뇌는 일생에 걸쳐 끊임없이 변한다
뇌가 고정되어 있지도, 무한히 변하지도 않는 이유
신경가소성에 관한 진짜 지식을 알려주는 한 권의 책
처음, 한 권으로, 과학적으로 만나는 ‘신경가소성’ 개론서. 60년 전의 신경과학자들은 성체의 뇌는 호박 속의 파리 화석처럼 고정되어 있어 절대로 변할 수 없다고 생각했다. 오늘날 우리는 우리의 뇌와 신경체계가 일생에 걸쳐 변한다는 사실을 안다. ‘신경가소성’이라고 불리는 이 개념은 자기계발에 대한 대중의 열망에 불을 지폈고, 효과를 알 수 없는 ‘두뇌 훈련’ 게임과 앱을 개발, 판매하는 인터넷 기업가들에게 영감을 불어넣기도 했다. 신경생물학자이자 과학 작가 모헤브 코스탄디가 쓴 이 책은 비전문가를 위해 전문적인 주제의 핵심 지식을 원리에 기초해 설명하는 〈MIT Essential Knowledge〉 시리즈 중 한 권으로, ‘신경은 어떻게 뻗어나가고, 어떻게 회선을 정리할까? 어떤 종류의 자극이 뇌 재배선에 영향을 끼칠까? 신경 손상과 장애는 어떤 가능성을 만들어낼까? 생애 주기에 따라 신경이 변하는 방식은 어떻게 달라질까? 과학자들은 어떤 실험을 통해 신경가소성에 관한 지식을 알아냈을까?’ 등 신경가소성이라는 개념이 오남용되고 있는 시대에 중심을 잡기 위한 중요한 질문들에 답한다. 독자는 이 책을 통해 더 깊이 있는 독서를 위한 토대를 마련하고, 신경가소성과 관련한 넘쳐나는 정보와 그로 인한 오해를 스스로 판단할 수 있을 것이다.
책 속에서
신경가소성이란 신경계가 변화하는 여러 가지 방식을 포괄적으로 일컫는 말이다. 신경가소성이라는 용어는 신경과학자들이 폭넓고 다양한 현상을 두루 설명하기 위해 가져다 쓸 뿐 명확히 정의되지 않았다. 일반적으로 사람들은 신경가소성이라는 개념을 제대로 알지 못한 채 그것이 무엇이고 무엇을 할 수 있는지를 오해하고 있다. _6~7쪽
신경가소성은 분자 활동과 개별 세포 기능이라는 가장 낮은 수준에서부터, 신경세포 집단과 넓게 확산된 신경망이라는 중간 단계를 거쳐 뇌 차원의 시스템과 행동이라는 가장 고차원적인 수준까지 신경계 조직의 모든 단계에서 다양한 형태로 발휘된다. 신경가소성은 평생에 걸쳐 지속적으로 나타나기도 하고 특정 시기에만 일어나기도 하며, 여러 유형이 동시에 또는 별개로 유도될 수 있다. _19쪽
인간의 뇌는 860억~1000억 개의 뉴런, 그보다 훨씬 많은 수의 신경아교세포, 그리고 1000조 개의 정교하고 정확한 시냅스 연결이 존재하는 대단히 복잡한 기관이다. 신경계가 제대로 기능하려면 이 연결 전체가 올바로 구성되어 있어야 한다. 그런데 이처럼 복잡한 기관이 어떻게 발달하는 것일까? 신경계는 소위 잉여 전략을 진화시켰다. 다시 말해 뇌는 처음 발달할 때 실제 필요한 것보다 훨씬 많은 신경세포를 생산한 다음 나중에 다수를 죽인다. 살아남은 세포들도 일단 시냅스 연결을 과도하게 형성한 이후, 잘못된 것들이나 그냥 두면 무성해질 것들을 가지치기한다. 이 과정은 기본적으로 유전에 지배되지만, 출생 초기에 신경 회로가 놓여질 때 이를 미세하게 조정하는 환경 및 경험에 크게 좌우된다. _37쪽
