대학 수학능력시험 같은 큰 시험이나 중요한 면접을 앞두고 지나치게 긴장을 하다 보면 실전에서 실력을 발휘하지 못하고 망치는 경우가 많다. 짧은 시간에 강력한 스트레스를 받게 되면 머릿속이 하얗게 되는 경험은 누구나 한 번쯤 겪었을 것이다. 독일 함부르크대 인지심리학과, 미국 텍사스 오스틴대 신경과학과, 심리학과, 학습·기억 연구 센터, 네덜란드 라드바우드대 의학 신경과학과, 뇌·인지·행동 연구소 공동 연구팀은 급성 스트레스가 기억에 기반한 추론 능력을 떨어뜨린다고 26일 밝혔다. 이번 연구 결과는 기초과학 및 공학 분야 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시즈’ 5월 22일 자에 실렸다. 인간의 뇌는 매일 기억 통합이라는 과정을 거친다. 기억 통합은 뇌가 새로운 경험이나 정보를 기존에 가지고 있던 기억, 지식과 유기적으로 연결해 하나의 완전한 장기 기억으로 재구성하는 과정이다. 기억 통합은 연결과 추론 두 단계로 이뤄진다. 예를 들어 친구가 연한 파란색 베스파 스쿠터를 새로 샀다고 보여줬는데 학교 도서관 앞에서 똑같은 스쿠터가 세워져 있는 것을 보면 그 친구가 안에서 공부하고 있을 것이라고 추론할 수 있다. 앞선 연구들에서는 이런 기억 통합이 해마에서 이뤄진다는 사실을 밝혀냈다. 기억에 관여하는 뇌 영역은 스트레스 매개물질에 민감하게 반응하는 수용체가 풍부하다. 연구팀은 심리사회적 급성 스트레스가 기억 통합 과정에 어떤 영향을 미치는지 남녀 121명을 대상으로 이틀 동안 실험했다. 첫날은 이미지 쌍을 관찰해 A-B 연합 기억을 형성했다. 스쿠터 사례로 보면 이 단계는 친구와 연한 파란색 스쿠터를 연결해 기억하는 과정이다. 첫날과 둘째 날 사이에 참가자들은 스트레스 유발 검사를 받은 뒤 둘째 날에는 B-C 이미지 연합쌍을 학습했다. 연한 파란색 스쿠터가 대학 도서관 앞에 세워져 있는 것을 보는 단계라고 할 수 있다. 연구팀은 참가자들이 스쿠터를 보고 친구가 도서관에 있을 것이라고 추론하는 단계에 해당하는 A-C 이미지 쌍을 볼 때 기능성 자기공명영상(fMRI)으로 해마의 활성화 양상을 관찰했다. 그 결과, 스트레스를 강하게 받은 참가자들은 A-B 기억과 B-C 기억을 잘 연결하지 못하는 것으로 나타났다. 이 때문에 스트레스를 받은 사람들은 A-C로 이어지는 추론도 약한 것으로 확인됐다. 급성 스트레스를 받은 사람은 ‘친구가 연한 파란색 스쿠터를 갖고 있다’는 지식과 ‘바깥에 똑같은 스쿠터가 세워져 있으니 친구가 도서관 안에 있을 것’이라는 추론 사이의 연결이 끊어졌다는 의미다. 연구를 이끈 라르스 슈바베 함부르크대 교수는 “이번 연구 결과는 급성 스트레스가 해마의 기억 연결 기능을 교란해 뇌가 별개의 사건들 사이에 연관성을 구축하고 결론을 도출하는 핵심적인 기억 통합 과정을 방해한다는 사실을 확인했다는 데 의미가 있다”며 “이번 연구는 교육, 법률, 임상 현장에 다양하고 광범위하게 활용될 것으로 기대된다”고 설명했다.

상상 때 뇌활동 비교 분석해 보니단순한 외부 자극 처리 활동 아닌감각 변환하는 고차원 연합 영역조현병·PTSD 환자 치료 등 기대 “지식보다 중요한 것은 상상력이다. 논리는 당신을 A에서 Z로 데려다줄 것이고, 상상력은 당신을 어디든 데려다 줄 것이다.” 20세기 최고의 과학자로 꼽히는 알베르트 아인슈타인의 말이다. 아인슈타인이 말한 것처럼 상상력은 지식의 한계를 넘어 새로운 아이디어와 혁신을 만드는 창의적 사고의 핵심이다. 상상력 덕분에 직접 경험하지 않고도 배우고, 계획하며 위험을 피할 수 있다. 그래서 뇌과학은 상상력이야말로 인간 뇌가 할 수 있는 가장 강력한 작업 능력이라고 본다. 사람들은 사과를 떠올릴 때 머릿속에서 사과 이미지를 ‘보고’, 좋아하는 노래를 생각하면 그 노래 리듬이 ‘들린다’. 이처럼 왜 상상에 심상(心象)이 동반되는가는 뇌과학의 오랜 수수께끼다. 지금까지 심상은 ‘감각 재활성화’에 의존하는 것으로 여겨졌다. 감각 재활성화 이론은 눈을 감고 귀를 막아 외부 입력이 없는 상태에서 뇌가 시각, 청각 피질 같은 감각 영역을 다시 켜는 것이 심상이라는 설명이다. 미국 노스웨스턴대 의대 연구팀은 심상은 지금까지 알려진 것처럼 단순히 순수한 감각 현상이 아니라 지각을 해석하고 조직하는 고차원 인지 기능과 밀접하게 연관돼 있다고 1일 밝혔다. 이 연구 결과는 신경과학 분야 국제 학술지 ‘뉴런’ 3월 31일 자에 실렸다. 연구팀은 남녀 실험 참가자 8명을 대상으로 어린이 생일 파티, 언덕 위의 성 같은 8가지 다양한 시나리오를 제시하고 상상하게 한 다음, 정밀 기능성 자기공명영상(fMRI)을 찍어 총 60시간 이상의 데이터를 확보했다. 이어 참가자의 감각 네트워크와 연합 네트워크를 매핑하고, 상상할 때 뇌 활동과 실제 지각 중 뇌 활동을 비교 분석했다. 감각 네트워크는 시각, 청각, 후각, 미각 등 외부 자극을 직접 처리하는 뇌 영역이고 연합 네트워크는 감각 입력을 의미, 맥락, 개념으로 변환하는 고차원 처리 영역이다. 분석 결과, 상상 상태에서 뇌 활동은 순수한 감각 영역이 아닌 고차원 연합 영역에서 활성화되는 것으로 확인됐다. 상상이 단순히 감각의 복사본이 아니라는 의미다. 상상은 원시 감각 입력 단계가 아닌 장면, 단어, 사건, 아이디어 등 정보를 통합 처리하는 후반 단계에서 나타난다는 것이다. 이번 연구는 감각 없이 감각적 경험을 만드는 뇌 메커니즘을 규명했다는 점에서 조현병 환자의 환각, 외상후스트레스장애(PTSD) 환자의 플래시백 현상, 사고력은 정상이지만 머릿속으로 전혀 상상할 수 없는 인지장애인 아판타시아 환자 연구와 치료에 도움을 줄 것으로 기대된다. 연구를 이끈 로드리고 브래가 노스웨스턴대 의대 교수는 “어린이 생일파티에서 날 수 있는 소리를 상상하라고 하면 사람들은 소리만 떠올리는 것이 아니라 자동으로 장면 전체를 그려낸다”고 설명했다. 브래가 교수는 “이번 연구는 외부 자극이 없거나 과거, 미래를 떠올릴 때 활성화되는 디폴트 네트워크가 상상할 때 전반적으로 활성화하는 동시에 무엇을 상상하느냐에 따라 서로 다른 대규모 뇌 네트워크가 통합 활성화된다는 사실을 확인했다”고 덧붙였다.

