발달

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[연구뭐하지?] 과거를 회상할 때, 미래를 상상할 때 벌어지는 뇌인지 메커니즘_이상아 교수 | 서울대학교 “인지발달신경과학 연구실”

인간의 뇌는 환경으로부터 정보를 받아들이고 이를 역동적인 기억으로 재구성하는 정교한 능력을 갖추고 있습니다. 이러한 과정은 과거의 사건을 회상하는 것뿐만 아니라, 아직 일어나지 않은 미래를 상상하고 시뮬레이션하는 데에도 핵심적인 역할을 합니다. 이 놀라운 정신적 활동의 중심에는 해마라는 뇌 부위가 있으며, 해마는 대뇌 피질의 다양한 영역과 협력하여 우리의 경험을 풍부한 기억으로 만들어냅니다. 발달 인지 신경과학 연구실에서는 영유아기부터 노년기에 이르기까지 전 생애에 걸쳐 이러한 고등 인지 기능이 어떻게 형성되고 변화하는지를 심도 있게 탐구하고 있습니다. 기억의 기전은 연령에 따라 각기 다른 양상을 보입니다. 대뇌 피질-해마 네트워크가 완전히 성숙하지 않은 어린 시절이나, 기능이 점차 저하되는 노년기의 기억은 건강한 성인의 기억과는 차이가 있습니다. 연구자들은 특히 노화 과정에서 나타나는 개인차에 주목합니다. 어떤 이는 나이가 들어도 젊은 시절과 비슷한 기억력을 유지하는 반면, 어떤 이는 현저한 저하를 겪기도 합니다. 이러한 차이가 발생하는 뇌과학적 기전을 밝혀냄으로써, 우리는 뇌 기능을 유지하거나 개선할 수 있는 실질적인 방법을 모색할 수 있습니다. 이는 인간의 삶의 질을 높이는 데 중요한 열쇠가 됩니다. 뇌과학 연구는 단순히 기억의 유무를 넘어 감정과의 상호작용이나 감각 정보의 통합 과정까지 아우릅니다. 우울감이나 불안감이 기억 처리에 미치는 영향을 분석하여 정서적 어려움을 겪는 이들에게 도움을 주고자 노력하며, 아이들이 보다 효율적으로 학습하고 기억할 수 있는 발달 과정을 관찰하기도 합니다. 또한, 시각이나 청각 등 다양한 감각 정보들이 해마를 중심으로 어떻게 하나의 통합된 기억으로 형성되는지를 연구합니다. 이러한 다각적인 접근은 인간의 인지 구조를 더욱 입체적으로 이해하게 하며, 복합적인 정신 활동의 신비를 풀어나가는 밑거름이 됩니다. 현대 뇌과학은 행동학적 관찰을 넘어 첨단 기술을 적극적으로 활용합니다. fMRI를 통해 뇌의 활성도를 직접 확인하거나, EEG로 전기적 활동을 측정하고 fNIRS를 활용하는 등 다양한 방법론이 동원됩니다. 연구자들은 가설을 검증하기 위해 직접 실험 과제와 영상을 디자인하며, 아이들이나 성인 피험자들이 연구 의도에 따라 반응하는 과정을 통해 이론을 실체화합니다. 각 방법론의 장단점을 파악하고 연구 목적에 가장 적합한 도구를 선택하는 과정은 과학적 엄밀성을 높이는 필수적인 단계입니다. 이러한 기술적 숙련도는 뇌의 복잡한 네트워크를 분석하는 강력한 무기가 됩니다. 진정한 과학적 성취는 성과에 대한 압박보다는 내면의 호기심과 즐거움에서 비롯됩니다. 자유로운 토론과 소통이 활발한 연구 환경은 연구자들이 자신의 연구 주제를 깊이 있게 탐구하고 발전시킬 수 있는 토대가 됩니다. 동료들과의 협력은 어려운 연구 과정에서 회복탄력성을 높여주며, 서로의 연구에 대한 피드백을 주고받는 과정에서 지식의 스펙트럼은 더욱 넓어집니다. 새로운 지식을 창조하는 과정은 때로 고되고 불확실하지만, 함께 웃고 의지할 수 있는 동료들이 있다면 그 여정은 더욱 가치 있는 탐험이 됩니다. 과학은 결국 인간이 함께 만들어가는 지적 유산이기 때문입니다.

