인간의 뇌: 사고와 학습의 하드웨어

인간의 뇌: 사고와 학습의 하드웨어

이전에는 동물 연구나 뇌 손상 환자들을 대상으로 뇌 연구가 진행되었다면, 최근에 기술의 발달로 일반 인간을 대상으로 많은 상황에서 뇌 구조 및 기능을 연구할 수 있게 되었다. 그 중 하나는 뇌파검사(EEG; electroencephalogram)다.전극을 인간의 머리에 위치시키고 뇌의 전기적 활동 패턴을 기록하는 방법이다. 그 결과 여러 활동(수면상태 vs 깨어 있는 상태)의 뇌파 패턴이 서로 다름을 기록할 수 있었다. 또 다른 기법은 뇌영상기법(neuroimaging technology)으로, 사람들이 어떤 것을 할 때의 뇌의 다양한 부분의 혈류 혹은 대사를 촬영하는 방법이다. 여기엔 뇌 양전자 단층 촬영(positron emission tomography; PET), 컴퓨터 단층 촬영(computerized axial tomography; CAT), 자기공명영상법(Magnetic resonance imaging; MRI), 기능적 자기공명영상법(functional magnetic resonance imaging; fMRI) 등이 포함된다. 일부 신경과학자들은 가장 단순한 활동에서도 둘 이상의 뇌 영역이 함께 활성화됨을 인식함에 따라 기능적 연결성 자기공명영상법(functional connectivity MRI; fcMRI)를 사용하기도 한다. 

 

뇌의 기본 구성 요소: 회백질(gray matter) 및 백질(white matter)

인간의 뇌는 수 조개의 세포로 이루어져 있다. 이 중 1000억개 정도는 갈색, 회색 그 중간 색인 뉴런(신경세포)으로, 집합적으로 회백질이라고도 알려져 있다. 이에 동반되는 몇 조 개의 희끄무리한 뉴런들은 아교세포(glial cell)로, 백질을 구성한다. 

뉴런과 그들간의 연결

뉴런은 신경세포로도 불리며, 메시지를 받고 전달하는 데 특화되어 있는 세포이다. 뉴런은 신체 전반에 위치하고 있지만 대부분은 중앙 신경계(central nerveous system), 즉, 뇌와 척수(spinal cord)에 분포한다. 모든 뉴런은 공통된 특징을 지니는데, 첫째, 각 뉴런은 세포 핵(cell's nucleus)를 포함하는 세포체(cell body)를 가진다. 세포핵은 DNA와 다른 유전적 물질을 포함하고 있다. 모든 뉴런은 또한 나뭇가지같은 구조를 가지는 데 이를 가지돌기(dendrite)라고 한다. 가지돌기는 다른 뉴런으로부터 정보를 전달받는다. 그리고 가장 저명한 특징은 축삭돌기(axon)일 것이다. 축삭돌기는 길고 팔처럼 늘어지게 생겨 다른 뉴런에게 정보를 전달한다. 많은 뉴런들의 축삭돌기는 미엘린초(myelin sheath)라 불리는 하얗고 뚱뚱한 코팅이 되어있는데, 이 초는 여러개의 재킷처럼 분리되어 있다. 

뉴런의 가지돌기가 다른 감각기관에 의해 혹은 하나 이상의 다른 뉴런에 의해 자극되면, 가지돌기는 전기적 자극을 얻게된다. 이 자극이 특정 수준에 도달하면 뉴런은 점화(fire)되고, 전기적 충동을 가지돌기를 통해 전달한다. 만약 축삭돌기가 미엘린초를 가진다면, 이 전기적 충동이 더 빨리 전달될 수 있는데, 그 이유는 미엘린초 사이의 비어있는 부분을 건너 뛰고 다음으로 연결되기 때문이다. 미엘린초가 없는 축삭돌기는 따라서 훨씬 느리다. 어떻든 이후 축삭 돌기 끝의 종말단추(terminal button)에 다다르면 하나 이상의 다른 뉴런에게 이 전기적 메세지를 전달하게 된다. 