플라세보는 치료 효과가 없는 약이나 치료법이라도 환자가 신뢰하면 실제 치료에 도움이 된다는 현상으로, 환자의 신뢰를 통해 효과가 나타난다. 플라세보 효과의 정확한 메커니즘은 아직 밝혀지지 않았으나 도파민 같은 신경전달물질의 증가, 감정과 관련 있는 뇌 부위의 활성화, 감정적 반응 등이 연관돼 있다고 추정된다. 그런데 실제로 긍정적 생각을 강화하는 뇌 훈련이 면역력을 높일 수 있다는 연구 결과가 나와 눈길을 끈다. 이스라엘 텔아비브대 심리과학부·생명과학부·인공지능(AI)·데이터과학 연구센터, 텔아비브대 의대 부설 메디컬센터 병리학과, 뇌과학 연구소, 이스라엘 기술연구소(IIT), 미국 예일대 심리학과, 프린스턴대 신경과학 연구소 공동 연구팀은 보상과 긍정적 기대와 연관된 뇌 영역을 활성화하도록 훈련해 백신에 대한 신체 면역 반응을 높일 수 있다고 밝혔다. 이 연구 결과는 의학 분야 국제 학술지 ‘네이처 의학’ 1월 20일 자에 실렸다. 복측선조체(VTA)는 동기 부여와 기대를 조절하는 뇌의 보상 체계 일부다. 동물 연구에서 해당 부위가 면역에 영향을 미칠 수 있다는 사실이 확인됐지만, 인간에게도 적용되는지는 밝혀지지 않았다. 이에 연구팀은 기능성 자기공명영상(fMRI) 기록을 바탕으로 VTA를 포함한 보상 중변연계 경로(reward mesolimbic pathway) 활동을 의도적으로 증가시킬 수 있는 새로운 신경 영상 기반 피드백 접근법을 개발해 성인 남녀 85명을 훈련했다. 연구팀은 참가자에게 여행을 떠올리는 등 과거 즐거웠던 기억을 상기하게 하면서 fMRI로 중변연계 경로 활동을 촬영했다. 이어 참가자를 두 집단으로 나눠 한쪽에만 신경 영상 기반 피드백 접근법을 훈련해 중변연계 활동을 높일 수 있도록 했다. 4번 훈련을 시킨 뒤 모든 참가자에게 B형 간염 백신을 접종했다. 연구팀은 두 집단을 대상으로 백신 접종 전후 최대 4주까지 채취한 혈액으로 면역학적 평가를 했다. 그 결과 높은 VTA 활동을 유지하는 법을 배운 사람들은 혈장 내 백신에 대한 보호 항체 수치가 그렇지 않은 집단보다 훨씬 많이 증가한 것으로 나타났다. 연구팀에 따르면 참가자들은 높은 VTA 활동을 유지하기 위해 긍정적 기대를 포함한 정신적 전략을 사용했다. 이는 플라세보와 같은 효과다. 니찬 루비아니커 예일대 박사는 “이번 연구 결과는 특정 뇌 경로의 활동과 면역 체계 간 잠재적 연관성을 보여준다”며 “긍정적 기대가 치료 효과를 높인다는 플라세보 효과의 기저 경로에 대한 중요한 통찰을 제공하는 동시에 백신 효과를 높이는 새로운 방법을 찾을 수 있을 것”이라고 말했다.

많은 스포츠 경기에서 팬들은 단순 관람부터 강한 감정적 몰입까지 폭넓은 반응을 보인다. 특히 전 세계적으로 35억명의 팬을 가진 축구만큼 라이벌 관계가 명확하고 자신이 응원하는 홈팀과 좋아하는 선수들에게 광적인 반응을 보이는 종목은 많지 않다. 골을 넣으면 환호하고 오심에는 분노하는 등 경기 중 응원 팀의 성공과 실패를 보면서 다양한 감정을 경험한다. 과학자들은 이러한 경쟁 환경에서 나타나는 팬들의 신경생물학적 메커니즘에 대해 주목해 왔다. 칠레 산티아고 알라메나 종합병원, 산세바스티안대 보건과학부 공동 연구팀은 좋아하는 팀의 축구 경기를 시청하는 동안 뇌의 특정 회로 영역이 과도하게 활성화되면서 긍정적·부정적 감정과 행동을 유발한다고 밝혔다. 이번 연구 결과는 북미영상의학회(RSNA)에서 발행하는 국제 학술지 ‘영상의학’ 11월 12일 자에 실렸다. 연구팀은 신체적·정신적으로 건강한 20~45세의 남성 축구 팬 60명을 대상으로 좋아하는 팀, 라이벌 팀, 별 관심이 없는 중립 팀이 관련된 경기에서 나온 63번의 골 장면을 보여 주며 기능성 자기공명영상(fMRI)을 촬영했다. 연구팀은 오랜 숙적을 상대로 득점했을 때, 숙적에게 골을 내줬을 때의 신경 반응과 라이벌이 아닌 중립 팀과의 경기에서 골이 나오는 장면을 시청했을 때를 비교했다. 또 13개 항목으로 구성된 축구 응원 팬덤 척도를 이용해 실험 참가자들의 팬덤 정도를 수치화했다. 이 척도는 폭력 성향과 소속감이라는 측면까지 드러내 보여 준다. 분석 결과, 자신이 응원하는 홈팀이 성공하거나 실패했을 때 평소와 달리 뇌가 활성화되는 부위가 빠르게 변하는 것이 관찰됐다. 특히 라이벌 관계에서는 불과 몇 초 만에 ‘뇌의 가치 평가-제어 균형’이 재구성됐다. 이는 어떤 선택지나 자극이 가져다 줄 보상이나 손실의 크기와 중요성을 뇌가 계산해 충동을 억제하고 장기 목표에 부합하는 행동을 선택하도록 하는 인지적·행동적 통제 과정이다. 뇌의 가치 평가-제어 균형이 무너지면 충동성 과다나 지나친 억제 행동이 나타난다. 연구팀은 뇌의 보상 시스템 영역이 비(非)라이벌 팀에 승리했을 때보다 라이벌 관계에 있는 상대와의 중요한 경기에서 승리했을 때 더 활성화한 것을 확인했다. 이는 내(內)집단 유대감과 사회적 정체성 강화로 이어진다. 반면 패배했을 때는 인지 제어에 중요한 역할을 하는 ‘등쪽 전방 대상 피질’(dACC)이 제어 신호에 대해 ‘역설적 억제’ 현상을 보이는 것을 확인했다. 역설적 억제란 어떤 생각이나 감정, 행동을 억제하려고 할 때 오히려 정반대의 현상이 나타나는 것을 말한다. 자신이 응원하는 팀이 패배했을 때는 정체성 위협으로 인식해 순간적으로 자기 조절에 실패하게 된다. 연구를 이끈 프란시스코 사모라노 산세바스티안대 교수는 “열성적인 스포츠 팬의 활동을 연구하는 것이 중요한 이유는 경기장뿐만 아니라 양극화, 폭력, 첨예한 공중보건 문제에서도 나타나는 일반화 가능한 신경 메커니즘을 보여 주기 때문”이라며 “이런 뇌의 가치 평가-제어 균형 시스템은 어린 시절에 형성되는 만큼 아동기 초기 발달을 소홀히 한다면 광신주의의 해악에 그대로 노출되기 쉽다”고 말했다.

학생들이나 뭔가를 배우는 사람들이 바라는 바는 새로 배운 것을 잘 기억하는 것이다. 그래서, 서점가는 물론 온라인에서도 기억술에 관한 내용들은 사람들의 눈길을 끈다. 이런 상황에서 뇌 과학자들이 새로운 사실을 배워서 잘 기억할 수 있는 방법을 찾아냈다. 이탈리아 트렌토대 마음·뇌 과학 연구센터 연구팀은 학습 중 뇌 특정 영역에서 나타나는 활동의 질이 새로 학습한 내용을 성공적으로 습득하는 것과 밀접한 관계를 갖는다고 25일 밝혔다. 이번 연구 결과는 뇌신경과학 분야 국제 학술지 ‘신경 과학 저널’ 10월 20일 자에 실렸다. 사람들이 개인적 경험을 더 쉽게 기억한다는 사실은 잘 알려졌지만, 비인격적 정보를 학습하는 데 관여하는 뇌 영역과 전략은 불분명하다. 이에 연구팀은 29명의 성인 남녀를 대상으로 ‘왕좌의 게임’ 같은 판타지 작품을 바탕으로 한 세 개의 가상 문명에 대한 120개의 허구적 사실을 학습하고 외우도록 했다. 연구팀은 학습 과제를 수행하는 동안 기능성 자기공명영상(fMRI)으로 뇌의 활성화 부위를 촬영했다. 또, 이틀이 지난 뒤 연구팀은 기억력 테스트를 통해 어떤 사실을 더 잘 기억하는지 평가했다. 연구 결과, 학습 과정에서 장소와 인물에 대한 의미론적 정보에 민감한 특정 영역들이 활발하게 움직이는 것이 관찰됐다. 연구팀에 따르면 개인적 경험과 관련된 정보를 학습하고 기억할 때 활성화되는 부위와 새로운 정보를 기억할 때 활성화되는 부위는 차이를 보였다. 연구를 이끈 스콧 페어홀 트렌토대 교수(인지과학)는 “이번 연구 결과는 세계에 관한 새로운 사실을 학습하는 메커니즘과 우리 삶에서 일어난 일을 기억하는 데 관여하는 뇌 메커니즘과 부분적으로 다르며 서로 다른 구조에 의존한다는 것을 보여준다”고 말했다. 한편, 캐나다 맥길대 심리학과 연구팀은 서로 다른 스토리텔링 전략이 뇌가 그 경험을 기억으로 저장하고 나중에 회상하는 방식에 영향을 미친다는 연구 결과를 뇌신경과학 분야 국제 학술지 ‘신경 과학 저널’ 10월 20일 자에 발표했다. 연구팀은 같은 핵심 사건을 바탕으로 하지만 서로 다른 방식으로 구성된 이야기를 만들었다. 하나는 핵심 사건을 경험하는 동안 개인의 감정과 해석을 묘사하는 세부 사항을 포함하고, 다른 하나에는 핵심 사건에 대한 개인의 구체적 관찰과 같은 지각적 세부 사항을 포함했다. 연구팀은 35명의 성인 남녀에게 각각의 이야기를 들려주며 신경 영상을 촬영했다. 그 결과, 서로 다른 유형의 이야기를 들을 때 활성화되는 뇌신경 네트워크는 차이를 보였으며, 그 차이에 따라 이야기 핵심 요소를 얼마나 잘 기억하는지 예측할 수 있었다. 연구팀은 사람들이 사건에 대해 듣는 방식에 따라 기억을 형성하는 방식이 달라진다고 밝혔다. 연구를 이끈 시그니 셀던 맥길대 교수(행동 신경학)는 “노년층은 경험한 사건을 기억할 때 개념적 기억 체계를 더 많이 활용하고, 젊은 층은 지각적 기억 체계를 선호하는 것처럼 개인과 집단은 서로 다른 기억 체계를 선호한다”며 “기억력을 향상하기 위해서는 연령대별로 정보를 맞춤화하는 것이 필요하다”고 설명했다.

