 15일 동안 투여한 다음에 마지막 날 10분짜리 음감 트레이닝 영상을 보도록 했습니다. 놀랍게도 발프로에이트를 투여받은 집단이 유의미하게 뛰어난 학습 효과를 보여주었습니다. “(이 약물이) 그간 고정된 상태였던 뇌의 학습 능력을 향상시키는 데 어느 정도 관계가 있는 듯합니다”라고 영 박사는 말합니다만, 다른 연구들에서 충분한 수의 비슷한 결과가 재현되기 전까지는 속단하기 어렵습니다.

비록 조심스럽게 접근할 필요가 있더라도, 이미 닫혀 버린 ‘결정적 시기’를 성인의 뇌에 어느 정도 비슷하게 재현할 수 있다는 건 놀라운 일입니다. 그렇다면 노화나 사고로 인해 손상된 뇌 부위를 원래대로 되돌리는 것도 가능하지 않을까요? 위에서 설명했듯 성인의 뇌는 우리가 흔히 생각하는 것보다는 더 유연합니다. 뇌졸중이나 뇌진탕을 겪은 환자가 꾸준한 재활 훈련을 통해 회복되는 것도 뇌의 가소성 덕분입니다. 여기서 핵심적 역할을 하는 것은 수초(myelin)라고 하는, 뉴런을 감싸고 있는 지방질 조직입니다. 수초는 뉴런의 신호가 빠르게 전달되도록 도움으로써 원활하고 정교한 동작을 가능케 합니다.

2014년 10월 <사이언스(Science)>에 실린 운동기술 학습 연구를 주도했던, 유니버시티칼리지 런던 대학의 윌리엄 리차드슨 교수는 “10~15년 전만 하더라도 뇌가 한번 형성되고 나면 끝이라고 생각했죠. 특정한 수의 뉴런을 가지고 태어나 죽을 때까지 평생 그걸 쓴다고 믿었던 겁니다. 수초도 역시, 발달 초기에 형성된 만큼을 평생 사용한다고 생각했지요.” 하지만 실제론 그렇지 않습니다. 뇌의 핍돌기교세포(oligodendrocytes)는, 적어도 쥐의 경우에 성인이 된 이후까지도 꾸준히 수초를 생성한다는 사실이 밝혀졌습니다. 인간의 경우는 아직 확인된 바 없지만, 쥐에서 발견된 결과를 감안할 때 충분히 연구해볼 만한 주제인 듯합니다.

기억과 관련된 해마의 유연성은 어떨까

개인적으로 저는 우리 뇌 부위 중에서도 해마(hippocampus)가 지니는 가소성이 얼마나 큰지 궁금합니다. 해마는 우리의 장기와 단기 기억을 관장하는 부분으로서 학습 능력과 밀접한 관계가 있는 뇌 부위입니다. 기억과 관련되어 있으니 가소성도 높다고 알려져 있습니다.

» 해마 부위. 출처/ WIkimedia Commons 올해 3월 <인지과학 트렌드 (Trends in Cognitive Neuroscience)>에 실린 오펜닥과 굴드의 연구에 따르면, 경험을 통해 해마에서 새로운 뉴런이 생겨나고 기능을 하는 과정이야말로 우리 뇌가 주변 환경을 예측하고 대응하는 데 필수적이라고 합니다. 올해 8월 <행동과학의 최근 견해(Current Opinion in Behavioral Sciences)>에 실릴 예정인 클레멘슨과 게이지의 논문도 이와 맥을 함께합니다. 쥐를 대상으로 한 실험의 경우, 다양한 장난감이나 미로, 즉 풍부한 공간적 자극이 주어지는 환경을 지속적으로 탐색하는 것이 해마의 부피 증가나 활성화 정도와 관련이 있다고 합니다. 인간의 사례로는 유명한 “런던 택시 운전사” 실험이 있는데, 택시 운전사의 경우에 대조군과 달리 해마의 회백질이 유의미하게 두꺼웠다고 하지요.

