9세·32세·66세·83세, 뇌는 생애 4번 큰 변화를 이룬다

 인간의 뇌에는 평균적인 수명 중 4가지 중요한 전환점이 존재한다. 그 나이는 9세, 32세, 66세, 83세다.

케임브리지대 연구팀에 따르면 이 나이에 이르면 뇌 속에서 정보를 전달하기 위한 네트워크망인 ‘신경 배선’이 변화한다고 한다. 이를 통해 인생은 5개의 서로 다른 뇌 무대로 나눌 수 있음이 판명됐다.

특히 주목할 만한 것은 전형적인 사춘기 뇌 발달은 평균적으로 30대 초반까지 지속돼 32세가 돼야 성인 뇌의 네트워크 구조가 완성된다는 사실이다.

우리의 뇌 기능은 평생 정적인 것이 아니다. 뇌는 단순히 나이를 먹는 것만이 아니라, 일련의 신경학적인 단계(시대)를 거쳐 진화해 간다.

케임브리지대 연구팀에 따르면, 인간의 뇌 배선 시스템은 매끄럽게 변화하는 것이 아니라 4차례의 극적인 재조합 이벤트를 통해 재편성된다고 한다. 논문 저자인 알렉사 모즐리 박사는 “이 연구가 인간 수명 전체에 걸친 뇌 배선의 주요 단계를 처음으로 특정한 것”이라고 말했다.

이러한 시대 구분을 아는 것은 뇌가 인생의 각각의 단계에서 무엇을 잘하고, 혹은 무엇에 대해 약해지기 쉬운가를 이해하는 중요한 배경이 된다.

연구팀은 영국과 미국의 9개 프로젝트에서 데이터를 모아 0세부터 90세까지 4216명분의 MRI 스캔 이미지를 분석했다.

여기서 사용된 것은 확산 MRI(diffusion MRI)라는 기술이다. 이는 뇌 속에 있는 물 분자가 신경섬유를 따라 이동하는 경로를 추적하는 것으로, 떨어진 영역끼리 연결하는 '백질'이라 불리는 정보의 통로를 밝힐 수 있다.

또 연구팀은 다양체 학습 알고리즘이라고 불리는 계산 수법, 구체적으로는 UMAP를 사용해, 뇌의 네트워크 구조를 나타내는 지표를 3차원의 그림으로 변환했다.

그러자 거기에는 전체 패턴이 크게 방향을 전환하는 뚜렷한 방향 전환이 나타난 것이다. 연구팀은 이를 토폴로지 변곡점이라고 부른다.

토폴로지(topology)란 수학 용어로 위상기하학을 말하는데, 이 모퉁이야말로 뇌의 배선 규칙이 새로운 방법으로 재편성되기 시작하는 연령에 대응하고 있다. 분석 결과, 인생은 5개의 큰 무대로 나뉘는 것으로 나타났다.

·유아기부터 소아기(0~9세)

·사춘기에서 성인 초기(9~32세)

·성인기(32~66세)

·초기노화(66~83세) 　

·후기노화(83~90세)

각각의 단계는 뇌의 구조적인 특징을 반영하고 있어 통합(정보의 공유 효율), 분리(전문화 정도), 중심성(중요 거점의 역할)의 균형이 다르다.

탄생부터 9세 무렵까지 뇌는 풀가동 상태에 있다. 수조 개의 시냅스라고 하는 신경의 이음새가 생존을 걸고 경쟁하는 한편, 정보의 통로인 백질의 회로는 급속히 확대해 간다. 이 시기, 뇌는 가장 활발하게 사용되는 시냅스만 남기고, 사용되지 않는 것은 줄여 간다. 의외로, 떨어진 영역간에 재빠르게 정보를 이동시키는 전체적인 효율은 이 시기에는 저하된다.

연구팀에 따르면 아이의 뇌 구조에서 가장 특징적인 것은 이웃하는 영역끼리 얼마나 서로 연결돼 있느냐는 점에 있다.

이 초기 정리 단계는 부모가 자녀의 행동을 살피는 변화와 일치한다. 집중된 주의와 맹렬한 학습 의욕, 그리고 감정의 진폭의 크기다.

9세 무렵이 되면서 사춘기 호르몬이 분비되기 시작하면 뇌 구조는 첫 번째 급격한 전환을 맞는다. 가까운 영역끼리 뭉치는 것보다, 뇌 전체를 잇는 통합을 강화하는 방향으로 이동해 가는 것이다.