캐나다 콘코디아대, 몬트리올대 노인병연구소, 맥길대 몬트리올 신경학연구소, 호주 매쿼리대, 시드니대, 싱가포르 국립대, 독일 뒤셀도르프 하인리히하이네대, 미국 매사추세츠 종합병원 공동 연구팀은 수면의 형태에 따라 건강, 인지, 생활 방식에서 개인차가 발생한다고 밝혔다. 이 연구 결과는 미국 공공과학도서관에서 발행하는 생물학 분야 국제 학술지 ‘플로스 생물학’ 10월 8일 자에 실렸다. 연구팀은 ‘인간 커넥톰 프로젝트’ 데이터 세트에서 770명의 자료를 사용해 다변량 데이터 기반 분석을 했다. 인간 커넥톰 프로젝트는 인간 뇌 속 신경세포들이 해부학적으로 어떻게 연결돼 있는지 밝혀내고 ‘뇌 지도’를 작성해 뇌 활동의 비밀을 찾는 연구다. 연구에 활용된 데이터는 각 개인의 수면 특성뿐만 아니라 뇌 영상 데이터가 포함돼 있어 이전 수면 연구에서는 알아낼 수 없었던 관계를 찾아낼 수 있다. 또 기능성 자기공명영상(fMRI)으로 신경 영상학적 특성도 분석했다. 그 결과 연구팀은 다섯 가지 생체심리사회적 수면 패턴을 밝혀냈다. 수면 패턴은 우울, 불안, 스트레스를 포함한 정신 병리 현상과도 밀접한 관련이 있는 것으로 나타났다. 특히 짧은 수면 시간은 인지 기능 저하와 연관성이 큰 것으로 확인됐다. 시간과 함께 다양한 측면으로 구성된 수면은 생체심리사회적 요인(생활 방식, 정신 및 신체 건강, 인지 수행 능력)에도 영향을 미치며 뇌의 특정 부위와 연결된 것으로 밝혀졌다. 연구를 이끈 오로르 페로 콘코디아대 박사는 “수면은 정신 건강에 영향을 미치는 핵심 요인 중 하나”라며 “수면 패턴은 건강과 행동뿐만 아니라 뇌의 연결 방식과 움직임에도 반영된다”고 말했다.

서로 정반대 정치 성향을 가진 극좌파와 극우파가 정치 토론을 볼 때 뇌 반응이 놀랍도록 비슷하게 나타났다. 뇌스캔 실험 결과 극단적 정치관을 가진 사람들은 진영이 달라도 감정 처리 방식이 똑같은 것으로 밝혀졌다. 미국 브라운대 연구팀은 극좌파와 극우파 대상으로 진행한 뇌스캔 실험 결과를 국제학술지 ‘성격 및 사회심리학 저널’ 온라인판에 지난달 28일 공개했다. 연구팀은 100점 만점 정치 척도에서 극단적으로 진보적이거나 보수적인 성향을 보인 44명을 실험 대상자로 선별했다. 이들에게 2016년 미국 부통령 후보 토론회 17분짜리 영상을 시청하게 한 뒤, 기능성 자기공명영상(fMRI) 뇌 스캔을 실시했다. 참가자들의 감정적 흥분 상태를 파악하기 위해 피부 전도도를 측정하는 동시에 뇌 활동을 초 단위로 분석했다. 실험 결과, 극단적 정치관을 가진 사람들은 정치적 성향이 정반대여도 뇌 반응이 유사하게 나타났다. 특히 공포나 위협을 감지할 때 작동하는 편도체와 감정을 담당하는 뇌 부위에서 같은 활성화 패턴을 보였다. 반면 중도 성향을 가진 사람들은 개인마다 서로 다른 뇌 반응을 나타냈다. 이는 극좌파와 극우파가 의견은 달라도 뇌에서 정보를 처리하는 방식은 같다는 것을 의미한다. 연구팀은 인공지능(AI)을 이용해 15초 분량 토론의 자극적인 정도를 함께 측정했다. 그 결과 정치적 언어가 더 자극적일수록 극단주의자 간 뇌 동조화가 더욱 강화됐다. 이는 극단적 견해를 지닌 사람들이 도발적인 정치 언어에 노출될 때 정신적 일치 현상이 더 뚜렷해진다는 점을 보여준다. 이런 결과는 정치 양극화에 대한 우려를 더욱 키운다. 온건한 성향의 사람들은 정치적 내용에 대해 다양하고 개인적인 반응을 보이지만, 극단 진영의 사람들은 자극적인 정보를 처리할 때 공통된 방식으로 수렴하는 모습을 보였다. 연구팀은 “극단주의자들이 비슷한 방식으로 정보를 처리한다면, 정치적 진영을 초월해 서로의 시각을 더욱 굳히는 결과를 낳을 수 있다”고 분석했다. 이는 극좌파와 극우파의 과격한 정치적 입장이 갈수록 일반화되는 현상에 일조할 가능성이 있다는 뜻이다. 이번 발견이 해결책을 찾는 데 도움이 될 수 있다는 견해도 제시됐다. 극단주의가 특정 정치적 신념이 아닌 공통된 감정·인지적 과정에서 비롯된다면, 개별 정치 신념 변화보다는 이러한 근본 메커니즘에 주목하는 것이 더 효과적일 수 있기 때문이다. 특히 극단주의에 강화된 공포 반응과 위협 인식이 동반된다는 사실을 파악하면 정치적 갈등 완화 방안을 마련하는 데 유용할 것으로 보인다. 다만 연구팀은 이번 연구가 상관관계만 입증했을 뿐 인과관계는 밝혀내지 못했다고 한계를 인정했다. 극단적 신념이 뇌 패턴을 형성하는지, 반대로 특정 뇌 성향이 극단주의를 유발하는지는 향후 추가 연구를 통해 규명해야 할 과제라고 덧붙였다.

‘신경학 분야 음유 시인’ 올리버 색스(1933~2015)는 저서 ‘뮤지코필리아’에서 뇌와 음악의 다양한 이야기를 풀어놓으면서 “음악은 인간의 본능과 같은 것”이라고 말했다. 그런데, 청력을 포함해 정상적인 오감을 갖고 있으면서도 음악에서 아무런 즐거움을 느끼지 못하는 사람들이 있다. 스페인 바르셀로나대 신경과학 연구소, 벨비트게 생물의학 연구소, 캐나다 맥길대 신경학 연구소, 뇌·음악·소리 연구소, 뇌·언어·음악 연구 센터 공동 연구팀은 다른 경험이나 자극을 즐길 수 있는 능력을 갖추고 있음에도 음악을 즐기지 못하는 사람들은 뇌의 청각 네트워크와 보상 시스템의 단절 때문이라고 9일 밝혔다. 이 연구 결과는 인지 과학 분야 국제 학술지 ‘인지과학 동향’(Trends in Cognitive Sciences) 8월 8일 자에 실렸다. 음악을 즐기지 못하는 사람들은 ‘특정 음악 무쾌감증’(specific musical anhedonia) 때문인데 그 원인이 명확히 밝혀지지 않았다. 이에 연구팀은 음악 무쾌감증 식별을 위해 ‘바르셀로나 음악 보상 설문’(BMRQ)이라는 도구를 개발했다. 이 설문지는 음악이 주는 보상을 다섯 가지 부문으로 측정하는데, 감정을 일으키는 것, 기분을 조절하는 것, 사회적 연결을 촉진하는 것, 춤이나 움직임을 유발하는 것, 새로운 것을 추구하거나 수집하거나 경험하는 것이다. 설문 조사 결과, 음악 무쾌감증이 있는 사람은 BMRQ의 다섯 가지 측면 모두에서 점수가 낮은 것으로 나타났다. 음악 무쾌감증이 있는 사람의 뇌를 기능성 자기공명영상(fMRI)으로 측정한 결과, 음악을 들을 때 뇌의 보상회로 영역 활동이 현저하게 감소하는 것으로 나타났다. 그렇지만, 다른 자극에는 정상적으로 반응하는 것으로 나타났다. 이들은 청각 네트워크와 보상 자극 회로의 연결이 약하거나 끊어져 있는 것으로 확인됐다. 연구팀은 음악 무쾌감증이 있는 사람들의 보상 회로와 청각 기능 모두 지극히 정상이지만 연결 상태가 문제라고 설명했다. 이는 다른 감각에 대해서도 마찬가지 메커니즘이라고 설명했다. 먹방을 즐기는 사람이 있는가 하면, 다른 사람이 먹는 것만 보더라도 포만감을 느끼거나 많이 먹지 못하는 사람은 음식 처리와 관련된 뇌 영역과 보상 회로의 연결에 결함이 있다는 것이다. 연구를 이끈 호셉 마르코-팔라레스 바르셀로나대 교수는 “이번 연구는 뇌신경 회로의 영향으로 사람들이 쾌락과 기쁨을 경험하는 방식이 다르다는 점을 보여주며, 이와 유사한 형태로 개인의 특정 반응에 대한 차이를 설명할 수 있다”며 “특정 자극의 무쾌감증, 중독, 섭식 장애와 같은 보상 관련 장애에 관한 새로운 치료법 개발에 도움이 될 것으로 기대한다”고 말했다.

