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인간의 뇌 발달이 시간이 지남에 따라 일정하게 변화하는 게 아니라,특정 연령대를 기점으로 극적인 재편성이 이루어진다는 연구 결과가 나왔다.뇌는 일생 동안 다섯 '시기(단계)'의 발달 과정을 거치며,네 번의 전환점으로 나뉘어 급격한 변화를 겪는다는 사실을 밝혀낸 것이다.이 연구는 정신 건강 장애가 특정 생애 단계에서 왜 발생하는지,그리고 치매 위험이 노년기에 증가하는 이유를 설명하는 데 중요한 단서를 제공한다.과연 뇌 구조의 중요한 전환점이 되는 나이는 언제이고,어떠한 형태로 변하는 것일까.

32세에 최대 변화

나이가 들면 뇌 구조와 기능이 변하면서 인지,행동,정신에 변화가 나타난다.주로 뇌 부피 감소,해마 크기 축소,수초 손상 등으로 인해 기억력 저하,정보처리 속도의 느려짐과 같은 변화가 발생한다.이는 치매나 파킨슨병 같은 퇴행성 질환의 위험 요인이 되기도 한다.최근 영국 케임브리지대 뇌과학부의 던컨 애슬(Duncan Astle) 교수 연구팀은 인간의 생애 동안 이러한 뇌 구조 변화가 언제 어떻게 일어나는지 알아보기 위한 연구를 진행했다.

연구팀은 먼저 0세부터 90세까지 3802명의 자기공명영상(MRI) 확산 스캔 데이터를 바탕으로 그들의 뇌를 비교했다.MRI 확산 스캔은 물 분자가 뇌 조직을 통과하는 방식을 추적하여 신경 연결망을 시각화하는 촬영 기법이다.연구팀은 이를 통해 뇌가 어느 시점에서 변화가 일어나고,뇌의 여러 영역들이 얼마나 촘촘하고 효율적으로 연결돼 있는지를 살폈다.

그 결과 평균적인 인간 삶에서의 뇌 발달은 다섯 시기(단계)를 거치며,9세·32세·66세·83세에 뇌가 재구성되는 네 번의 중요 전환점이 있고,이 네 번의 전환점을 전후로 뇌 영역의 연결 구조가 크게 달라진다는 사실이 밝혀졌다.나이를 먹으면서 뇌 구조가 서서히 변할 것이라는 일반적인 생각과는 다른 결과다.

첫 번째 단계는 0~9세까지의 유년기다.연구팀의 연구에서 0~9세까지의 뇌는 '신경망 통합(network consolidation)'이라는 특징을 나타냈다.신경세포(뉴런)와 신경세포 사이를 연결하는 시냅스가 아기의 뇌에서 과도할 만큼 잔뜩 생성되는데,이 중 활동이 활발한 시냅스 연결만 살아남고 나머지는 제거됐다.즉 뇌에 수많은 신경세포 연결이 빠르게 만들어지는 동시에 불필요한 연결이 가지치기되는 시기인 셈이다.

이 단계에서는 뇌의 초기 구조가 형성된다.정보처리 역할을 하는 뇌 '회백질'과 정보 전달 통로인 '백질'이 빠르게 형성되면서 피질 두께(바깥쪽 회백질과 안쪽 백질 사이의 거리)가 최고점에 도달하고,바깥쪽 뇌의 특징적 융기부인 피질 주름이 안정화된다.이로 인해 주변 환경에 맞게 뇌 구조를 다듬는 변화가 일어나고,인지 능력이 발달해 감각·운동·언어 등 기본적인 기능을 빠르게 습득한다.하지만 뇌가 아직 효율적으로 발달하지 않은 상태여서,마치 방향 없이 공원을 헤매는 아이처럼 작업을 수행한다.연구팀은 이 시기를 '아동기 발달 기간'이라고 정의했다.

두 번째 단계는 청소년기로,9세부터 32세까지 이어진다.첫 전환점이 9세라는 얘기다.청소년기가 10대 후반에 끝나는 게 아니라 32세까지 지속된다는 점이 매우 흥미롭다.이 시기엔 백질이 계속 성장하고,뇌 연결망의 조직화가 점점 정교해진다.서로 다른 뇌 영역이 더욱 유기적으로 연결되면서 정보 전달 효율이 높아지고,뇌 연결 구조가 정돈되는 단계인 셈이다.