이런 기억 능력도 어린 시절의 결정적 시기와 관련이 있는 걸까요? 위에 설명한 영의 연구에 나타난 것처럼, 장기기억과 작업기억을 ‘열고 닫는’ 약물이 있다면 굉장하겠지요. 장기기억이 지식을 습득하고 축적하며 인출하는 데 핵심 역할을 한다면, 일상 생활의 수행과 대처 능력은 작업기억에 의해 많은 영향을 받습니다. 해마의 가소성을 높은 수준으로 유지할 수 있다면 나이가 들어도 높은 수준의 장기기억과 단기기억력을 유지할 수 있을지 모릅니다. 연구해 볼 만한 재미있는 질문입니다.

한편, <이언> 기사의 글쓴이 레베카 보일은 두 가지 점을 지적합니다. 먼저 아무리 뇌가 유연하다고 하더라도, 지속적이고 꾸준한 반복과 연습이 없다면 학습은 원활히 이루어지지 않습니다. 이는 어른이든 어린이든 예외가 아닙니다. 뇌가 높은 가소성을 지녔다 할지라도 사용하지 않으면 소용이 없습니다.

또한 뇌가 유연한 것이 반드시 좋은 것만은 아닙니다. 신경망의 연결이 계속해서 변하기만 한다면 중요한 기능이 안정적으로 작동하기도 어려울 것입니다. 그러한 측면에선 발달 중인 유소년기의 뇌보다 어른의 뇌가 더 유리할 수도 있습니다. 특히 감정적이고 사회적인 발달의 경우에 그러합니다. 풋풋한 청춘시절이라 불리는 10대와 20대를 돌이켜 보라고 주문했을 때, 의외로 돌아가고 싶지 않다는 반응이 나오는 것도 어쩌면 그 때문이겠지요.

비록 어린 시절에 비하면 그 속도는 느릴지언정, 뇌는 환경에 적응하며 끊임없이 변화하고 새로운 정보를 습득해 나갑니다. 특히 기억을 담당하는 부위인 해마의 경우 경험에 많은 영향을 받습니다. 그러니, 나이가 들어서 ‘굳어지는’ 뇌란 그저 통념이 낳은 발상일지 모릅니다. 중요한 것은 계속 배우기 위한 의지와, 배우는 과정에서 필연적으로 뒤따르는 귀찮은 반복을 감내하는 마음가짐이 아닐까요. 은퇴 후에 주어지는 30년 혹은 40년은, 느리더라도 꾸준히 배움을 지속해 나가 무언가 이룰 수 있을 만큼 긴 시간이라는 점에서 또다른 축복일지도 모르는 것입니다.◑

참고 자료

사이언티픽 아메리칸: Altered Neural Responses Found in Adolescents Exposed to Trauma in Childhood

http://www.scientificamerican.com/article/altered-neural-responses-found-in-adolescents-exposed-to-trauma-in-childhood/

이언: Can I make my brain as plastic as a child’s

http://aeon.co/magazine/psychology/can-i-make-my-brain-as-plastic-as-a-childs/

Clemenson, G. D., Deng, W., & Gage, F. H. (2015). Environmental enrichment and neurogenesis: from mice to humans. Current Opinion in Behavioral Sciences, 4, 56-62.

Gee, D. G., Gabard-Durnam, L. J., Flannery, J., Goff, B., Humphreys, K. L., Telzer, E. H., ... & Tottenham, N. (2013). Early developmental emergence of human amygdala?prefrontal connectivity after maternal deprivation. Proceedings of the National Academy of Sciences, 110(39), 15638-15643.　

Gervain, J., Vines, B. W., Chen, L. M., Seo, R. J., Hensch, T. K., Werker, J. F., & Young, A. H. (2013). Valproate reopens critical-period learning of absolute pitch. Frontiers in systems neuroscience, 7.

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3848041/pdf/fnsys-07-00102.pdf

McKenzie, I. A., Ohayon, D., Li, H., de Faria, J. P., Emery, B., Tohyama, K., & Richardson, W. D. (2014). Motor skill learning requires active central myelination. Science, 346(6207), 318-322.

Opendak, M., & Gould, E. (2015). Adult neurogenesis: a substrate for experience-dependent change. Trends in cognitive sciences, 19(3), 151-161.

김서경 미국 일리노이대학 인지신경과학 박사과정  

@한겨레 과학웹진 사이언스온  

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