러시아의 대문호 톨스토이의 소설 ‘안나 카레니나’에는 “행복한 가정은 모두 엇비슷하고, 불행한 가정은 불행한 이유가 제각기 다르다”라는 유명한 문장이 나온다. 행복과 불행의 본질에 대한 통찰을 담고 있는 이 문장은 행복의 조건에는 보편성이 있지만, 불행은 개개인의 다양한 요인으로 인해 발생한다는 것을 의미한다. 그런데, 낙관론과 비관론도 이와 비슷하다는 연구 결과가 나왔다. 일본 고베대 심리학과, 교토대 미래 인간사회 연구소, 오사카 종합보육대 유야교육학부, 긴키대 경영학부, 호주 라트로브대 심리·공중 보건학부 공동 연구팀은 미래 사건을 생각할 때 낙관주의자의 뇌는 유사하게 작동하지만, 비관주의자 뇌는 각자의 방식으로 작동해 개별성이 강하다고 24일 밝혔다. 낙관주의자들은 미래에 대한 공통된 비전을 공유하고 있어, 훨씬 더 사교적이라고 연구팀은 설명한다. 이 연구 결과는 미국 국립과학원에서 발행하는 국제 학술지 ‘PNAS’ 7월 22일 자에 실렸다. 일반적으로 낙관주의자는 자기의 사회적 관계에 더 만족하고, 넓은 사회적 네트워크를 갖는다. 최근 연구에 따르면 사회적으로 중심적 위치를 차지하는 사람들의 뇌는 자극에 유사한 반응으로 반응하기 때문이다. 미래에 대한 태도도 비슷하고, 이를 공유하면서 뇌에서 미래를 비슷하게 상상하면서 서로의 관점을 더 쉽게 이해할 수 있다는 주장이다. 연구팀은 이를 검증하기 위해 사회심리학자와 인지신경과학자로 구성된 연구팀은 비관주의자부터 낙관주의자까지 다양한 스펙트럼을 가진 남녀 87명을 대상으로 다양한 미래 사건을 상상하도록 했다. 이들이 미래 특정 상황을 상상하는 동안 기능적 자기공명영상(fMRI) 촬영을 통해 뇌신경 활동 패턴을 관찰했다. 연구 결과, 낙관주의자가 미래 사건에 대해 생각할 때는 신경 활동 패턴이 서로 매우 유사한 것으로 관찰됐다. 반면, 비관주의자들의 신경 활동 패턴은 훨씬 다양하고 독특하게 나타났다. 낙관적인 사람들은 뇌에서 좋은 미래와 나쁜 미래를 명확히 구분해 인식한다고 연구팀은 설명했다. 낙관주의자는 부정적 사건을 긍정적으로 재해석하는 것이 아니라, 부정적 시나리오를 더 추상적이고 심리적으로 먼 방식으로 처리해 부정적 시나리오의 정서적 영향을 완화하는 방식을 구사한다. 쿠니아키 야나기사와 고베대 교수(사회 인지과학)는 “이번 연구는 일상에서 느끼는 ‘주파수가 일치한다’라거나 ‘같은 파장에 있다’는 느낌은 단순한 비유가 아니라 실제 뇌신경의 활동 결과임을 보여준다”라며 “낙관주의자의 뇌는 물리적 의미에서 미래에 대한 공통 개념을 공유할 수 있다는 것을 파악한 만큼, 이런 메커니즘이 타고난 것인지 경험으로 나중에 형성되는지 추가 연구 중”이라고 설명했다.

인공지능(AI) 시대가 될수록 문해력으로 대표되는 읽고 이해하는 능력 그리고 수학 이해력이 중요하다고 전문가들은 지적합니다. 문해력과 수학 이해력의 특징 중 하나는 시간이 지날수록 격차가 벌어진다는 점입니다. 특히 수학 이해력은 사회경제적 조건과 같은 외부 환경 요인만큼 뇌의 특성도 상당한 영향을 미친다는 연구 결과가 점점 많이 나오고 있습니다. 이런 가운데 영국 옥스퍼드대, 스완지대, 서리대, 캐나다 맥길대 의대, 몬트리올 더글러스 정신보건대 연구소, 토론토 서니브룩 연구소, 토론토대, 미국 스탠퍼드대 공동 연구팀은 뇌신경 연결 상태를 측정하면 수학 학습 능력을 예측할 수 있고, 이 신경 네트워크에 약한 전기 자극을 주면 수학 실력이 다소 향상될 수 있다고 밝혔습니다. 이번 연구 결과는 생물학 분야 국제학술지 ‘플로스 생물학’ 7월 2일자에 실렸습니다. 연구팀은 18~30세 남녀 72명을 대상으로 5일 동안 매일 일정 시간 단순 계산, 복잡한 증명이 필요한 계산 등 다양한 형태의 수학 문제를 풀게 했습니다. 연구팀은 실행 기능과 계산에 중요한 역할을 하는 배외측 전전두피질(dlPFC), 기억 회상에 관련된 후두정피질(PPC)에 약한 전기 자극을 주고 전기 자극 전후 수학 점수를 평가했습니다. 연구팀은 양자 자기공명분광법으로 뇌의 학습과 변화 능력에 관여하는 뇌 속 화학물질의 변화를 측정하고, 기능성 자기공명영상(fMRI)으로 뇌 활동을 살펴봤습니다. 연구 결과 dlPFC, PPC, 장기 기억과 관련한 해마 간 연결이 강할수록 수학 이해력이 더 뛰어난 것으로 나타났습니다. 또 dlPFC와 PPC 영역 간 연결이 약한 사람들은 dlPFC에 약한 전기 자극을 받은 뒤 문제 풀이 능력이 이전보다 향상된 점이 관찰됐습니다. 수학과 관련해 신경 생물학적 단점을 가진 사람들의 최소한의 수학 학습을 돕기 위해 외부에서 뇌를 자극하는 것도 도움이 될 수 있다고 연구팀은 설명했습니다. 연구를 이끈 로이 코언 카도시 서리대 교수는 “최근 많은 연구에서 생물학적 요인이 환경적 요인보다 수학 교육 성과에 더 큰 영향을 미칠 수 있음을 보여 주고 있다”며 “그러나 지금까지는 학습 능력 개발을 위해 교사 재교육이나 커리큘럼 재설계 등 환경 변화에만 초점을 맞췄을 뿐 학습자의 신경생물학적 특성은 간과했다”고 지적했습니다. 카도시 교수는 “이번 연구를 바탕으로 학습 능력의 신경생물학적 문제를 해결하는 혁신적인 방법을 개발한다면 더 많은 사람이 잠재력을 발휘할 수 있고 다양한 진로 접근도 돕게 될 것”이라며 “학습 능력 향상을 통해 장기적으로는 소득, 건강, 웰빙의 불평등 문제도 해결할 수 있을 것으로 기대한다”고 덧붙였습니다.