이상아

카오스재단연구뭐하지

뇌인지과학

[인터뷰] 이지영_사과는 어떻게 우리에게 왔나? | 2022 봄 카오스강연 '식물행성(plant planet)'

식물의 뿌리는 단순히 땅속에 박혀 있는 기관 이상의 의미를 지닙니다. 뿌리의 끝부분에는 생장점이라는 핵심 조직이 존재하며, 이곳에서 식물의 길이 성장이 주도됩니다. 생장점 내부에는 동물과 마찬가지로 미분화 상태의 줄기세포가 유지되고 있으며, 이들은 끊임없이 새로운 세포를 만들어내며 식물의 생존을 뒷받침합니다. 연구자들은 이러한 세포들이 어떻게 특정 기능을 가진 조직으로 분화하는지, 그 과정에서 일어나는 복잡한 유전자 조절 메커니즘을 유전학적이고 유전체적인 접근법을 통해 정밀하게 분석하고 있습니다. 뿌리의 또 다른 중요한 특성은 광합성 산물을 저장하는 능력입니다. 식물은 생애 주기의 마무리 단계에서 에너지를 종자나 열매로 보내기도 하지만, 많은 양의 탄수화물을 뿌리에 축적하기도 합니다. 인간은 이러한 식물의 특성을 극대화하여 고구마나 감자와 같은 알뿌리 작물을 식량 자원으로 개발해 왔습니다. 최근에는 페루의 마카와 같이 아직 인위적인 육종 과정을 많이 거치지 않은 식물들이 새로운 미래 식량 자원으로 주목받고 있습니다. 이러한 알뿌리 작물들은 인류의 영양 공급원으로서 여전히 무궁무진한 잠재력을 품고 있습니다. 발달 생물학의 관점에서 뿌리는 매우 매력적인 연구 시스템입니다. 뿌리 내부의 세포들은 매우 정교하게 정렬되어 있어, 시원 세포부터 분화된 세포까지의 과정을 체계적으로 관찰할 수 있습니다. 특히 뿌리는 3차원적인 공간 구조를 가지고 있을 뿐만 아니라, 분화 과정에 따른 시간이라는 요소가 더해져 4차원적인 분석이 가능합니다. 이러한 구조적 장점 덕분에 연구자들은 식물의 가장 기본적인 발달 형태를 들여다보며 생명 현상에 대한 근원적인 질문을 던지고 그에 대한 해답을 찾아가고 있습니다. 땅속에서 뿌리는 주변 환경 및 다른 식물들과 끊임없이 소통합니다. 제한된 공간에서 식물들은 서로의 존재를 인지하며 물과 영양분을 차지하기 위해 경쟁하고, 지상부의 크기를 조절하며 균형을 맞춥니다. 특히 기생 식물의 경우, 숙주 식물이 내뿜는 특정 화학 물질을 뿌리로 감지하여 숙주를 향해 자라나는 영리한 행동을 보입니다. 숙주의 뿌리 표면을 뚫고 들어가 관다발을 연결하는 이러한 과정은 식물이 단순히 수동적인 존재가 아니라, 정교한 인지 시스템을 갖춘 능동적인 생명체임을 잘 보여줍니다. 식물의 장수 비결 중 하나는 '모듈러'라고 불리는 독특한 성장 방식에 있습니다. 나무의 줄기를 잘라 물에 담그면 새로운 뿌리가 내리고 독립적인 개체로 성장할 수 있는 것처럼, 식물은 개체나 분지 수준에서 생명을 연장하는 놀라운 능력을 갖추고 있습니다. 수천 년을 살아가는 브리슬콘 소나무처럼, 식물은 성장에 따른 부작용을 극복하는 시스템을 가동하며 오랜 세월 생존합니다. 이러한 모듈러 구조는 식물이 환경 변화에 유연하게 대응하며 자신의 유전 정보를 보존하고 수명을 연장하는 핵심적인 수단이 됩니다.

