신경가소성(1)(Neuroplasticity)는 두뇌가 변화하고 적응하고 스스로 재구성할 수 있는 능력을 뜻한다. 두뇌 세포인 뉴런 사이에 새로운 연결을 형성하고, 사람들이 무엇을 하고, 배우고, 경험하는 지에 따라 기존 연결을 강화하거나 약화시키기도 한다. 어떻게 보면 두뇌가 경험에 따라 스스로를 업데이트하는 방식이라고 할 수 있다.
예를 들어, 피아노 연주나 새로운 언어 구사처럼 새로운 기술을 배우면 두뇌는 그 기술을 더 익힐 수 있도록 새로운 경로를 만들기 시작한다. 그러나 오히려 특정 기술을 사용하지 않으면 이러한 연결이 약해질 수도 있다. 이것이 바로 ‘신경가소성’이다. 두뇌는 고정되어 있지 않고 적응할 수 있다. 이렇게 두뇌의 능력은 대단한 것 같다.
새로운 것이 ‘신경가소성’을 향상시키는 이유는 새롭거나 익숙하지 않은 것은 두뇌의 주의를 끌기 때문이다. 새로운 것이 들어오면 두뇌는 더 많은 주의력을 기울이고, 집중하게 되고, 학습에 더 적극적으로 참여하게 된다. 이는 가소성을 유발하는데, 두뇌가 이 새로운 상황에 대처하기 위해 경로를 구축하거나 재구성해야 한다는 것을 깨닫기 때문이다.
예를 들어, 매일 같은 길을 걷는다면 두뇌는 그 길에 익숙해진다. 하지만 갑자기 새로운 길을 택하면 두뇌는 다시 방향, 소리, 표지판 등을 인식하기 시작하고, 이는 두뇌가 학습하고 성장하도록 자극하게 되는 것이다. 따라서 “새로운 것이 ‘신경가소성’을 향상시킨다”라고 말할 때, 새로운 것을 시도하는 것이 두뇌의 유연성을 유지하고 성장하는 데 도움이 된다는 것을 의미한다.
이것은 DAGENAM(다제남)의 “경험의 발견” 시뮬레이션의 의미를 높여 줄 수 있다. 비록 이미 덩어리가 되어 있는 기억 속의 경험이기는 하지만, 그 하나의 경험을 분리해서 여러 개의 ‘조각경험’들로 분해해 본다는 것은 아주 새로운 것을 시도하는 것처럼, 그런 ‘조각경험’이 있었는지 새롭게 여겨질 수도 있고, 보관창고에서 먼지가 가득 쌓인 앨범을 찾아 꺼내듯, 내 기억 속 어딘 가에 있었던 그런 경험의 원천을 찾은 듯, 그것이 새로운 느낌을 줄 수 있기 때문이다.
노벨상 수상 신경과학자 Eric Kandel의 글 “The molecular biology of memory storage: a dialogue between genes and synapses(2)(5)(6)”, 기억은 어떻게 새겨지는 지에 대한 연구조사에서 단기 기억은 시냅스의 변화에 그치지만, 장기 기억은 유전자까지 내려가 단백질을 합성해야만 완성된다는 것을 보여주고 있다. 즉 기억이 뉴런 구조의 물리적 변화를 수반한다는 것을 증명했다. 그의 연구는 뉴런의 반복적인 자극이 어떻게 새로운 시냅스(Synapse) 연결의 성장으로 이어지는지를 보여주었다.
이 글에서 Eric Kandel은 기억은 기록이 아니라 오히려 두뇌 내부의 배선을 바꾸는 것과 같다고 했다. Eric Kandel의 가장 중요한 메시지는 무엇인가를 배울 때마다 두뇌는 물리적으로 변화한다는 것이다. 두뇌가 스스로 아주 약간 다시 연결한다고 생각하면 된다.
‘단기 기억’은 말 그대로 몇 분에서 몇 시간 정도만 유지되고 사라지게 된다. 그런데 ‘장기 기억’은 다르다. 벽에 못을 박으면 그 부분에 대해 영구적으로 구조를 바꾸게 되는 것처럼 두뇌는 뉴런 사이에 새로운 연결을 형성하거나 또는 오래된 연결을 더 강화해야 한다. 여기서 Eric Kandel은 구조적 가소성이 필요하다고 이야기한다(2)(6). 이를 위해서는 뉴런 내부의 유전자가 활성화되어 새로운 단백질을 생성해야 한다고 했다. 결국, ‘장기 기억’은 뇌의 실제적인 물리적 리모델링을 의미하는 것이다.
이때 이런 뉴런이 여러 번 활성화되면 학습이라는 것을 하는데, 만일 뉴런이 “이것은 중요해!”라고 말하는 것과 같다는 것이다. 그러면 뉴런은 유전자가 있는 핵으로 메시지를 보내는데, 유전자는 “좋아, 더 강한 연결을 만들어 보자”라고 응답하는 것과 같고, 그러면 뉴런은 실제로 모양을 바꾼다는 것이다.
Eric Kandel은 이러한 상호작용을 가지고 “유전자와 시냅스 사이의 대화”라고 정의했다. 그리고 이러한 기억 메커니즘은 모든 동물에게 오래되고 기본적인 것이라고 한다.
그리고 기억은 한 곳에 저장되지 않고 여러 뉴런에 걸쳐 패턴으로 저장된다는 것(8)인데, 이것이 Eric Kandel이 내린 중요한 결론 중 하나이다.
