뇌의 "가소성" - 학습과 기억

 

| 뇌 가소성: 무엇일까? 배움과 기억 ||

뇌 가소성--개관

뇌가소성 이란 무엇일까? 우리의 뇌가 플라스틱으로 만들어졌다는 의미일까요? 물론 아닙니다. 가소성 또는 신경가소성은 새로운 경험에 기반을 두고 뇌가 신경의 경로를 인지하는 뇌의 일생동안의 능력입니다. 우리가 배웠듯이, 우리는 새로운 지식과 기술을 수업과 경험을 통해서 획득합니다. 사실과 기술을 배우거나 기억하기 위해서 새로운 지식을 대표하는 뇌에는 끊임없는 기능적 변화가 있어야합니다. 배움으로 변화하는 뇌의 능력이 바로 신경가소성 입니다.

가소성의 개념을 설명하기위해서, 카메라의 필름을 상상해 봅시다. 필름이 여러분의 뇌를 대표한다고 가정합시다. 이제 카메라를 사용하여 한 그루의 나무를 촬영한다고 상상해 봅시다. 사진을 찍을 때 필름은 새로운 정보 즉 나무의 이미지에 노출이 됩니다. 그 이미지가 보유되기 위해서 필름은 빛에 반응을 해야 하고 나무의 이미지를 기록하기 위하여 변화해야 합니다.

가소성을 다른 방식으로 설명하기 위해서 찰흙덩어리에 동전의 모양을 만드는 것을 상상해 보세요. 동전의 모양이 찰흙에 나타나게 하기 위해서, 찰흙에 변화가 일어나야만 합니다. 찰흙의 모양은 동전이 찰흙에 눌려짐에 따라서 변합니다. 비슷하게 뇌에서 신경계의 순환은 경험이나 감각 자극에 반응하여 재조식해야만 합니다.

신경가소성에 대한 사실

사실 1: 신경가소성은 일생을 통해 발생하는 여러 가지 다른 과정을 포함합니다.

신경가소성은 형태학상 변화의 단 하나의 유형으로 구성된 것이 아니라 오히려 개인의 생애에 걸쳐서 발생하는 여러 가지 다른 과정들을 포함합니다. 신경세포, 교질세포, 혈관세포를 포함한 뇌세포의 많은 유형들은 신경가소성에 포함됩니다.

사실 2: 신경가소성은 분명히 나이에 의존한 결정인자입니다.

비록 가소성은 개인의 일생에 걸쳐서 일어나지만, 다른 유형의 가소성이 특정 시기에 많이 발생하고, 다른 시기에는 덜 발생합니다.

사실 3: 신경가소성은 두 가지의 중요한 조건 아래에서 발생합니다:

1. 일반적인 뇌 발달 동안 일어나는데 이에는 비성숙한 뇌가 성인기간을 통해 처음 감각 정보를 처리하기 시작할 때 입니다. 발달 가소성(developmental plasticity)과 학습 및 기억 가소성(plasticity of learning and memory)이 있습니다.

2. 뇌의 적응 체계로 발생하는데 이는 손상이 발생한 경우 손상된 기능을 보상하거나 남은 기능을 최대화 하기 위한 것입니다.

사실 4: 환경은 가소성에 영향을 미치는 중요한 역할을 합니다.

뇌는 유전적 요인 뿐만 아니라 환경 특성과 개인의 행동에 의해서 형성이 됩니다.

Developmental Plasticity: Synaptic Pruning

고프닉(Gopnick)과 그 동료들의 연구(1999)에 의하면 신경세포는 서로 통신하며 늘어나는 전화선으로 묘사합니다. 탄생에 따라 새로 태어난 뇌는 아기의 감각기관으로 부터의 정보로 넘쳐납니다. 이 감각 정보는 어떻게든 그 정보가 처리될 수 있는 뇌로 보내야합니다. 그렇게 함으로써, 신경세포는 뇌로 그 자극을 전달함으로써 서로 연결을 말들어야합니다. 전화선 비유를 계속하면, 도시 사이를 연결하는 기본적인 전화 장거리 직통간선처럼 새로 태어난 유전자는 특정 신경세포로 부터 뇌의 정확한 영역으로 통로를 지시합니다. 예를 들어, 눈의 망막의 신경세포들은 자극들을 좌측 뒤의 측두엽에 있는 언어생산 영역(베르니케 영역)이 아니라 뇌의 후두엽의 주요 시각 영역으로 자극을 보냅니다. 기본 장거리 직통간선은 세워졌지만 한 집과 다른 집 사이의 특정 연결은 추가적인 신호를 요구합니다.