9세부터 32세에 걸쳐, 뇌는 그 배선을 세련시켜 간다. 모즐리 박사에 따르면 뇌는 갑자기 연결의 효율을 높이기 시작한다고 한다. 연결되는 거리가 짧아져 정보가 더 빠르게 전달되게 되는 것이다.

30대 초반까지 이어지는 이 기간은 뇌 전체가 여러 그룹으로 나뉘는 경향이 약화돼 국소 수준의 전문화가 진행되는 동시에 전체적인 통합도 진행되는 것이 특징이다. 쉽게 말해 뇌는 병행 처리 능력과 전문적인 기술을 모두 손에 쥔다는 것이다.

그리고 32세 무렵 이 연구에서 가장 극적인 전환점이 찾아오고 긴 성장기는 절정을 이룬다. 전체적인 효율 향상은 여기서 멈추고 뇌의 구조는 안정되어 어른의 패턴이 정착된다.

사춘기의 시작은 명확하지만 그 끝을 과학적으로 특정하기는 어렵다. 하지만 신경구조로만 보면 사춘기와 같은 변화는 30대 초반쯤에서 끝나는 것으로 나타났다.

어른의 뇌는 더욱 구분화되어 간다. 인지능력의 퍼포먼스는 제자리걸음을 하고 성격적인 특징도 안정된다. 이는 다른 연구에서도 지능이나 기질에서 중년의 평형상태로 관찰되는 현상이다.

30대 초반부터 60대 중반까지 뇌는 가장 길고 평온한 시기를 보낸다. 통합하는 힘은 서서히 줄어들고 각각의 영역이 분리되어 가는 경향이 강해진다.

연구팀에 따르면, 이 시대의 특징은 근처의 영역끼리의 연결이 높아지는 것이라고 한다. 그러나 60대 중반이 되면 이 재편성은 또 다른 변화로 끝을 맺는다. 신경섬유를 덮고 있는 백질이 옅어지기 시작하는 것이다.

네트워크의 모듈성이 증가한다. 즉, 각 영역이 보다 독립된 상태가 되어, 뇌 전체에서의 커뮤니케이션이 줄어 버리는 것이다.

모즐리 박사는 60대 중반에 뇌 네트워크의 완만한 재편성이 최고조에 달한다고 말한다. 이것은 아마도 노화에 관련되어 있으며, 백질이 변성되기 시작함에 따라, 접속성이 더욱 저하해 가는 것일 것이다.

이 단계는 치매나 고혈압 위험이 높아지는 시기와도 일치해 둘 다 뇌 연결성에 손상을 줄 수 있다.

66세경이 되면 뇌의 네트워크 재편성은 다른 변화에 의해 끝을 맞이해 초기 노화 단계로 접어든다. 신경섬유를 덮고 있는 백질이 옅어지기 시작하는 것이다.

이 시기에는 네트워크의 모듈성이 증가한다. 각 영역이 보다 독립된 상태가 되어, 뇌 전체에서의 커뮤니케이션이 줄어 버리는 것이다.

모즐리 박사는 60대 중반에 뇌 네트워크의 완만한 재편성이 최고조에 달한다고 말한다. 이것은 노화에 관련되어 있으며, 백질이 변성되기 시작함에 따라, 접속성이 더욱 저하되어 가는 것일 것이다.

이 단계는 치매나 고혈압 위험이 높아지는 시기와도 일치해 둘 다 뇌 연결성에 손상을 줄 수 있다.

83세가 넘으면 마지막 패턴이 나타난다. 뇌는 정보를 운반하기 위해 극소수의 허브(중추)가 되는 영역에 점점 의존하게 된다.

모즐리 박사는 이 단계에 대해, 접속을 유지하기 위한 자원이 적어지고 있기 때문에, 접속의 허브로서 기능하는 특정한 영역을 이용하는 것에, 보다 의존하게 될 것이 시사되고 있다고 설명하고 있다.

이 마지막 시대에서는 어떤 결절점이 네트워크 안에서 얼마나 중심적인지를 나타내는 지표가 중요해진다. 후두회나 중심후회와 같은 극히 일부의 영역만이 강한 접속성을 유지하고 있는 것이다.

연구의 공저자인 던컨 애슬 교수는 이러한 전환점은 인간이라는 존재에 대한 깊은 사실을 반영한다고 말한다.