뉴런들은 주기적으로 소통하지만, 서로 닿지 않는다. 대신 그들은 시냅스(synapse)라 불리는 작은 틈을 통해 화학적으로 소통한다. 즉, 전기적 충동이 축삭돌기의 종말 단추에 다다르면, 이는 신경전달물질(neurotransmitter)이라 불리는 특정 물질을 분출하게 한다. 이 신경전달물질에는 도파민(행복감을 증가시킴), 에피네프린(심박과 혈압을 증가시킴), 세로토닌(기분과 수면에 영향) 등이 있다. 이 신경전달물질은 다른 뉴런의 가지돌기를 자극시키고, 다시 이 가지 돌기는 전기적으로 반응하게된다. 여기서의 자극은 다른 뉴런의 전기적 자극을 증가시키는 것이나 감소시키는 것 모두를 포함한다. 우리의 뇌 속에는, 뉴런끼리 수백, 수천개의 시냅스로 연결되어 있다. 

근육처럼 시냅스는 좋은 작업 상태를 유지하기 위해 규칙적인 운동이 필요하다. 뉴런 A가 뉴런 B를 활성화시키는만큼, 둘간의 시냅스는 더 강해진다. 그리고 더이상 A가 B를 자극시키지 않는다면 시냅스 연결은 약해지고, 사라질 수 있다. 

우리의 학습의 대부분은 뉴런간 상호 연결의 변화를 수반할 것이다. 구체적으로, 시냅스의 새로운 연결이나, 시냅스의 강화, 약화, 사라짐 등을 수반할 수 있다. 우리는 시냅스를 잃는다고 슬퍼할 필요는 없다. 예를 들면, separate단어를 계속 seperate으로 쓴다면, 이 시냅스는 사라지는 게 나을 것이다. 하지만 시냅스의 변화가 우리 학습의 전부를 설명해주지는 않는다. 뉴런 자체의 변화 역시 알아볼 필요가 있다. 이는 자주 하는 오해와 연결된다.

오해 6. 우리는 앞으로 가질 모든 뉴런을 가지고 태어난다.

실질적으로 우리는 전 생애동안 새로운 뉴런을 계속 만들어낸다. 이 과정을 신경생성(neurogenesis)라고 부르는 데, 새로운 학습은 이러한 어린 뉴런들을 성장시키고, 생존, 번영하게 한다. 

일부 뉴런은 학습에 도움을 주는 특정 역할을 하는 것처럼 보인다. 거울 뉴런(mirror neuron)은 우리가 특정 행동을 수행할때나, 다른 사람이 그 행동을 수행할 때 점화된다. 즉, 우리의 뇌는 우리가 보는 것과 실제로 하는 것 간 연결짓도록 설계되어 있는 것처럼 보이고, 이는 다른 사람으로 부터 새로운 스킬을 학습시키는 능력을 향상시킨다. 

아교세포와 뇌 기능에서의 이들의 역할

우리 뇌의 세포 중 대부분은 희끄무리한 아교세포로 이루어져 신경세포 주변에서 뉴런을 보호한다. 아교세포는 일부 중요한 기능을 하는데, 뉴런의 혈류를 통제하거나, 쓸모없는 찌꺼기를 수집하거나, 감염과 싸우거나 다친 곳을 수리한다. 최근 연구자들은 특정 별모양의 성상세포들이 학습과 기억에 뉴런만큼 중요하다는 것을 알게되었다. 성상세포는 뉴런보다 그 수가 많이 적어도 10대 1의 비율을 구성하는데, 이는 인간의 특징으로, 다른 동물보다 성상세포의 비율이 훨씬 크다. 성상세포는 주변의 뉴런과 화학적으로 연결되어있는데 그 수가 천문학적이라고 보면 된다. 우리의 뇌는 많은 성상세포를 일생동안 생성하며, 뉴런이 어떤 것을 하고 하지 않고 뉴런끼리 소통하는 데 영향을 준다.