일생의 초기 몇 년 동안 뇌는 급속히 성장합니다. 각 신경세포가 성숙함에 따라서 시냅스 연결의 수를 증가시키고 집과 집 사이를 연결하면서 뇌의 경우에는 신경세포와 신경세포 사이에 수많은 가지(정보를 내보내는 축색돌기와 정보를 받아들이는 수상돌기)를 뻗어 나갑니다. 태어났을 때 대뇌겉질에 있는 각 신경세포는 약 2500개의 시냅스를 가지고 있습니다synapses. 유아가 두 세 살이 될 무렵에는 각 신경세포당 시냅스의 수가 약 15000개가 됩니다(Gopnick, et al., 1999).이 양은 평균 성인 뇌의 두 배에 해당합니다. 우리가 나이가 들어감에 따라서 오래된 연결은 시냅스 전지(synaptic pruning)라 불리는 과정을 통해서 제거됩니다.

시냅스 전지는 강한 연결은 유지하고 강화하는 반면에 약한 시냅스 연결은 제거해 버립니다. 경험에 따라 어떤 연결은 강화되고 어떤 것은 전지할지 결정됩니다. 가장 빈번하게 활성화 되어졌던 연결은 보존됩니다. 신경세포는 살아남아야 하는 목적을 가지고 있어야만 합니다. 목적이 없으면 신경세포는 세포사멸(아포프토시스, apoptosis)이라 불리는 과정을 통해서 죽게 되는데, 이 세포사멸은 정보를 받거나 전달하지 않는 신경세포가 손상되고 죽는 과정을 말합니다. 비효율적이거나 약한 연결은 전지되고 이것은 정원사가 식물에게 좋은 모양을 주기위해 나무나 덤불을 가지치기하는 것과 매우 비슷합니다. 뇌 그 자체가 환경에 적응하면서 연결을 발전시키고 전지하는 과정을 가능하게 하는 것이 바로 가소성입니다.

학습과 기억의 가소성

한때는 우리가 나이가 들면 뇌의 네트워크가 고정된다는 믿음이 있었습니다. 그러나 지난 20년 동안의 많은 양의 연구는 뇌가 변화와 조정을 멈추지 않는다는 것을 밝혔습니다. 토토라(Tortora)와 그라보스키(Grabowski)(1996)의 정의에 의하면 학습이란 새로운 지식이나 기술을 가르침을 받거나 경험을 통해 획득하는 능력입니다. 기억은 그 지식이 시간에 흐름에 따라 보유되는 과정입니다. 배움에 의해 변화하는 뇌의 능력이 가소성입니다. 그러면 뇌가 학습으로 어떻게 변화할까요? 더바크(Durbach)(2000)에 따르면 학습에 따라 뇌에서 발생하는 변형에는 적어도 두 가지 유형이 있는 것 같습니다:

• 시냅스의 영역에서 가장 눈에 띄는 신경세포의 내부 구조 변화
• 신경세포 사이 시냅스 수의 증가

먼저, 새롭게 학습된 자료는 단기 기억에 저장이 됩니다. 단기 기억은 약간의 정보를 일시적으로 기억하는 능력입니다. 몇 몇 증거로 단기 기억이 새로운 시냅스를 형성하는 것과 같은 구조적인 변화와는 반대로 전기적 화학적 사건에 의존 한다는 개념이 지지되었습니다. 단기기억의 이론은 기억이 아마도 반향신경회로에 의해서 야기되어지는 것 같다고 합니다. 즉, 들어오는 신경자극이 첫 번째 신경세포를 자극하고 이 첫 번째 신경세포는 두 번째 신경세포를 자극하고 등 등, 그렇게 해서 두 번째 신경세포에게 있는 가지가 첫 번째 신경세포와 접합을 합니다. 얼마 간의 시간이 지나면 정보는 아마도 더 영구적인 기억의 형태인 장기기억으로 이동됩니다. 장기기억은 뇌에서 일어나는 해부학적 또는 생화학적 변화입니다(Tortora and Grabowski, 1996).

부상으로 인한 가소성: 가소성과 뇌 재생

부상에 따른 뇌 재활기간 동안, 가소성 변화는 뇌가 부상을 입은데도 불구하고 기능을 최대화시키기 위해서 준비합니다. 뇌의 일부 영역이 손상된 쥐에 대한 연구에서 손상된 부분 주변의 뇌 세포들은 손상된 세포의 기능을 할 수 있도록 기능과 형태에 변화를 거치게 됩니다. 비록 이런 현상들은 인간에게 널리 연구되지는 않았지만, 자료는 비슷한(하지만 덜 효과적인) 변화가 부상 후 인간의 뇌에도 발생한다는 것을 뜻합니다.

“두뇌의 주요 활동은 스스로 변화하고 있는 것입니다.” –마빈 민스키(Marvin L. Minsky) (마음의 사회(Society of the Mind)(1986)에서)

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장보혜 번역. 배정옥 검토.

 

청소년을 위한 신경과학 (tistory.com)

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