우리 중 많은 사람들은 자신의 삶에 몇 가지 단계가 있다고 느끼지만, 뇌 또한 마찬가지로 시대를 거치고 있는 것 같다.

이 연구는 정신질환과 학습장애, 치매 등이 신경 재편성이 이뤄지는 타이밍에 집중돼 발생한다는 생각을 뒷받침하는 것이다.

많은 신경발달증이나 정신질환은 뇌 배선 방식과 연결돼 있다. 뇌의 구조 변화는 일정한 속도로 진행되는 것이 아니라 큰 전환점을 동반하는 것이라고 이해하는 것은 뇌의 배선이 언제, 어떻게 혼란에 대해 취약해지는지를 특정하는 데 도움이 될 것이다.

뇌의 배선

뇌의 배선(Brain Wiring)은 수천억 개의 신경세포(뉴런)가 시냅스라는 연결 고리를 통해 복잡한 그물망을 형성하는 구조를 말합니다. 주요 핵심 요소는 다음과 같습니다.

1. 뉴런과 시냅스: 뇌에는 약 860억 개의 뉴런이 있으며, 각 뉴런은 수천 개의 시냅스를 통해 다른 뉴런과 신호를 주고받습니다. 이 연결망이 우리 성격, 기억, 지능의 기초가 됩니다.
2. 커넥톰 (Connectome): 뇌 속에 있는 모든 신경 연결의 상세한 지도를 '커넥톰'이라고 부릅니다. 현대 과학은 이 지도를 완성하여 뇌 질환 치료와 인공지능 발전에 활용하려 노력하고 있습니다.
3. 신경 가소성 (Neuroplasticity): 뇌의 배선은 고정된 것이 아니라 경험, 학습, 환경에 따라 끊임없이 변합니다. 자주 사용하는 연결은 강화되고, 사용하지 않는 연결은 약해지거나 제거됩니다.
4. 백질과 회백질:
   • 회백질: 뉴런의 본체가 모여 있어 정보 처리가 일어나는 곳입니다.
   • 백질: 뉴런의 긴 줄기(축삭)들이 모인 곳으로, 뇌의 서로 다른 영역을 연결하는 '케이블' 역할을 합니다.

인체 사령탑' 뇌의 비밀 : 구조에서 질환 치료까지

인간의 뇌는 여전히 미지의 영역이다. 아직도 해결되지 않은 문제가 무궁무진하다.
한국뇌학회는 세계 뇌주간을 맞아 오는 14일부터 19일까지 뇌의 신비를 밝히는 다양한 학술행사를 개최한다. 신경과 전문의를 통해 뇌의 부위별 손상에 따른 질환과 뇌질환 치료의 미래에 대해 알아본다.

뇌의 구조와 기능

인간의 뇌는 1~1.4㎏ 정도로 몸무게에 비해 매우 적은 비중을 차지하고 있다. 하지만 뇌가 사용하는 산소 소모량은 인체의 20%에 이를 정도로 엄청난 에너지 대사가 일어나는 곳이다.

뇌에는 신기하게도 뇌척수액이라는 액체 성분의 맑은 물이 있어 뇌를 무겁게 느끼지 않고,뇌 안의 노폐물을 처리해 준다. 또 상대방에게 호감을 느낄 때 신경전달 호르몬인 도파민이 뇌에서 분비된다. 이 도파민은 청춘남녀의 열정적인 사랑과 중년의 바람기와 관계가 있는 것으로 알려지고 있다.

뇌의 측두엽에 있는 해마를 떼어내면 이전의 일은 기억하지만 새로운 것을 기억하는 능력은 잃어버리게 된다. 뇌파에 대한 연구가 진행되면 사람의 마음을 읽어낼 수도 있게 되며 꿈의 세계도 규명될 것으로 기대된다.

뇌는 대뇌,간뇌,뇌간,소뇌 등으로 나눌 수 있다. 대뇌는 인간의 기억,사고,언어,청각,시각 등의 중추이다. 간뇌는 자율신경계,체온,수면을 조절한다. 뇌간은 호흡,심장박동,소화관 운동 등을 조절하며 음식물 삼키기,재채기,침분비 등의 반사중추도 있다. 소뇌는 자세와 균형을 조절하는 중추가 있다. 따라서 술을 많이 먹게 되면 소뇌가 마비돼 자세를 바로잡지 못하고 비틀거리게 된다.