공고화의 과정: 학습과 기억은 단단해지는 시간이 필요하다

새로운 기억이 장기간 지속될 수 있게 안정화하기 위해서는 일정 시간이 필요하다. 이 공고화 과정은 적어도 두 구분된 단계로 이루어지는데, 각자는 서로 다른 하위 과정을 포함한다. 첫 단계는 시냅스 공고화(synaptic consolidation) 단계로, 관련 뉴런들은 뉴런 간 소통을 가능하게 하는 화학 물질(신경전달물질)을 전달하고 받는 능력을 증가시킨다. 두번째 단계는 체계 공고화(system consolidation)로 신경 네트워크를 더 넓고 영구적으로 자리잡을 수 있도록 점진적으로 재조직화한다. 시냅스 공고화는 몇 분, 몇시간 정도 걸리지만, 체계 재공고화는 몇 주, 몇 달, 혹은 더 오래 지속되는 경향이 있다.

 

뇌의 더 큰 구조: 전체는 부분의 합보다 크다

우리의 뇌는 정교함에도, 수천년의 진화와 적응을 반영하는 투박한 구조물이다. 뇌의 일부는 진화 과정의 꽤 초기에 나타났을 수 있고, 다른 부분은 나중에 나타났을 것이다. 모든 종은 진화과정 동안 예측하지 못한 유전자 변형, 상당한 시행착오, 이상적인 것은 아니지만 그래도 그 전보다는 나은 변화를 수반한다. 

후뇌(hindbrain)는 가장 오래되었지만, 또 생존에 가장 중요한 부분으로, 뒷쪽에 척수가 머리쪽으로 들어가는 부분에 위치한다. 후뇌의 하위 부분은 숨쉬기, 자기, 삼키기, 심장박동 조절하기 등 생존에 기본적인 활동을 담당한다. 가장 주목할만한 부분은 소뇌(cerebellum)이다. 소뇌는 우리가 받아들이는 감각자극을 나가는 운동자극과 협력하도록 돕는데, 걷기, 자전거타기 등과 관련있다. 

중뇌(midbrain)는 후뇌 다음 발달한 부위로, 상대적으로 작은 부분이 후뇌의 약간 위에 그리고 앞쪽에 위치한다. 한 하위 부위는 수면과 깨어있는 것을 조절하며, 즉각적 환경에서 새롭고 잠재적으로 중요하거나 위협적인 사건에 경각심을 주는 역할을 한다. 또 다른 부위는 눈동자의 움직임을 통제/조정하는 등 우리의 시각과 청각을 돕는다. 

가장 최신에 발달하고 또 가장 많은 부분을 차지하는 뇌 부위는 전뇌(forebrain)으로, 중뇌와 후뇌 위에 대부분의 부위를 감싸고 있다. 가장 저명한 하위부분은 대뇌피질(cerebral cortex)이다. 우리의 뇌는 크게 두 반구로 이루어져있는데, 하나는 오른쪽, 또 하나는 왼쪽에 위치한다. 각각의 반구는 네개의 구분된 엽(lobes)으로 이루어져 각각 서로 다른 기능에 특화되어 있다. 두 반구는 뇌량(corpus allosum)으로 연결되며, 이 뇌량은 2백만 개 이상의 축삭으로 이루어진 큰 다발로, 두 반구 간 메세지를 주고받을 수 있게 한다.

대뇌피질의 다양한 엽은 지속적으로 서로 소통하는데, 왼쪽과 오른쪽의 전두엽(frontal lobe)은 대부분의 의식적 사고를 담다아는 것으로 보인다. 전두엽은 감각 이해하기 능력, 말하기, 논리적 추론, 문제 해결, 어떤 것을 성취하기 위해 초점을 맞추어야 하는 정신적 주의 지속하기 등을 담당한다. 전두엽은 또한 관련 없고 반생산적인 사고를 억제하고, 충동을 통제하고, 미래 행동을생산적으로 계획하는 데 책임이 있다. 전두엽의 앞쪽에, 이마 바로 뒤쪽에는 전전두엽(prefrontal cortex; PFC)이 있는데, 의식적, 통제적, 계획적 사고 과정을 총괄하는 부위로 보인다. 