호두가 뇌에 좋은 음식이라는 속설이 있다. 꼬불꼬불한 덩어리 같은 호두 모양이 주름이 많은 뇌와 닮았기 때문인데 실제로 뇌에 좋은 것 자체가 사실이다. 호두에는 오메가3 지방산과 플라보노이드 같은 물질이 풍부해 뇌의 인지 기능을 돕는다. 뇌에 있는 주름은 신경 세포가 모여 있는 대뇌 피질의 표면적을 늘려 뇌세포 숫자도 증가시키는 역할을 하는 것으로 여겨진다. 최근 과학자들은 이외에 다른 기능도 발견했다. 대뇌피질에서 움푹 파인 곳을 고랑(sulcus), 반대로 올라온 곳을 이랑(gyrus)이라고 하는데 뇌의 고랑 부분이 일종의 지름길로 역할한다. 캘리포니아 대학 버클리 캠퍼스(UC 버클리) 소속 헬렌 윌스 뇌과학 연구소의 실비아 번지·케빈 웨이너 교수 연구팀은 뇌의 삼차 고랑(tertiary sulci)이 어떻게 뇌의 다른 부분과 연결되어 사고 기능을 수행하는지 조사했다. 연구 보고서는 신경과학저널(JNeurosci) 5월 19일자로 실렸다. 3차 고랑은 뇌의 발달에서 가장 나중에 완성되는 부분으로 역시 뇌의 주름이 많은 편인 침팬지 같은 인간의 근연종에서 볼 수 없는 인간의 고유 구조다. 따라서 매우 높은 사고 기능을 담당하는 부위로 여겨진다. 특히 3차 고랑은 6세부터 청소년기까지 빠르게 발달한다. 연구팀은 6세에서 18세 사이의 건강한 자원자 43명을 대상으로 뇌의 기능을 조사하는 기능자기공명영상법(fMRI) 검사를 시행했다. 이들에게 사고력을 테스트하는 과제를 주고 이를 푸는 와중에 뇌 활동 변화를 찍었다. 연구 결과 인간이 사고력이 필요한 작업을 할 때 측면 전전두엽 피질(lateral prefrontal cortex)의 3차 고랑은 뇌의 주요 부위와 연결되어 작업을 수행했다. 3차 고랑이 뇌 안으로 깊이 들어가면 이들과 더 빠르고 효율적으로 신호를 주고받는 것으로 확인됐다. 따라서 뇌의 주름은 단순히 표면적을 늘리는 것만이 아니라 뇌의 주요 부분을 빠르게 연결하는 지름길 역할도 함께 담당하는 셈이다. 인간의 뇌는 다른 동물보다 부피만 큰 게 아니라 매우 효율적으로 연결되어 뛰어난 기능을 수행할 수 있다. 인간의 뇌는 소우주와 같다는 이야기가 있다. 수많은 뇌세포가 서로 연결되어 있어 우주처럼 복잡하다는 뜻이다. 우주를 연구하는 과학자들이 하나씩 그 비밀을 풀어나가듯 뇌 과학자들도 비밀을 파헤치고 있다. 언젠가는 인간이 어떻게 생각을 하고 자아를 갖는지에 대해 과학이 자세히 말해 줄 수 있는 날이 오게 될 것으로 기대된다.

찰스 다윈은 생물 진화는 물론 언어 진화에도 관심이 많았다. 1871년 출간된 ‘인간의 유래와 성 선택’에서 다윈은 세대를 거쳐 변이가 쌓이고 선택되고 유전되는 것이 생물 진화뿐만 아니라 언어 같은 문화의 진화에도 적용할 수 있다고 봤다. 실제로 많은 학자가 인간의 의식과 문화를 연구할 때 사용하는 것 중 하나가 언어다. 그런 관심은 뇌 신경과학자들에게 이어지고 있다. 언어가 사람의 정신 건강과 의식에 지대한 영향을 미친다는 연구 결과가 잇따라 나와 눈길을 끈다. 영국 노섬브리아대, 시티 런던대 공동 연구팀은 긍정적인 표현을 사용한 글쓰기가 개인차가 있기는 하지만 전반적으로 심리적 건강과 웰빙을 향상한다는 사실을 확인하고 미국 공공과학도서관에서 발행하는 국제 학술지 ‘플로스 원’ 5월 22일자에 발표했다. 일기처럼 개인적 이야기를 꾸준히 쓰면 글솜씨도 늘고 스트레스나 부정적 감정 해소에도 도움이 된다는 사실은 잘 알려져 있다. 그렇지만 긍정적 표현의 글쓰기가 실제 그런 효과를 주는지에 대한 실증 연구는 없었다. 이에 연구팀은 1930년부터 2023년까지 글쓰기, 특히 긍정적 글쓰기에 관한 논문 51편을 메타 분석했다. 그 결과 ‘감사 글쓰기’, ‘최고의 나’, ‘나의 장점’처럼 긍정적 표현의 글쓰기는 심리적 안정감과 주관적으로 느끼는 웰빙 지수를 일관되게 개선한 것으로 관찰됐다. 특히 행복감, 삶의 만족도, 주변에 대한 긍정적 인식 같은 지표에서 두드러진 효과를 보인 것으로 나타났다. 또 사람마다 차이를 보였지만, 개인의 불안 경향을 나타내는 ‘특성 불안’이나 우울증 같은 정신 건강 지표도 전반적으로 긍정적 글쓰기 이전보다 나아진 것으로 조사됐다. 한편 중국 베이징 사범대, 산시의대 제1병원, 시안 북서대 부속병원, 베이징대 심리·인지과학부, 인공지능 연구소, 기계 인식 연구소 공동 연구팀은 언어란 단순히 의사소통을 위한 도구가 아니라, 감각적 경험을 뇌에 저장하는 방식에 영향을 미치는 수단이라고 밝혔다. 이 연구 결과는 미국 공공과학도서관에서 발행하는 생물학 분야 국제 학술지 ‘플로스 생물학’ 5월 21일자에 실렸다. 보통 ‘바나나’라는 단어를 들으면 반사적으로 노란색을 떠올린다. 물체의 인식과 시각 정보를 처리해 기억하는 데 관여하는 뇌 부위인 배측후두측두피질(VOTC)과 언어와 관련된 등측전방측두엽(ATL)이 자극되면서 나타나는 현상이다. 그런데 ATL에 손상이 있는 치매 환자는 시각 처리 영역이 정상이더라도 색상을 떠올리는 데 어려움을 겪는다. 이에 연구팀은 뇌의 언어 시스템과 감각 연합 시스템을 연결하는 신경 통로가 손상된 뇌졸중 환자 33명과 일반인 35명을 대상으로 여러 가지 색종이를 보여 주면서 색깔을 말하도록 했다. 연구팀은 실험 대상자들이 색을 보고 말로 표현하는 동안 기능성 자기공명영상(fMRI)으로 뇌 활동을 기록하고, 확산 영상(DI)으로 언어 영역과 VOTC 사이의 백질 연결 관계를 매핑했다. 그 결과 언어 처리 영역과 시각 처리 영역 사이의 연결이 강할수록 VOTC에서 물체의 색상 표현이 더 강하게 나타났으며, 물체의 색상 지식 과제에서 더 나은 수행 능력을 보였다. 뇌졸중이나 치매 환자에게 나타나는 문제는 병변의 차이, 관련 인지 과정, 초기 시각 처리 단계 문제 때문에 나타나는 것이 아니라, 뇌에서 시각과 언어 간 정교한 연결 관계에 영향을 받기 때문이라는 게 연구팀의 설명이다.

바쁘게 돌아가는 세상을 사는 현대인들은 몸과 마음은 물론 뇌도 피곤하다. 그래서 뇌과학자들은 가끔 멍때리기로 뇌에 휴식 시간을 줘야 한다고 조언한다. 그렇지만, 바쁜 뇌를 잠시 쉬게 해주는 의도적 멍때리기와 생각이 멈춰 머릿속이 하얗게 되는 상태(마음 멍하기·mind blanking)는 다르다. 멍해지는 상황에서 뇌는 어떻게 움직이는 것일까. 프랑스 소르본대 뇌 연구소, 리옹 신경과학 연구센터, 호주 모나시대 의식·사색 연구센터, 철학과, 벨기에 리에주대, 심리학 및 신경과학 인지연구소 공동 연구팀은 ‘생각이 멈추는 상태’는 뇌의 전두엽, 측두엽, 시각 네트워크에서 특정 신경 신호가 나타나는 것을 관찰했다고 27일 밝혔다. 이 연구 결과는 뇌신경 과학 분야 국제 학술지 ‘인지 과학 경향’(Trends in Cognitive Sciences) 4월 24일 자에 실렸다. 머릿 속이 하얗게 되는 현상은 멍한 상태에서 의식적 인식이 전혀 없는 상태까지 다양한 상태를 말한다. 마음 멍하기는 의도적으로 멍때리는 상황과 달리 더 졸리고, 느리고, 더 많은 실수를 만들어 내는 상태다. 이에 연구팀은 마음 멍하기와 같은 상태의 뇌 활동을 조사한 관련 연구 논문 80개를 메타분석 했다. 분석 결과, 마음 멍하기로 정의되는 현상의 일반적 경험에는 주의력 저하, 기억 문제, 내적 언어의 중단 등이 포함된다. 마음 멍하기는 ‘정신 장애 진단 및 통계 메뉴얼’(DSM-5)에서 범불안 장애의 임상적 증상과 비슷하게 나타나며, 뇌졸중, 발작, 외상성 뇌 손상, 하루 20시간 이상 잠에 빠지는 클라이네-레빈 증후군 같은 여러 다른 임상적 상태와도 관련이 있는 것으로 조사됐다. 또, 모든 사람에게 나타나지만, 빈도는 다르고 평균 5~20% 시간 동안 경험하는 것으로 나타났다. 마음 멍하기는 시험과 같은 긴 시간 동안 지속적 주의가 있어야 하는 마지막 부분이나 수면 부족, 격렬한 신체 운동 후에 자주 발생하지만, 깨어 있는 일반적 상태에서도 나타난다. 또 주의력 결핍 과다행동 장애(ADHD)가 있는 아동은 마음 멍하기 상태가 더 자주 나타나는 것으로 조사됐다. 기능성 자기공명영상(fMRI)과 뇌파검사(EEG)로 조사한 결과 마음 멍하기 증상이 나타나기 직전에 뇌의 전두엽, 측두엽, 시각 네트워크에서 특정 신경 신호가 나타나는 것으로 확인됐다. 심박수와 동공 크기가 감소하고 뇌에서는 신호 복잡도가 낮아지는 것으로 조사됐다. 의도적으로 멍 때리는 상황에서는 하전두이랑, 브로카 영역, 보조운동피질, 해마가 비활성화되는 것이 관찰됐다. 연구팀에 따르면 마음 멍하기는 뇌가 지나친 각성 상태이거나 과도하게 낮은 각성 상태일 때 더 자주 나타난다고 설명했다. 연구를 이끈 토마 안드리용 벨기에 리에주대 박사는 “다양한 형태의 멍하기의 공통 요인은 각성 수준 변화와 관련이 있을 수 있으며, 기억, 언어, 주의와 같은 주요 인지 메커니즘의 오작동으로 이어질 수 있음을 이번 연구는 보여주고 있다”라고 설명했다.