과학자들은 주로 카할의 연구 덕분에 소위 뉴런주의neuron doctrine를 받아들였다. 뉴런주의는 뉴런이라는 특수한 세포가 뇌와 척수의 구조적?기능적 단위라고 주장한다. 카할을 비롯한 과학자들은 인간과 동물의 신경계가 발생하는 과정, 그리고 신경계가 발달하면서 뉴런이 거치는 다양한 단계, 즉 세포 분열에 의해 새로 생성된 딸세포들이 제자리를 찾아 이동한 다음 신경섬유를 키우고 확장해 마침내 뉴런 간의 정확한 시냅스 연결이 형성되는 과정을 기술했다. 이들은 성인의 뇌에서 미성숙한 뉴런을 보지 못했으므로 뇌의 구조는 출생 직후에 완전히 고정된다는 결론을 내렸다. _71쪽
우리가 신경줄기세포 생물학을 완전히 이해하기까지는 아직 멀었고, 과학자들이 치료법을 개발하는 데에도 기술적으로 큰 어려움이 있다. 어떤 종류의 줄기세포가 이식에 적합한가? 부상이나 질병 유형에 따라 적합한 줄기세포의 종류가 다른가? 이식할 때 최적의 세포 수는 얼마인가? 어떻게 하면 이식된 세포가 오래 살아남아 조직에 통합되고 신경 기능을 회복하게 도울 수 있을까?
이런 어려움 때문에 줄기세포에 기반하여 이루어지는 신경 질환 및 손상 치료는 아직 그 잠재력을 다 발휘할 수 없다. 그리고 사실 지금까지 시행된 모든 임상시험이 실패로 돌아갔다. 그럼에도 불구하고 대중이 희망적인 가능성을 인지하게 되면서 부도덕한 장사꾼들이 절실한 환자에게 승인되지 않은 (그리고 아마도 위험성이 높은) 치료제를 판매하게 되었고, 관련 규제가 엄격하지 않은 국가에서는 줄기세포 투어가 급증하게 되었다. _80쪽
상업적으로 판매하는 뇌 훈련 상품들과 달리 언어 학습은 확실한 전이효과를 나타내며 평생 2개 국어를 사용하는 것에 이점이 있다는 증거가 나오고 있다. 2개 국어를 사용할 때는 추론, 과제 전환, 문제 해결과 같은 소위 실행 기능을 훈련하는 여러 과제 중에서도 두 언어 사이의 전환 및 올바른 어휘 선택이 필요하다. 더 나아가 제2언어를 학습하는 것은 명백히 신경 보호 효과도 있다. 이는 ‘인지 저장고’(뇌 손상에 맞서는 정신적 방어를 뜻하는 다소 모호한 용어)를 늘림으로써 노년에 알츠하이머 및 기타 신경 퇴행성 질병의 위험을 감소시킬 수 있다. _85쪽
현 데이터에 따르면 한 영역에서 전문성을 획득하기 위해서는 적어도 매일 4시간씩 약 10년의 훈련이 필요하다. 놀랍게도 머릿속에서 동작을 그려보는 운동 연상으로도 특정 기술의 학습과 실행을 향상시킬 수 있다는 설득력 있는 증거가 있다. 이렇게 상상으로 동작을 그려보는 것도 실제로 실행하는 것과 동일한 효과를 주며, 그저 머릿속에서 동작을 수행하는 것만으로도 뇌에서 같은 종류의 가소적 변화를 이끌어낼 수 있다. _90쪽
뇌졸중 후 회복은 근본적으로 이 새로운 신경 경로를 통해 움직임을 제어하는 법을 배우는 과정이다. 새로운 경로는 손상된 원래의 것보다 덜 효율적이지만, 재활은 경로 강화를 돕고 잃어버린 기능의 회복을 촉진할 수 있다. 뇌졸중 이후 몇 달간은 집중적인 물리치료가 필요한데, 여기에는 새로운 운동 경로를 강화하기 위해 해당 팔다리를 반복적으로 움직이는 운동이 포함된다. _99쪽
나이가 들면서 생기는 노인반 침전은 상대적으로 무해한 편이지만, 소수에게는 노화를 가속시켜 병을 일으킨다. 그러나 노화의 영향력에 전혀 휘둘리지 않는 것처럼 보이는 사람들이 있다. 이 ‘슈퍼에이저Super Ager’들은 기억력 테스트에서 청년들을 능가한다. 사망 직후에 이들을 같은 나이의 건강한 대조군과 비교했더니, 뇌의 어떤 구역에서 노인반의 밀도는 낮고 대뇌겉질은 더 두꺼웠다.