전뇌에서 피질 아래 중간쯤 위치하는 다른 구조물 역시도 핵심 플레이어로 보인다. 그 중 변연계(limbic system)은 복잡하게 피질과 연결되어있는데, 학습, 기억, 정서, 그리고 동기와 밀접한 관계가 있는 구조이다. 해마(hippocampus) 역시, 주의 및 학습에 핵심 역할을 하며, 특히 우리가 의식적으로 공부하고 기억하려 하는 것에 관여한다. 해마에서는 새로운 뉴런들이 계속 생성된다. 해마와 가까이 위치한 편도체(amygdala)는 두려움, 스트레스, 화와 같은 부정적 정서의 중심이라 할 수 있으며, 심박수 증가 등과같은 특정 생리적 반응 및 투쟁vs도피반응(fight-or-flight)과 관련되어 있다. 편도체는 우리의 경험과 정서 반응을 연결시키는 역할을 한다. 

또 다른 변연계 구조에서 중요한 부분은 시상(thalamus)과 시상하부(hypothalamus)이다. 시상은 다양한 감각 뉴런으로부터 메세지를 받고 이를 통합하여 피질의 관련된 부분에 전달한다. 시상은 또 편도체로 하여금 잠재적으로 위협적인 상황에 경계하게 한다. 시상 바로 아래 위치한 시상하부는 배고픔, 목마름, 수면, 체온, 일반 신체 대사 등을 포함한 기본 생리 기능을 조절하는 호르몬들을 생산하는 역할을 한다. 

좌반구와 우반구: 분리될 수 없는 파트너

자칭 전문가들이 쓴 책, 잡지, 인터넷 게시물 등에서 "좌뇌 사고", "우뇌 사고"와 관련된 얘기를 들어봤을 것이다. 하지만, 이들은 터무니없는 오해를 퍼트린다.

오해 7. 좌뇌와 우뇌는 아주 다른 기능을 가지고 있으며 독립적으로 훈련/성장될 수 있다.

좌뇌와 우뇌가 하는 일에 약간의 차이는 있다. 좌뇌는 오른쪽 신체를 우뇌는 왼쪽 신체를 담당한다. 또 두 반구는 인지의 서로 다른 측면에 특화되어 있는 것으로 보인다. 대부분의 사람들에게 좌뇌는 언어 능력, 말하기, 언어 이해, 읽기 등에 더 관여하고, 더 분석적이고 세부사항에 초점을 맞추는 경향이 있다.  이에 반해 우뇌는 시공간 정보를 처리를 이끌며, 사람의 포졍, 제스처, 비언어적 바디 랭귀지 해석에 더 관여하는 것으로 보인다. 또한 우뇌는 다면적이고 의미 있게 정보를 종합하는 데 더 특화되어 있다. 다시 말하면 우뇌는 좌뇌보다 더 큰 그림을 보는 데 유리하다는 것이다.

하지만 두 반구를 연결하는 뇌량 덕분에, 두 반구는 지속적으로 협력한다. 언어 이해를 예시로 들면 좌뇌는 구문의 아주 작은 디테일을 해석하는 데 도움을 줄 수 있으며, 우반구는 더 큰 맥락에서 그 단어들을 이해하는 데 도움을 줄 수 있다. 즉 하나의 반구로만 사고하고, 하나의 반구만 훈련시킨다는 것은 불가능하다. 두 반구의 연결이 불가능한 심각한 손상이 있는 경우를 제외하면, 좌뇌 사고, 우뇌 사고같은 것은 존재하지 않는다.

분산된 과정으로서의 인간 인지: 단일한 자리에서는 아무것도 일어나지 않는다

오해 8. 각각의 지식들은 뇌의 특정 영역에 위치한다.

아니다. 학습 혹은 사고는 심지어 한 단어의 경우에도 뇌의 여러 영역에 걸쳐 분산되어 있다. 또 다른 반박되어야 할 오해가 또 있다.

오해 9. 우리들 대부분은 뇌의 능력 중 10%도 사용하지 않는다.

이 사고는 도대체 어디서 왔나? 의심 없이 "자칭" 뇌 전문가일 것이다. 생각해보자. 인간의 뇌는 수조 개의 세포로 이루어져 우리가 셀 수 있는 것보다 더 많은 방식으로 서로 연결되어있다. 어떤 사람이 어떻게 그 퍼센티지를 계산할 수 있을까? 게다가, 사용되지 않은 뉴런과 시냅스들, 그리고 아교세포들은 점진적으로 사라진다. 90%의 뇌가 그냥 아무것도 하지 않으면서 존재하는 것은 생각할 수 없다.