열량이 없거나 적어서 다이어트에 도움이 된다고 알려져 온 인공 감미료가 설탕보다 배고픔을 더 유발할 수 있다는 연구 결과가 나왔다. 지난 4일(현지시간) 영국 일간 인디펜던트, CNN 등에 따르면 미국 서던캘리포니아대학교 연구진은 최근 국제 학술지 ‘네이처 메타볼리즘’에 게재된 연구에서 설탕 대체물인 무열량 감미료 수크랄로스가 식욕을 조절하는 뇌 영역인 시상하부 활동을 증가시키는 것을 발견했다. 연구진은 18~35세 성인 75명을 대상으로 물과 수크랄로스 음료, 설탕 음료를 마신 후 어떤 반응을 보이는지 시험했다. 참가자들은 각각의 음료를 마시기 전과 후 기능적 자기공명영상(fMRI), 혈액 검사를 받았다. 그 결과 설탕 음료를 마실 때보다 수크랄로스 음료를 마실 때 배고픔과 신진대사를 조절하는 뇌 시상하부 활동이 증가하고 배고픔을 느끼는 정도도 증가했다. 특히 비만한 사람들의 배고픔 정도가 증가했다. 설탕 음료를 마시면 혈당 수치가 상승하고 신체는 인슐린과 글루카곤 유사펩티드-1(GLP-1)을 분비한다. 이 호르몬은 뇌에 ‘충분히 먹었다’는 신호를 보낸다. 그러나 수크랄로스 음료는 혈당을 높이지 않았고 인슐린, GLP-1 호르몬도 증가시키지 않았다. 연구 공동 저자인 캐슬린 알라나 페이지 박사는 “신체는 이러한 호르몬을 사용해 뇌에 열량을 섭취했다는 것을 알려 배고픔을 줄이는데 수크랄로스는 그런 효과가 없었다”며 “수크랄로스에 대한 호르몬 반응의 차이는 설탕에 비해 비만한 참가자에게서 훨씬 더 두드러졌다”고 했다. 페이지 박사는 “신체가 단맛 때문에 열량을 기대하지만 기대하는 열량을 얻지 못하면 시간이 지나면서 뇌가 해당 물질을 더 갈망하도록 할 수 있다”고 덧붙였다. 연구진은 또한 수크랄로스를 섭취하면 시상하부와 동기, 감각 처리, 의사 결정 등에 관여하는 뇌 영역 사이의 연결성이 증가한다는 사실을 발견했다. 이러한 결과를 바탕으로 연구진은 수크랄로스가 갈망이나 식습관에 영향을 미칠 수 있다고 봤다. 페이지 박사는 “설탕을 무열량 감미료로 대체하는 것을 권장하지 않는다”면서 “설탕 대체물이 시간이 지나면서 더 큰 갈망을 유발할 수 있다”고 지적했다. 이어 “사람들이 모든 첨가 감미료를 끊고 과일과 채소에서 자연적으로 발견할 수 있는 당분 섭취에 집중해야 한다”고 제안했다.

학창 시절, 간혹 영유아기 때 있었던 일을 기억한다는 친구들을 볼 수 있었습니다. 물론 아주 어린 시절을 기억하는 사람들도 전혀 없지는 않겠지만, 부모나 친인척들의 이야기를 본인의 기억으로 착각하는 경우가 대부분입니다. 전생을 기억하게 해준다는 최면술로도 말 못하고 기어다니던 생후 몇 달, 몇 년까지 기억해 내지 못합니다. 기억을 저장하는 뇌의 해마가 충분히 발달하지 않았기 때문인지, 기억을 불러낼 수 없기 때문인지는 뇌 과학이 발달한 요즘도 완전히 풀어내지 못한 수수께끼 중 하나였습니다. 미국 컬럼비아대, 뉴욕 사회연구대학(NSSR), 예일대, 스탠퍼드대 공동 연구팀은 우리가 어린 시절을 기억하지 못하는 것은 기억을 만들지 못하기 때문이 아니라 기억을 회상·복구하는 데 어려움이 있기 때문이라고 26일 밝혔습니다. 이 연구는 과학 저널 ‘사이언스’ 3월 20일 자에 실렸습니다. 연구팀은 2016년 뉴욕대와 마운트 시나이 아이컨 의대 연구팀이 광유전학 기술로 어른 생쥐의 특정 신경세포를 활성화해 영유아기 시절 기억이 여전히 존재한다는 사실을 밝혀낸 연구 결과를 근거로 사람도 영유아기 기억이 존재한다는 가정을 하고 실험에 착수했습니다. 연구팀은 생후 4개월에서 2세 사이 영유아 26명에게 새로운 얼굴, 사물, 장면의 이미지를 2초 동안 보여 주고 1분이 지난 뒤 같은 이미지를 다시 보여 주면서 각각 기억에 관여하는 해마의 활동을 기능성 자기공명영상(fMRI)으로 촬영했습니다. 그 결과 아기가 새로운 이미지를 볼 때 해마 활동이 활발할수록 같은 이미지를 다시 보여 줄 때 더 오래 보는 것을 확인했습니다. 아기들은 익숙한 것을 보는 데 더 많은 시간을 보내는 경향이 있기 때문에, 이 연구 결과는 아기가 이전에 본 것을 기억하고 있다는 것을 의미합니다. 실제로 똑같은 사진을 다시 볼 때 아기들의 해마 뒤쪽 부분이 활발하게 움직이는 것이 fMRI로 관찰됐습니다. 해마 뒤쪽 부분은 기억을 회상하는 데 중요한 역할을 하는 부위입니다. 연구팀은 성인이 생후 첫 몇 년을 기억하지 못하는 ‘영아기 기억상실증’이 나타나는 것은 회상 문제 때문이라고 설명했습니다. 기억이 처음 저장된 방식과 뇌가 기억을 되살리기 위해 사용하는 검색 단서 사이의 불일치로 인해 발생한다는 것이지요. 아기 때 경험이 나중에 성장하면서 뇌가 보고 들은 것을 맥락에 맞춰 분류하고 범주화할 수 있을 때와 매우 다르기 때문이라는 말이기도 합니다. 기어다니다가 걷는 것만으로도 세상을 바라보는 관점이 달라지는 것처럼 말이지요. 연구를 이끈 니컬러스 터크 브라운 예일대 교수는 “이번 연구에서 중요한 부분은 말 못 하는 아기들도 기억을 형성하는 능력이 있음을 증명했다는 점”이라면서 “성인이 돼서도 아기 때 기억이 남아 있을 수 있다는 것은 확실하지만, 그 기억에 접근할 수 없을 뿐”이라고 말했습니다.

