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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.

“우리 뇌는 모두 맞춤형이다!”
언제나 변하지만 뜻대로 변하지는 않는 뇌,
세포 수준부터 그 변신을 낱낱이 살핀다

신경가소성을 이해하기 위한 기본적인 핵심 개념을 소개하는 책 《신경가소성 - 일생에 걸쳐 변하는 뇌와 신경계의 능력》이 출간되었다. 이 책에서 저자 모헤브 코스탄디는 우리의 행동과 경험에 따라 뇌가 어떻게 변하는지 보여주면서 신경가소성의 개요를 간결하고 매력적으로 보여준다. 신경과학 분야에서 진행된 주요 연구 및 실험 방법과 기술, 그리고 지금까지 뇌에 관한 우리의 견해가 진화해 온 과정에 초점을 두고 일반 독자를 대상으로 신경가소성에 관해 반드시 알아야 할 내용을 정리했다. 가소성이라는 개념의 간략한 역사에서 시작하여 발생 가소성, 시냅스가소성, 신경회로의 재배선, 신경계통 손상의 재활, 감정조절, 중독, 통증에 이르는 내용을 재미있게 설명한다. 독자는 이 책을 통해 현대 신경과학의 핵심 주제인 ‘신경가소성’의 핵심 개념은 물론 신경과학의 역사적 흐름과 맥락까지 이해할 수 있을 것이다.

‘두뇌 훈련’ 여부와는 상관없이,
우리의 뇌와 신경체계는 일생에 걸쳐 변한다!

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 허황된 열망에 불을 지폈고, 효과를 알 수 없는 ‘두뇌 훈련’ 게임과 앱을 개발, 판매하는 인터넷 기업가들에게 영감을 불어넣기도 했다.

“구글 검색창에 ‘뇌 재배선하기rewiring your brain’라고 치면(독자들도 영문으로 쳐보기 바란다?옮긴이), 자동 완성 기능에 따라 이 구절이 들어간 가장 인기 있는 검색어 목록이 나온다. 검색 결과에 따르면 우리는 뇌를 리셋하여 사랑과 행복을 쟁취하고 직장에서 성공하는 것은 물론 인생의 의미까지 찾을 수 있다. 검색 목록의 아래로 더 내려가면 긍정적으로 생각하기, 자신감 키우기, 밤에 숙면하기, 미루는 습관 고치기 등 뇌를 재배선해서 할 수 있는 더 많은 옵션이 나온다. 인터넷이 하는 말을 온전히 믿는다면 우리는 뇌를 리셋해서 어떤 행동도 바꿀 수 있으므로 인생 역전의 힘은 머릿속에 들어 있는 1.4킬로그램짜리 살덩어리를 끊임없이 변형하는 능력에 있다고 말할 수 있겠다.“ _9쪽

저자는 이어서 이렇게 묻는다. “그러나 뇌를 재배선한다는 게 실제로 어떤 의미일까?”
이 책은 그것이 실제로, 과학적으로 어떤 의미인지 설명한다. 신경계는 애초에 변화하도록 진화했으므로 ‘신경가소성’은 인간은 물론 신경계를 갖춘 모든 생물에 내재한 근본적인 속성이다. 그리고 연구자들은 뇌와 행동의 어떤 측면을 연구하는지에 따라 신경가소성을 각기 다르게 정의한다. 그러니까 이 용어는 너무 모호해서 구체적인 부연 설명 없이 단독으로 쓰이면 거의 의미를 상실하는 것이다. 한마디로, “당신의 뇌를 리셋하라”는 구호는 매우 과장되거나 전혀 근거 없는 경우가 많다.
하지만 특정한 경험이 뇌를 변화시킨다는 것을 보여주는 연구들이 있다.(6장) 2개 국어의 사용은 왼쪽 아래마루소엽에서 회색질의 밀도 증가와 상관관계를 보였고, 언어를 배우는 시기에 따라 뇌의 변화 정도에는 차이가 있었다. 또 피아노 연습은 뇌의 백색질 신경로를 바꾸었으며, 공수도 검은띠 보유자는 대조군보다 운동겉질과 소뇌의 백색질 신경로가 훨씬 컸다. 이처럼 이 책에서는 소규모 전문가 집단과 아마추어 또는 신참자를 비교하는 연구를 통해 언어 학습, 음악 훈련, 운동, 지식 등이 뇌를 어떻게 변화시키는지를 보여준다.

신경가소성에 관한 진짜 지식을 알려주는 한 권의 책
〈MIT Essential Knowledge〉 시리즈의 대표 도서

이 책은 우리의 행동과 경험에 따라 뇌가 어떻게 변하는지 보여주면서 신경가소성의 개요를 간결하고 매력적으로 보여주고 있다. 각 장에서 다루는 내용을 살펴보면 다음과 같다.