 

뇌 발달: 항상 일하는 중

어떻게 시작되었나: 태아기(prenatal period)

수정이 된 지 25일 정도가 지나면 아주 작은 관으로 된 뇌가 생성된다. 이 뇌는 빠르게 더 길게 자라며 주요 부분들로 접히고 나뉘게된다. 많은 뉴런과 아교세포들은 이 관 안에서 빠르게 자라난다. 예를 들면 태아기에서 5~20주 동안 대략 5만~10만 뉴런이 초당 생성된다. 3-6개월 사이 이렇게 많은 뉴런과 아교세포는 대략 뇌처럼 보이는 모양을 가진 뇌에 다양한 위치로 이동한다. 뉴런이 종착지에 도착하고 나면, 그들은 가지돌기와 축삭돌기를 이용해 서로 연결시켜 시냅스 연결을 만들고자 한다. 이 와중 아교 세포는 이를 돕는다. 뉴런들 중 생산적인 연결을 한 경우 특정 기능을 맡거나 조직화하기 시작하며, 나머지들(반 정도)은 점차 사라진다. 이들은 쓸모없기 때문에 사라지는 것이다. 6-9개월이 되면 뇌는 세상에 대해 기억하고 학습하는 것이 가능하다. 뱃속에 있는 태아에게 임신한 여성이 책을 소리내어 읽었더니, 태어난 후 이를 들은 아동의 빨기 반응이 증가했음을 보여준 연구가 있다. 

출생이후 어떻게 지속되나: 영아기와 초기 아동기

만삭을 다 채우고 태어난 영아들은 새로운 성상세포의 폭발을 맞이하며,  이에 따라 빠르게 아주 많은 새로운 시냅스를 형성하게 된다. 이 시냅스 생성을 시냅스형성(synaptogenesis)이라 부르며, 어린 아이들은 성인보다 더 많은 시냅스를 가지고 있다. 결과적으로 시냅스의 형성은 점차 늦춰지며 중단되는데, 이 중단은 뇌 영역에 따라 발생하는 시기가 다르다. 예를 들면 일부 피질의 시냅스의 수는 만 1세때 최고점을 찍지만, 전두엽은 2-3세까지도 계속 증가한다.

아이들이 새로운, 반복하는 사건을 경험하면서, 일부 시냅스들은 꽤 도움이 되며 반복적으로 사용된다. 사용되지 ㅇ낳는 시냅스들은 점차 약해져 사라지는데 이를 시냅스 가지치기(synaptic pruning)이라고 한다. 일부 뇌 영역에서는 가지치기의 대부분이 꽤 어린 시기에 발생하는 반면, 어떤 부분은 나중에 이루어져 청소년기까지 계속 지속되기도 한다.

오해 10. 부모, 교사, 그리고 다른 성인들은 어린 아동의 시냅스 손실을 최소화하기 위해 최선을 다 해야한다.

이 오해는 아기, 유아, 미취학 아동에게 최대한 많은 자극을 주어야한다고 해석되었다. 부모들은 어린 자녀를 극심한 하겁 지향 데이케어 프로그램에 등록하고, 매주 바이올린 레슨을 하게하고, 컴퓨터 게임을 하게하고, 주의, 읽기, 수 세기 능력을 가르치게 하였다. 적당히 하면 이는 도움이 될 수도 있지만, 일부 부모는 꽤 말이 안되게 자식을 똑똑하게 만들려 노력한다. 뇌를 훈련시켜 아이큐를 향상시킨다는 인터넷 기반 프로그램이나 소프트웨어 광고에 속지 말자. 그들의 주장을 뒷받침하는 증거는 거의 없다. 모든 시냅스가 유용하지도 않고, 꽤 반생산적인 것도 존재한다. 시냅스는 우리가 필요한 것보다 더 많이 생성되며, 특정 상황에 가장 적응적인 방식으로 가지치기가 이루어지는 것이다. 즉, 이는 뇌의 효율성과 효과성 향상을 위한 것이다.