영어단어를 아무리 열심히 외워도 까먹는다고 호소하는 학생들이 많다. 머리가 나빠서일까, 아니면 외우는 것보다 이해하는 것을 좋아하는 이과 성향 때문일까. 둘 다 정답이 아닐 수 있다. 기억의 메커니즘을 제대로 이해하지 못해 외우는 방법이 틀렸기 때문일 수 있다. 단어나 어떤 정보를 외울 때 단어나 용어 하나만 책에 나온 그대로 외우는 것이 아니라 자기 경험과 연관시키거나 문장과 함께 통합적으로 기억하는 것이 나중에 훨씬 잘 떠올릴 수 있다는 연구 결과가 나왔다. 기초과학연구원(IBS) 뇌과학 이미징 연구단, 성균관대 글로벌메디컬공학과 공동 연구팀은 새로운 정보 처리, 기억 형성, 회상과 같은 일련의 과정을 뇌 속 해마가 어떻게 통합적으로 조율하는지 규명했다고 3일 밝혔다. 이 연구 결과는 기초과학 및 공학 분야 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’에 실렸다. 연구팀은 실험 참가자들에게 유튜브 웹드라마를 보여준 다음, 자유롭게 줄거리를 회상하게 하면서 기능성 자기공명영상(fMRI)으로 뇌 신호를 측정했다. 참가자들에게 보여준 웹드라마는 대학생들의 연애와 우정을 다루며, 삼각관계와 이별 같은 다양한 갈등을 포함하고 있는 내용이었다. 분석 결과, 새로운 정보가 적은 장면일수록 사람들은 더 잘 기억하는 경향이 나타났다. 이는 새로운 정보를 감지하는 과정과 기억 형성 과정이 연관돼 있음을 의미한다고 연구팀은 설명했다. 또, 해마는 영화 장면마다 새로운 정보 처리, 기억 형성, 기억 회상 과정을 처리하고 일련의 과정을 조율하는 역할을 한다는 것이 확인됐다. 이에 연구팀은 해마의 조율 기능을 중심으로 각 인지 과정의 핵심 신경 신호축인 기억 형성 공간, 기억 회상 공간, 새로운 정보 처리 공간을 추출해 fMRI 정보를 분석했다. 그 결과, 새로운 정보를 처리하는 공간과 기억 형성 공간은 신경 활동이 특정 축을 따라 조율, 정렬되는 방식으로 상호작용하는 것이 관찰됐다. 정렬은 신경 신호 패턴이 서로 유사하게 배치되고 조화를 이루는 것으로, 해마가 새로운 정보를 처리한 뒤 기억 형성과 통합하는 것을 돕는다는 점을 의미한다. 반면, 기억 회상 공간은 기억 형성 공간과만 정렬돼 있었고, 새로운 정보를 처리하는 공간과는 정렬되지 않는다는 것을 확인했다. 새로운 정보 처리 공간과 기억 형성 공간의 정렬이 더 잘 이뤄진 사람일수록 영화 내용을 잘 기억하는 경향이 나타났다. 해마에서 기억을 형성할 때 신경 신호 패턴이 얼마나 잘 조율, 정렬하는지가 기억력을 높이는 핵심이라는 점을 보여주는 부분이다. 연구에 참여한 심원목 성균관대 교수는 “이번 연구는 뇌 활성화 패턴을 분석해 기억 형성과 회상 과정을 조율하는 해마의 메커니즘을 밝혔다는 점에서 의미가 크다”라고 말했다.

요즘은 스마트폰으로 쉽게 찾아볼 수 있지만, 사실 지도는 인류 발전을 이끈 중요한 수단이었다. 과학사적으로 보더라도 그리스 천문학자이자 지리학자 프톨레마이오스가 최초로 만든 세계 지도는 지구에 대한 인류의 생각을 바꿨고, 천문학자 튀코 브라헤의 천체 지도는 우주에 대한 관점을 변화시켰다. 갈레노스, 레오나르도 다빈치, 베살리우스가 만든 인체 지도는 현대 의학을 발전시키는 계기가 됐다. 뇌과학자들이 완벽한 뇌신경 지도를 만들려는 이유도 인간을 더 잘 이해하기 위해서다. 미국 매사추세츠공과대(MIT) 뇌 연구소, 뇌·인지과학과, 영국 케임브리지대 인지·뇌과학 연구실, 캐나다 맥길대 몬트리올 신경학 연구소와 구글 딥러닝 인공지능(AI) 연구팀인 구글 브레인 공동 연구팀은 영화를 보는 동안 뇌를 스캔해 사람, 무생물, 움직임, 대화가 등장하는 장면을 처리하는 데 관여하는 뇌 부위와 기능을 보여 주는 상세한 지도를 제작했다. 이 연구 결과는 신경학 분야 국제 학술지 ‘뉴런’ 11월 7일 자에 실렸다. 지금까지 뇌 기능 네트워크에 관한 대부분의 연구는 휴식 중인 사람의 기능성 자기공명영상(fMRI)을 기반으로 이뤄졌다. 문제는 외부 자극이 없으면 뇌의 많은 부분은 완전히 활성화되지 않아, 뇌 기능을 명확히 파악하기 어렵다는 점이다. 이에 연구팀은 뇌 기능 네트워크가 복잡한 시청각 자극에 어떻게 반응하는지 분석에 나섰다. 연구팀은 휴먼 커넥톰 프로젝트에서 수집한 자료를 활용했다. 휴먼 커넥톰 프로젝트는 뇌의 동작 원리를 파악하기 위해 뇌신경 연결 지도를 만들기 위한 대형 연구였다. 연구팀은 젊은 남녀 176명을 대상으로 다양한 독립 영화와 ‘인셉션’, ‘소셜 네트워크’, ‘나 홀로 집에’ 등 할리우드 영화의 짧은 클립을 1시간 시청하는 동안 찍은 fMRI 데이터를 조사했다. 연구팀은 모든 실험 참가자의 뇌 활동을 정량화한 뒤 AI 머신러닝 기술로 대뇌 피질의 뇌 네트워크를 구분했다. 영화의 장면별, 상황별 콘텐츠에 따라 뇌 네트워크가 어떻게 변화하고 연결되는지 조사했다. 분석 결과 사람의 얼굴이나 신체, 움직임, 장소, 사람과 무생물 간 상호작용, 언어, 사회적 상호작용 등 감각과 인지 처리 영역에서 24개의 서로 다른 뇌 네트워크가 있다는 점을 발견했다. 또 사람들이 계획하고 문제를 해결하며 정보의 우선순위를 정하는 뇌의 집행 통제 영역과 구체적 기능을 수행하는 뇌 영역 사이에는 반비례 관계가 있는 것으로 나타났다. 집행 통제 영역은 인지 부하가 높은 어려운 상황에서 활성화된다. 영화 내용이 이해하기 어렵거나 모호할 때는 실행 통제 영역이 활발하지만, 이해하기 쉬운 장면에서는 언어 처리 같은 구체적 기능을 가진 뇌 영역이 우세해진다. 연구를 이끈 로버트 데시먼 MIT 교수(신경과학)는 “이번 연구는 자연스러운 상황에서 활성화되는 뇌의 다양한 영역과 네트워크를 파악한 첫 시도”라며 “비슷한 환경이라도 의미론적, 사회적 맥락에 따라 뇌가 어떻게 활성화되고 뇌 네트워크가 형성하는지 추가 연구할 것”이라고 말했다.

한없이 더울 것만 같던 여름이 가고 가을이 깊어지면서 거리의 나무들도 울긋불긋 옷을 갈아입고 있습니다. 가을이 되면 우울감과 함께 극심한 피로감을 느끼며 수면 장애를 겪는 이들도 늘어납니다. 평소와 똑같이 생활하고 스트레스가 더 심해진 것 같지도 않은데 날씨가 선선해지고 계절이 바뀌면서 갑자기 밤잠을 이루기 힘들어지곤 합니다. 밤이 길어지고 일조량이 줄어들어 멜라토닌 분비가 늘어나면서 나타나는 ‘계절성 불면증’ 때문입니다. 이상하게 생각될 수 있겠지만 갑자기 잠이 많아지는 것도 불면증이랍니다. 어쨌든 ‘시간이 약’이라며 불면증을 방치할 경우 다양한 질환의 원인이 될 수 있기 때문에 주의해야 합니다. 미국 캘리포니아 샌프란시스코대(UCSF) 연구팀은 수면의 질이 좋지 않아 잠드는 데 시간이 오래 걸리거나, 깊이 잠들지 못하는 사람은 중년 후기부터 뇌 건강이 급격히 악화할 수 있다고 밝혔습니다. 이 연구 결과는 신경과학 분야 국제 학술지 ‘신경학’ 10월 24일자에 실렸습니다. 연구팀은 평균 연령 40세인 건강한 성인 남녀 589명을 대상으로 수면과 뇌 건강의 관계를 장기 추적 조사했습니다. 실험 참가자들은 5년 간격으로 수면 시간, 깊이 잠드는 정도, 잠드는 데 걸리는 시간, 잠에서 깨는 횟수, 아침에 일어나는 시간, 낮에 졸림 정도 등 수면의 질과 관련한 여섯 가지 특성을 묻는 설문지를 작성했습니다. 연구팀은 설문 조사의 나쁜 수면 특성 답변 개수에 따라 실험 참가자들을 세 그룹으로 나눴습니다. 첫 번째 그룹은 나쁜 수면 특성이 0~1개 있는 사람, 중간 그룹은 2~3개, 높은 집단은 4개 이상 답한 사람으로 구분했습니다. 그리고 15년 뒤 기능성자기공명영상(fMRI)으로 뇌를 찍었습니다. 연구팀은 설문 조사와 fMRI 결과를 종합해 인공지능(AI) 기계학습으로 참가자별 뇌 나이를 계산했습니다. 그 결과 중간 그룹은 낮은 집단에 비해 평균 1.6세 뇌 나이가 더 많았고, 높은 그룹은 평균 2.6세 더 많은 것으로 나타났습니다. 특히 잠들기 어려워하고, 깊이 잠들지 못하며, 이른 아침에 깨는 것이 다른 요인보다 뇌 노화에 더 큰 영향을 미치는 것으로 조사됐습니다. 불면증은 신체적 피로감과 함께 우울감까지 동반해 삶의 질을 악화하고, 장기적으로는 뇌 건강에도 악영향을 미치는 만큼 서둘러 치료하는 것이 좋을 듯싶습니다.

