12~18세 청소년기, ‘성숙한 두뇌’로 발달하는 중요한 시기

기초과학연구원(Institute for Basic Science, IBS) 뇌과학 이미징 연구단 참여교수인 홍석준 성균관대학교 교수와 그의 연구팀이 금일(19일) 사람의 뇌 영상을 어린이 때부터 성장 시기별로 분석해, 뇌 기능 네트워크가 어떻게 형성되는지를 밝혀냈다.

뇌 기능의 근본, 외부 수용과 내부 모델링

외적 정보처리와 내적 정보처리는 인간의 뇌 기능에 있어 가장 근본적인 원리라 할 수 있다. 외적 정보처리는 감각기관 등을 통해 외부로부터 얻게 되는 각종 정보를 처리하는 ‘외부 수용’ 기능을 의미한다. 

그리고 내적 정보처리는 받아들인 정보를 사이에 어떤 관계가 있는지, 기존 정보에 비해 어떤 변화가 있는지를 파악하고 이해할 수 있게끔 하는 ‘내부 모델링’ 기능을 말한다. 이 두 가지가 상호작용함으로써 인간은 수시로 변하는 환경에 대응할 수 있게 된다.

외적 정보처리와 내적 정보처리를 담당하는 대규모 기능 네트워크는 대뇌의 가장 바깥쪽에 위치한 ‘대뇌피질(cerebral cortex)’에 포함된다. 이는 연령에 따른 뇌 발달과 밀접하게 연관돼 있다. 

연구결과에 따르면 뇌의 중심부에 있는 ‘시상(thalamus)’과 대뇌피질의 연결성이 뇌 기능 분화에 중요한 역할을 한다. 시상은 주로 외부로부터 들어오는 감각 정보를 처리하는 중계 역할을 하는 부위다. 최근 연구에서는 시상이 내부 모델링과 같은 근본적 인지기능에도 어느 정도 영향을 미친다고 밝혀진 바 있다.

시상과 대뇌피질 연결, 연령에 따라 달라져

홍 교수와 연구팀은 최신 뇌 영상 분석기법을 활용해 유아기부터 성인기까지 다양한 연령대의 뇌 영상을 분석했다. 특히 시상과 대뇌피질의 연결이 연령에 따라 어떤 변화를 보이는지에 포인트를 두고 관찰했다. 

분석 결과, 시상과 대뇌피질 사이의 연결성은 뇌 발달의 단계에 따라 각기 다른 역할을 한다는 결론을 얻었다. 학습 능력이 활발한 유아기에는 대뇌피질 중 감각정보를 담당하는 영역이 시상과 뚜렷한 연결성을 나타냈다. 반면 성인기로 넘어감에 따라 대뇌피질의 ‘현저성 네트워크’와 시상의 연결성이 강하게 나타났다. 

현저성 네트워크는 대뇌피질에서 외부로부터 들어오는 감각정보를 처리하는 영역과 내적 정보처리 영역의 사이에 위치해 있으며, 사건을 감지하고 주의를 기울이게 하는 기능을 담당한다. 시상과 현저성 네트워크의 연결성이 강해짐에 따라, 외부 감각처리 영역과 내적 정보처리 영역이 분리, 명확히 다른 역할을 수행하게 되면서 뇌에 ‘기능적 세분화’가 일어나는 쪽으로 발달하는 것으로 나타났다.

12세~18세 청소년기, 두뇌 발달에 중요해

한편, 홍 교수와 연구팀은 발달 시뮬레이션을 통해 시상-대뇌피질의 연결성과 ‘기능적 전뇌 네트워크’(뇌의 여러 영역이 상호작용해 특정 작업이나 상태를 유지하는 시스템) 사이에 어떤 인과관계가 있는지를 검증했다.

소위 ‘성숙한 두뇌’라 하는 발달된 뇌는 기능적으로 세분화돼 있고, 다양한 감각 정보를 처리·통합해 고차원 인지기능과 연결하는 ‘감각-연합 축’이 발달한 것을 특징으로 한다. 연구팀은 이번 연구를 통해 시상-대뇌피질의 연결이 이러한 성숙한 두뇌로 발달하는 데 기여한다는 것을 확인했다. 특히 12세~18세 사이의 기여도가 크다는 것을 밝혀내, 청소년기의 두뇌 발달이 왜 중요한지에 대한 근거를 마련했다. 

홍석준 교수는 “태아의 뇌가 형성될 때 시상이 중요한 역할을 한다고 알려져 있었지만, 태어난 이후에도 기능적 전뇌 네트워크의 발달에 영향을 미침을 밝혀냈다”며, “이를 통해 내·외적 시스템 발달 부진으로 나타나는 자폐, 조현병 등 다양한 뇌 질환의 기전을 이해하는 데 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.

한편, 이번 연구 결과는 지난 10일(월) 국제 학술지인 ‘네이처 신경과학(Nature Neuroscience)’ 온라인 판에 게재됐다.