반면 9세에 첫 전환점을 맞이한다는 것은 이 시기부터 정신 건강 장애가 시작될 위험이 크다는 것을 의미하기도 한다.

연구팀은 "32세 전후가 생애 전체에서 가장 큰 전환점"이라며 "이 시점이 뇌 회로가 방향을 가장 크게 바꾸고,뇌 구조적 변화가 가장 뚜렷하게 나타나며,뇌 연결 효율이 최고 수준으로 증가하는 유일한 시기"라고 말한다.지속적인 패턴 변화가 유지되는 단계로,뇌가 다른 방식으로 변화하는 새로운 시대로 접어드는 것이다.이는 여러 정보를 종합해 처리하는 인지 수행 능력이 가장 높아지는 시기로 평가된다.

성인기,가장 길고 안정적인 뇌의 시기

세 번째 단계는 32~66세의 성인기로,경마상식뇌의 일생에서 가장 긴 구간이다.이 단계에선 뇌 구조가 급격한 변화 없이 가장 안정적인 시기를 보낸다.32세의 전환점을 계기로 뇌의 연결망 효율이 정점에 이른다.그러다가 뇌 영역 간 연결이 점점 분리되고,기억·언어·시각 등 다른 역할을 하는 뇌 영역들의 기능 분담화가 나타난다.

네 번째 단계는 조기 노화기로,66세부터 83세까지 지속된다.66세의 전환점을 기점으로 뇌 구조의 '조기 노화'가 시작된다.뇌의 백질이 서서히 약화되고,신경세포 사이의 시냅스 연결성이 감소하기 시작해 뇌 전체 연결성이 더욱 줄어든다.젊은 시기에는 '뇌 영역 전체(global)'가 긴밀하게 연결된 통합성 형태라면,66세 이후에는 뇌 영역 간 장거리 연결이 감소하면서 서로 이웃한 영역끼리 묶여 정보를 처리하는 국지적(local) 형태로 바뀐다.그러면서 각각의 영역이 비교적 독립적으로 기능하는 경향이 뚜렷해진다.마치 밴드 멤버들이 각자 솔로 프로젝트를 시작하는 것과 같다.

연구팀은 "네 번째 단계에서 뇌의 노화가 시작되지만 갑작스럽고 급격한 쇠퇴는 아니다"라며 "이 시기에는 치매,고혈압 등 뇌 건강에 영향을 주는 만성 질환의 위험이 증가하기 때문에 조심해야 한다"고 강조한다.

마지막 다섯 번째 단계는 '후기 노화기'로 83세 이후를 말한다.뇌의 노화가 진행돼 본격적으로 기능이 쇠퇴하는 시기다.뇌의 전체 연결성이 더욱 줄어들어 일부 영역에 의존하는 형태로 바뀐다.마치 교차로처럼 허브 역할을 하는 특정 영역을 거쳐서 정보가 전달되는 경우가 많아진다.한마디로 뇌 영역들이 더욱 고립되는 것이다.

연구팀의 이번 연구는 인간의 전 생애에 걸친 주요 뇌 연결 단계를 확인한 최초의 연구다.인간의 삶이 여러 단계로 나뉘듯,뇌도 여러 시기를 거치면서 각 단계마다 가장 잘 발달하는 뇌 부분과 더 취약한 뇌 부분의 중요한 맥락을 제공한다.이러한 뇌 변화의 흐름을 알면 왜 특정 시기에 학습 장애나 정신질환 문제가 발생하는지,왜 65세가 넘으면 치매에 걸릴 위험이 특히 높아지는지를 이해하는 데 도움이 된다는 게 연구를 주도한 던컨 애슬 교수의 설명이다.

뇌 회로가 언제 취약해지고 어떻게 손상되는지와 같은 정보는 향후 뇌 질환 치료 등 다양한 분야에 응용될 수 있다.인간의 뇌가 평생 동안 얼마나 많이 변하는지를 보여주는 이 멋진 연구 결과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션스'에 게재됐다.


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