자녀 향한 부모 사랑, 가장 강렬인간·동물·자연 따라 활동 달라애착 등 정서장애 치료에 도움 1970~80년대 대중음악은 유독 사랑을 소재로 한 것이 많다. 1980년대 인기가수 이용의 ‘사랑과 행복, 그리고 이별’이라는 노래의 “사랑이란 왠지 모른 척해도 관심이 있는 게 사랑이야. 그대 믿을 수 없어 애타는 마음이 사랑이야, 그대 소중한 것을 모두 다 주는 게 사랑이야”라는 가사는 사람들이 생각하는 사랑의 복잡성을 비교적 정확히 말한다. 국어사전은 ‘사랑’을 “어떤 사람이나 존재를 몹시 아끼고 귀중히 여기는 마음. 또는 그런 일”이라고 설명한다. 우리는 사랑이라는 단어를 성적인 애정부터 부모와 자식 간 사랑, 자연에 대한 사랑까지 다양한 맥락에서 사용한다. 사람들이 자주 쓰고, 수많은 문학과 예술 작품에서도 사랑을 이야기하지만 과학적으로 사랑이란 감정에 대해 완벽하게 설명하지는 못 한다. 핀란드 탐페레대, 알토대 공동 연구팀은 기능성 자기공명영상(fMRI)으로 사랑을 느낄 때 활성화되는 뇌 영역을 확인했다고 28일 밝혔다. 이 연구 결과는 뇌과학 분야 국제 학술지 ‘대뇌 피질’(Cerebral Cortex) 8월 26일자에 실렸다. 연구팀은 자녀가 있는 55명의 부모를 대상으로 사랑과 관련된 짧은 이야기를 다양하게 들려주고 사진을 보여 주면서 fMRI로 뇌를 찍었다. 그 결과 사랑을 느낄 때는 기저핵, 이마 정중선, 설전부, 측두두정 접합 부분이 활성화하는 것이 확인됐다. 가장 강렬하게 뇌를 활성화한 사랑은 부모가 자녀에 대해 느끼는 사랑이었다. 그다음은 로맨틱한 사랑으로 나타났다. 특히 부모의 자녀에 대한 사랑은 기저핵 내 선조체가 활발히 반응했는데, 다른 사랑에서는 선조체가 반응하지 않는 것으로 관찰됐다. 선조체는 감정과 보상 시스템에 관여하는 핵심 부위다. 연구팀에 따르면 사랑의 대상이 인간인지 다른 종(種)인지 자연인지에 따라, 그리고 친밀성의 정도에 따라 뇌 활동이 영향을 받는다. 타인에 대한 인류애적인 사랑에서는 가까운 관계나 특정 인물을 향한 사랑보다 뇌가 덜 활성화하는 것으로 밝혀졌다. 사람에 대한 사랑은 활성화 정도만 차이를 보일 뿐 사회적 인지와 관련된 뇌 영역이 같이 반응했다. 자연에 대한 사랑은 보상 시스템과 시각 영역을 활성화했지만 사회적 뇌 영역은 활성화되지 않았다. 반려동물을 향한 사랑과 관련해서도 뇌의 반응은 차이를 보였다. 반려동물 주인은 사회성 관련 뇌 영역이 활성화됐지만 주인이 아닌 사람들은 귀여움이나 사랑을 느끼더라도 뇌가 반응하지 않았다. 이번 연구를 이끈 페르틸리 린네 알토대 박사(인지철학)는 “사랑과 관련한 뇌·신경 작동 원리를 이해하는 것은 사랑과 의식, 인간관계의 본질에 대한 철학적 논의를 발전시키는 데 도움이 될 것으로 기대한다”며 “애착 장애, 우울증 같은 정서 장애를 치료하는 데도 새로운 관점을 제시할 것”이라고 밝혔다.

새해만 되면 결심하지만 성공한 적이 없어 매년 반복해 세우는 대표적인 계획은 금연과 함께 외국어 배우기다. 외국어를 3~4개를 능숙하게 하는 사람을 보면 부럽기도 하지만 신기한 생각이 드는 이유다. 그런데, 여러 언어를 사용하는 사람들의 뇌는 일반인들과 확실히 다르다는 사실이 밝혀져 눈길을 끈다. 미국 매사추세츠공과대(MIT), 하버드대, 캐나다 칼턴대 공동 연구팀은 다중 언어 사용자들은 뇌에서 모국어를 처리하는 방식이 다르다고 밝혔다. 뇌가 태어나서 처음 습득하는 모국어는 최소한의 노력으로 처리하고 학습하는 독특한 메커니즘을 갖고 있다는 말이다. 이번 연구 결과는 뇌 과학 분야 국제학술지 ‘대뇌 피질’ (Cerebral Cortex) 3월 11일 자에 실렸다. 뇌의 언어 중추는 좌반구에 있으며, 전두엽과 측두엽에서 처리한다. 연구팀은 앞선 연구에서 다국어를 사용하는 사람들은 하나의 언어만 사용하는 사람보다 모국어를 들을 때 언어 중추가 덜 활성화된다는 사실을 확인했다. 연구팀은 다국어 사용자의 뇌에서는 나중에 배운 언어가 모국어와 어떻게 다른 반응을 보이는지 관찰하기 위해 이번 연구를 설계했다. 연구팀은 5개 이상 언어를 구사할 수 있는 다중 언어 사용자(폴리글롯·polyglot) 34명을 대상으로 실험했다. 연구팀은 유아기에는 이중 언어나 다중 언어를 사용하지 않고 10대나 성인이 된 뒤 언어를 학습해 폴리글롯이 된 사람들을 대상으로 했다. 실험 참가자 중 16명은 10개 언어 이상을 구사했으며, 그중 한 명은 54개 언어를 어느 정도 능숙하게 구사하는 것으로 확인됐다. 연구팀은 각 참가자에게 8개 언어로 성경의 한 구절과 동화 ‘이상한 나라의 앨리스’의 한 부분을 들려주면서 기능적 자기공명영상(fMRI)으로 뇌를 관찰했다. 8개 언어에는 모국어, 매우 능숙한 언어, 중간 정도로 능숙한 언어, 알고는 있지만 능숙하지 않은 언어, 그리고 전혀 모르는 언어 4개가 포함됐다. 전혀 모르는 언어 4개 중에는 그들이 구사할 수 있는 언어와 같은 어족의 언어였고, 나머지 2개는 전혀 다른 어족의 생소한 언어였다. 연구 결과, 다중 언어 사용자의 뇌에서는 언어가 다르더라도 같은 언어 영역이 활성화되는 것으로 나타났다. 또 가장 능숙한 언어를 들을 때 언어 영역이 가장 많이 활성화되는 반면 모국어를 들을 때는 활성화 정도가 극히 낮아졌다. 특히 모국어와 비슷한 수준으로 구사할 수 있는 언어를 들었을 때와 비교했을 때도 모국어를 들을 때는 언어 중추 활성화 정도가 낮았다. 자신이 모르는 언어를 들었을 때도 자신이 이해할 수 있는 비슷한 어족의 언어를 들었을 때, 전혀 다른 어족의 언어를 들었을 때보다 언어 중추가 활발하게 움직이는 것으로 나타났다. 연구팀에 따르면 모국어의 경우 사용하는 데 다른 언어들보다 더 많은 시간을 보냈기 때문에 뇌가 에너지를 덜 들이고 쉽게 처리하는 것이다. 연구를 이끈 알레시아 주라블레프 캐나다 칼턴대 교수(인지과학)는 “언어 중추의 반응은 입력된 정보를 얼마나 이해하느냐에 따라 확장된다는 것을 알 수 있다”라고 말했다. 주라블레프 교수는 “숙련도가 높아질수록 언어적 계산을 많이 하기 때문에 익숙한 외국어를 사용할 때 언어 중추 활성도가 높아지는 것”이라면서 “모국어가 아닌 언어는 아무리 익숙하다고 해도 뇌로써는 어려운 작업이기 때문에 다른 뇌신경 네트워크가 개입해 도움을 주게 된다”고 설명했다.