1장 〈서론〉은 신경가소성에 관한 역사적 관점에 대한 부분이다. 신경가소성과 관련한 주요 실험 결과를 짚어보며 역사적으로 뇌에 대한 우리의 인식이 어떻게 달라졌는지 설명한다.
2장 〈감각 치환〉에서는 골상학부터 뇌 기능의 국재화(localization of cerebral function) 이론을 비롯하여 뇌가 특화된 별개의 영역으로 조직되었다는 주장을 알아보고, 시각 및 청각 장애인을 대상으로 한 연구에서 축적된 증거를 통해 드러난 가소성에 대해 알아본다.
3장 〈발생 가소성〉에서는 뇌의 발달 과정 중 일어나는 신경계의 변화를 설명한다. 다 발달하기 전의 뇌에서 일어나는 시냅스 가지치기와 더불어 다 자란 뇌가 새로운 세포를 키우는 시냅스 형성에 대해 알아본다. 두 과정 모두 학습, 기억, 그리고 일반적인 뇌 기능의 여러 측면에 중요한 역할을 한다.
4장 〈시냅스가소성〉에서는 학습의 바탕이 되는 시냅스가소성 메커니즘에 대해 알아본다. 시냅스가소성은 시냅스가 변형되는 다양한 방식을 뜻한다. 경험과 학습은 기존 시냅스 연결의 강도를 바꿔놓을 뿐 아니라 완전히 새로운 시냅스를 창조하기도 한다.
5장 〈성인의 신경 발생〉에서는 성인의 뇌에서도 새로운 신경세포들이 생겨날까 하는 문제에 관해 진실은 무엇인지 알아본다. 이는 최근까지도 상반되는 주장이 이어질 정도로 신경과학의 첨단에 서 있는, 논쟁적인 주제다.
6장 〈뇌 훈련〉에서는 악기 연주나 외국어 학습처럼 다양한 형태의 훈련이 어떻게 뇌를 바꾸는지 알아본다. 진정한 두뇌 훈련은 당신의 뇌를 리셋해준다고 약속하는 게임이나 장치들이 아니라, 악기나 새로운 언어를 배우는 것처럼 지속적으로 일어나야 하는 인지 작업이다. 저자는 런던의 택시 운전사들이 대도시의 복잡한 도로에서 엄격한 훈련을 거친 후 뇌의 회백질이 많아졌다는 사실에 주목한다.
7장 〈신경 손상과 뇌 손상〉에서는 말초 신경 및 뇌졸중 같은 뇌 손상 이후에 일어나는 뇌의 재조직화를 다룬다. 신경 손상으로 유도되는 신경가소성은 별로 이로운 것이 없는 반면, 뇌졸중 이후에 일어난 겉질 재조직화는 운동 기능 회복에 크게 기여한다고 알려져 있다.
8장 〈중독과 통증〉에서는 신경가소성이 예측을 벗어나 중독 및 통증을 일으키는 과정을 살펴본다. 이런 비순응적 형태에서 보듯 신경가소성의 결과가 언제나 바람직한 것은 아니다.
9장 〈삶의 단계별 뇌의 변화〉에서는 삶의 단계별 뇌 변화에 관해 이야기한다. 태아기 가소성부터 뇌에서 전체 시냅스의 약 40퍼센트가 감소하는 청소년기의 특징, 최근 연구되기 시작한 부모 되기에서 비롯하는 신경가소성, 노화하는 뇌의 특징을 살펴본다.
10장 〈결론〉에서는 핵심 내용을 요약하고 새로 발견된 신경가소성 유형 및 아직 풀리지 않은 문제들을 소개한다.

김경진(DIGIST 뇌·인지과학 전공 석좌교수)
모헤브 코스탄디는 세계적으로 잘 알려진 신경과학 프리랜서이다. MIT 출판사가 출판한 《신경가소성》은 비록 짧은 단행본이지만 신경가소성의 개념을 명료하고 깔끔하게 설명한 수작이다. 가소성이라는 개념의 간략한 역사에서 시작하여 발생 가소성, 시냅스가소성, 신경회로의 재배선, 신경계통 손상의 재활, 감정조절, 중독, 통증에 이르기까지 재미있게 설명하고 있다. 신경과학의 핵심 주제인 ‘신경가소성’을 체계적으로 다루는 이 책은 현대 신경과학의 흐름과 맥락을 이해하는 입문서로도 부족함이 없다. 일독을 강력히 권한다.

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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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