유전적으로 미리 프로그램화된 과정인 수초화(myelination) 역시 뇌의 효율성에 기여한다. 많은 뉴런과 축삭돌기는 수초로 감싸져있으며, 이는 훨씬 빠르게 메세지를 전달할 수 있게 해준다고 하였다. 일부 수초들은 태아기 마지막 즈음 생성되며, 많은 부분 만 1세동안 이루어진다. 어린 아동기의 수초 증가는 그 기간동안 인지 기능의 향상의 기반이 될 것이다.

점진적으로 어떻게 성숙되나: 아동기 중기, 청소년기, 초기 성인기

오해 11. 뇌는 태어난 지 몇년만 지나면 완전한 성숙에 도달한다.

절대 아니다. 시냅스 가지치기는 특히 피질에서 중기 아동기, 청소년기까지 계속되며 수초화는 20대 중반까지도 지속된다. 특히 주목할만한 점은 전전두엽이라는 장기간 주의 집중하기, 미리 계획하기, 충동 통제하기 등의 능력에 관여된 부분이다. 이 부분은 청소년기와 초기 성인기 동안 꽤 많이 시냅스 가지치기와 수초화를 겪게 된다. 

청소년기의 뇌는 절대 성인 뇌가 아니다. 사춘기의 시작은 호르몬 수준, 특정 신경전달물질, 이러한 신경전달물질을 받는 가지돌기 등에 변화를 일으킨다. 이 모든 변화들은 뇌 기능에 부정적인 영향을 일으킬 수 있다. 적어도 몇년 간은말이다. 또 사춘기와 동반되는 것은 쾌락을 바라고 즐거운 활동에 관여하고자 하는 열망에 관여하는 뇌 영역에서의 변화이다. 예를 들면 음주, 피임 없는 성관계 등이 있다. 10대의 마지막이나 20대 초반에야 전전두엽이 균형화되어 더 합리적 의사결정과 자기 저항 능력이 향상된다.

뇌의 가소성(plasticity): 많은 아이디어와 능력에서 늦은 시기란 없다

알츠하이머나 다른 심각하게 신경학적 상태를 퇴화시키는 경우가 아니라면 우리 뇌는 지속적으로 학습하고, 새로운 아이디어를 기억하며, 기술을 익힌다. 즉 우리의 뇌는 가소성을 가진다. 예를 들면 노인들도 새로운 것을 배울 때 새 성상세포를 만든다. 이 성상세포는 더 많은 성상세포를 생성하도록 나뉠 수 있다. 더 나아가 우리는 성인기에 새로운 과제를 하면서 뇌를 재구조화한다. 

나이가 들면서 학습은 느려질 수 있다. 수초는 30대부터 얇아지기 시작하며, 더 나이가 들면 전전두엽이 그 전보다 생각과 행동을 협응적으로 통제하는 데 효과적이지 않다. 이 변화의 결과로 반응 시간이 증가하며, 새로운 정보와 스킬을 익히는 데 느려진다. 그럼에도 심지어 늙은 개들 역시 새로운 재주를 학습할 수 있다.

 

전략의 사용

자기 전략: 사고와 학습 향상시키기

1. 계속 지적으로 도전의식을 일으키는(약간 어려운) 과제 지속적으로 하기. 
2. 신체적 활동 지속하기(운동!)
3. 충분한 수면 취하기; 수면은 특히 새로운 지식을 공고화하는 데 도움된다고 알려져 있다.

교수 전략: 타인의 사고와 학습 향상시키기

1. 어린 아동을 자극적인 활동에 관여시키지만 과하게 하지는 않기.
2. 아동기 후기의 아동과 청소년기 역시 풍부하게 하는 경험하게 하기
3. 더 안전하고 생산적인 활동으로 청소년들을 인도하기 (가족끼리 해외여행 가기 등)
4. 모든 연령의 사람들이 학습할 수 있는 것에 더 낙관적으로 생각하기

 

 

출처: Ormrod, J. (2017). The Human Brain: The Hardware of Our Thinking and Learning. In How We Think and Learn: Theoretical Perspectives and Practical Implications (pp. 11-29). Cambridge: Cambridge University Press. doi:10.1017/9781316691458.002