그래서 기억은 두뇌 속의 ‘File’과 같은 존재가 아니며, 하나의 ‘기억세포’에 저장되지 않는다. 대신에 기억은 얼마나 많은 뉴런이 서로 연결되는지에 따라 형성된다(7). 따라서 무엇인가를 기억한다는 것은 그 해당된 패턴들을 다시 활성화한다는 것이고, 관련해서 연결된 네트워크를 다시 재생하는 것이다. 시간이 지나면서 기억이 왜곡되거나 다르게 느껴질 수 있는 이유가 바로 이것인데, 즉 패턴이 바뀔 수 있는 것이다.
중요한 것은 두뇌가 끊임없이 스스로를 변화시키는 것이다. 모든 생각, 모든 경험, 모든 학습 순간은 흔적을 남긴다. 그래서 Eric Kandel의 핵심 메시지는 ‘신경가소성’은 두뇌가 물리적으로 연결을 바꿀 수 있는 능력을 말하는 것이고, 기억은 그러한 변화의 결과라고 하는 것이다. 신비로운 것도 아니고 마법적인 것은 더더욱 아니다. 그저 끊임없이 스스로를 재구성하는 살아 있고 변화하는 세포들의 네트워크일 뿐이다.
Eric Kandel은 두뇌의 물리적 변화로 인해 기억이 형성된다는 것을 보여주었다. ‘단기 기억’은 두뇌 세포 간 소통 방식의 일시적인 변화에서 비롯되지만, ‘장기 기억’은 두뇌가 새로운 연결을 형성하거나 기존 연결을 강화해야 한다고 했다. 뇌가 스스로를 재구성하는 이러한 능력, 즉 ‘신경가소성’은 모든 학습과 기억의 기초이다.
Eric Kandel은 기억이 두뇌 전체에 퍼져 있는 여러 작은 조각들로 이루어져 있다고 말하는 것과 같다. 기억은 두뇌 속의 ‘File’과 같은 존재도 아니며, 하나의 기억세포에 저장되지 않는다고 했다.
이는 하나의 경험이 더 작은 ‘조각경험’으로 나뉠 수 있다는 DAGENAM의 개념을 뒷받침한다(2). 또한 ‘경험의 발견’을 통해 ‘덩어리 경험’이 분해되면, 마치 새로운 것을 경험하는 듯한 느낌도 받는데, 이는 Eric Kandel이 말했던 ‘장기 기억’이 두뇌의 배선을 물리적으로 변화시키기 때문에, 사람들이 무엇인가를 배울 때 두뇌가 어떤 연결은 강화하고, 또 어떤 연결은 약화시키고, 심지어 새로운 연결도 만든다는 생각과 일맥상통한다고 볼 수 있다. 다만 Eric Kandel은 두뇌의 일을 이야기하고, DAGENAM과 MASERINTS에서는 이와 같은 컴퓨터 시스템 안의 프로세스에 대해 이야기하는 것이다.
Norman Doidge의 글 “The Brain That Changes Itself(3)”, 『기적을 부르는 뇌』(부제: 뇌가 스스로 변화한다는 놀라운 사실), 이 글에서도 두뇌 손상, 학습 장애 또는 노화된 두뇌를 가진 사람들에게서 ‘신경가소성’이 어떻게 작용하는지 보여주는 실제 사례와 연구를 설명하고 있다(4).
언급된 각주의 내용
(1) Neuroplasticity, https://en.wikipedia.org/wiki/Neuroplasticity
(2) The molecular biology of memory storage: a dialogue between genes and synapses, E R Kandel, 2001, https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/11691980/, https://home.csulb.edu/~cwallis/382/readings/482/kandel.memory.pdf , https://personal.utdallas.edu/~tres/plasticity2009/Kandel.2001.pdf
> Kandel_2001_Science_294_1030, ESTHER database, https://bioweb.supagro.inrae.fr/ESTHER/paper/Kandel_2001_Science_294_1030
(3) The Brain That Changes Itself, Norman Doidge, 2007, https://en.wikipedia.org/wiki/The_Brain_that_Changes_Itself , https://yurttutan.info/wp-content/uploads/2017/12/Doidge-Brain-Changes-Itself.pdf
(4) Principles of Neural Science, Eric R. Kandel, James H. Schwartz, and Thomas M. Jessell, 1981, https://en.wikipedia.org/wiki/Principles_of_Neural_Science, https://users.ece.cmu.edu/~byronyu/papers/PNS-6thEdition-SectionV-Motor-Chapter39-BMIs.pdf
> Neuroplasticity: Rewiring the Brain, Marzia Khan, 2024, https://www.news-medical.net/health/Neuroplasticity-Rewiring-the-Brain.aspx
> Rewiring the Brain, Michael Merzenich, https://www.youtube.com/watch?v=wkG4ogxNAC8, https://centerforbrainhealth.org/people/michael-merzenich-phd
> Experience-dependent structural plasticity in the adult human brain, Arne May, 2011, https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/21906988/
(5) Eric Kandel Nobel Prize lecture on “The Molecular Biology of Memory Storage: A Dialog between Genes and Synapses”, 2000, Eric R. Kandel held his Nobel Lecture December 8, 2000, at hall Adam, Karolinska Institutet, Stockholm, https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2000/kandel/lecture
(6) The Nobel Assembly at Karolinska Institutet has today decided to award The Nobel Prize in Physiology or Medicine for 2000 jointly to Arvid Carlsson, Paul Greengard and Eric Kandel for their discoveries concerning “signal transduction in the nervous system”, https://www.ocf.berkeley.edu/~aathavan/libraire/bionobel2000.htm
(7) Memories are made of this, Steve Bradt, 2010, Kandel outlines how brains manage data, and are changed by it, The Harvard Gazette, https://news.harvard.edu/gazette/story/2010/02/memories-are-made-of-this
(8) The synaptic plasticity and memory hypothesis: encoding, storage and persistence, Tomonori Takeuchi, Adrian J Duszkiewicz, Richard G M Morris, 2013, National Library of Medicine, https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/24298167/