부위별 특성과 질환

뇌가 정보를 받아들이고 기억하고 사고하는 기능은 주로 대뇌피질에서 이루어진다. 대뇌는 크게 전두엽 두정엽 측두엽 후두엽으로 나눌 수 있다.

전두엽은 뇌의 앞쪽에 위치해 상황에 대한 판단과 합리적인 행동을 결정한다. 충동을 억제하는 기능도 가지고 있다. 그래서 전두엽이 손상되면 예절 없이 행동하며,남을 욕하거나 헐뜯는 일이 잦다. 성적인 행동을 참지 못해 부부관계를 지나치게 요구하거나 남 앞에서 옷을 벗고 다니는 현상이 생길 수도 있다.

강박증상과 반복행동을 보이기도 하는데 반복적으로 문단속을 확인하거나,과도하게 계속 씻거나,정해진 물건을 항상 일정한 자리에 놓기도 한다.

전두엽 손상에 따른 대표적인 질환은 전측두엽 치매로 기억장애 없이 성격변화와 이상행동을 보이는 치매다. 그 외에 뇌졸중,뇌종양,외상 등으로 전두엽이 손상 받을 수도 있다.

측두엽은 뇌의 옆 부분에 해당하며 청각,언어,기억과 감정에 관련된 영역을 담당한다. 이 부위가 손상되면 환각이나 기억장애가 나타난다. 특히 좌측 측두엽에 병변이 있으면 말을 알아들을 수 없는 실어증이 나타난다. 우측 측두엽이 손상되면 그림 그리는 일과 같은 공간입체 작업에 지장을 받는다. 대표적인 질환은 노인성치매(알츠하이머병)이며 말이 어눌해지는 진행성비유창성언어상실증도 있다.

두정엽은 말 그대로 머리의 꼭대기에 해당한다. 시공간기능,신체부위의 위치,읽기,계산 등을 주관한다. 눈을 감은 상태에서 물건을 만질 때 이를 인식하지 못하고,신체마비가 없이도 옷을 제대로 입지 못하거나 숙련된 운동을 할 수 없는 현상이 나타난다. 좌측 두정엽 부위가 손상 받으면 계산 장애,글을 쓸 수 없는 실서증,왼쪽과 오른쪽을 구별하지 못하는 '저스트만 증후군'이 나타날 수 있다.

후두엽은 머리의 뒤쪽에 해당하는 부위로 시각중추가 있다. 눈으로부터 들어온 정보는 여기서 모양과 위치,움직임 등이 분석된다. 이 부위가 손상되면 모든 사물을 생소하게 느끼며,쓰여진 단어를 읽지 못하고,색을 인식하지 못하며,친숙한 사람의 얼굴을 알아보지 못하는 현상이 생길 수 있다. 뇌졸중으로 인해 후두엽이 손상을 받는 경우가 흔하다.

뇌질환 치료의 미래

뇌는 생명공학 분야에서 신약개발의 주요 타킷이다. 그래서 뇌를 연구하는 신경과학은 신약개발의 보고라 할 수 있다.

1999년 알츠하이머 백신을 개발한 미국 엘란 제약회사는 360명의 환자를 대상으로 임상 실험을 했다. 하지만 실험에 참가한 17명의 환자에서 치명적인 뇌염이 발생해 연구가 중단됐다. 연구에 참여한 환자 중에 뇌염에 걸리지 않은 환자에서는 임상적으로 좋은 결과를 보였고,뇌염에 걸려 사망한 환자에서도 뇌의 이상이 좋아진 사실이 조직검사를 통해 확인됐다. 앞으로 부작용이 적은 백신이 상용되면 치매의 예방과 치료에 획기적인 전환점이 될 것이다.

뇌혈관이 막히는 뇌졸중은 발병 3시간 이내에 혈전용해제를 투약해야 한다. 그러나 80% 가량의 환자는 치료시간을 놓친 뒤에 병원에 도착한다. 최근에는 3시간이 지난 병원을 방문한 환자를 대상으로 MRI나 CT촬영을 통해 혈전용해제 투여가 가능한 환자를 선별해 투약하는 연구가 한창이다.

전세계적인 과학 프로젝트는 뭐니뭐니 해도 인간 유전자지도 제작사업이다. 인간 유전자의 정확한 위치가 밝혀지면 신경질환을 일으키는 병든 유전자를 찾아내 이를 교정해 주는 '유전자 치료법'이 새롭게 주목을 받게 될 것이다.