이러한 차이는 유전, 환경, 인생 경험의 조합에서 비롯된다. 예를 들어 슈퍼에이저들은 알츠하이머 위험을 증가시키는 유전 변이의 빈도가 낮다. 또한 운동, 다이어트, 제2언어 및 악기 배우기 등과 같은 활동과 생활양식 역시 알츠하이머 및 다른 형태의 치매를 예방할 것이라는 증거가 늘어나고 있다. _126쪽
이와 같은 메커니즘의 다양성 때문에 신경과학자들은 여전히 신경가소성을 완벽하게 정의하지 못하고 따라서 일반적인 이론도 아직 세워지지 않았다. 그래서 여전히 많은 질문이 남아 있다. 예를 들어, 서로 다른 형태의 가소적 변화들이 사실은 밑바탕에서 어떤 공통된 메커니즘으로 연결되어 있는 것은 아닐까? 따라서 특정 경험이 여러 단계의 조직화를 거쳐 서로 연관된 변화들을 유도하는 것은 아닐까? 또는 특정 타입의 가소성이 다른 것과 관계없이 독립적으로 일어나는 상황이 있을까? 이런 질문들은 대답하기 어려운데 왜냐하면 과학자들은 실험동물의 뇌에서 세포 차원의 변화를 조사하기 위해 현미경을 사용하고 인간을 대상으로 대규모의 구조적 변화를 시각화하기 위해 뇌 영상 기법을 사용하긴 하지만 (지금까지는) 뇌가 조직되는 여러 단계에서 일어나는 변화를 동시에 분석할 수는 없기 때문이다. 신경과학자들이 최종적으로 희망하는 것은 분자 수준의 사건과 행동 및 사고 과정 사이에 다리를 놓아 이들이 서로 어떻게 연관되어 있는지 이해하는 것이다. _133~134쪽
들어가는 말
1장 서론
2장 감각 치환
3장 발생 가소성
4장 시냅스가소성
5장 성인의 신경 발생
6장 뇌 훈련
7장 신경 손상과 뇌 손상
8장 중독과 통증
9장 삶의 단계별 뇌의 변화
10장 결론
해제
용어설명
주
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찾아보기
과학 작가. 신경생물학자. 〈네이처〉 〈뉴사이언티스트〉 〈사이언스〉 〈사이언티픽 아메리칸〉 등 여러 과학전문지에 기고하고 있다. 〈가디언〉에서 블로그 ‘신경철학Neurophilosophy’을 운영하고 있으며, 이 블로그는 영국 심리학회에서 뽑은 ‘가장 영향력 있는 신경과학&심리학 블로그’에 선정되기도 했다. 지은 책으로는 《일상적이지만 절대적인 뇌과학지식 50》이 있다. 유니버시티 칼리지 런던에서 신경과학으로 학사와 석사 학위를 받았으며, 킹스턴대학에서 과학교사 자격 인증 석사학위를 받았다. 런던을 기반으로 활동하고 있다.