이지영

카오스재단카오스강연

생명과학

[강연] 식물은 어떻게 키가 커지고 뚱뚱해질까? _ by조현우 ㅣ 2022 봄 카오스강연 '식물행성' 3강 | 3강

식물은 단순히 제자리에 머물러 있는 존재가 아니라, 생존을 위해 치열하게 투쟁하며 정교한 설계도에 따라 자신의 형태를 만들어가는 생명체입니다. 우리가 흔히 보는 감자의 맛이나 인삼의 효능은 인간을 위한 것이 아니라, 식물 스스로가 척박한 환경에서 살아남기 위해 선택한 진화의 결과물입니다. 식물 형태학은 이러한 50만 종 이상의 다양한 생존 전략을 연구하는 학문으로, 자연 선택을 통해 유리한 기능을 갖춘 조직과 기관이 어떻게 형성되었는지 탐구합니다. 식물의 모습은 곧 그들이 환경에 적응하며 써 내려간 역사라고 할 수 있습니다. 식물의 변화를 설명할 때 '성장'과 '발달'은 구분되어야 합니다. 성장이 단순히 세포의 숫자와 크기가 증가하는 과정이라면, 발달은 세포의 종류와 다양성이 늘어나며 새로운 기능을 갖춘 조직이 생겨나는 과정을 포함합니다. 특히 식물은 동물과 달리 평생토록 새로운 기관을 만들어낼 수 있는 '후배아 발달' 능력을 갖추고 있습니다. 적절한 환경이 주어지면 필요에 따라 새로운 잎과 뿌리를 끊임없이 생성하는데, 이는 식물이 가진 고유한 유연성이자 생존을 위한 핵심적인 메커니즘입니다. 이러한 무한한 발달 능력의 원천은 바로 '줄기세포'에 있습니다. 식물의 줄기세포는 지상부와 지하부의 생장점, 그리고 부피 성장을 담당하는 형성층에 숨어 있습니다. 이들은 스스로를 복제함과 동시에 기능이 다른 세포로 분화하는 '불균등 분열'을 통해 식물의 일생 동안 새로운 조직을 공급합니다. 특히 생장점 한가운데에는 거의 분열하지 않으면서 줄기세포를 보호하고 보충하는 '기관 형성 중심부'가 존재하여, DNA 복제 과정에서 발생할 수 있는 돌연변이의 축적을 막고 식물의 장수를 가능하게 합니다. 식물에게 빛은 단순한 에너지원을 넘어 성장의 방향을 결정하는 가장 중요한 환경 신호입니다. 식물은 광수용체라는 단백질을 통해 빛의 유무와 파장을 인식하며, 이에 따라 '암형태 형성'과 '광형태 형성' 중 하나를 선택합니다. 흙 속 어둠에서는 빛을 찾아 빠르게 길어지는 데 집중하고, 지표면으로 나와 빛을 만나는 순간 성장을 멈추고 광합성을 위한 잎을 펼칩니다. 이 과정에서 식물은 호르몬 신호 전달 체계의 '이중 억제 구조'를 활용하여 환경 변화에 매우 신속하고 정교하게 반응하며 생존 확률을 높입니다. 식물의 키를 키우는 데는 옥신, 지베렐린, 브라시노스테로이드라는 세 가지 주요 성장 호르몬이 결정적인 역할을 합니다. 특히 옥신은 세포벽의 산성도를 높여 구조를 느슨하게 만드는 '산 생장' 과정을 유도합니다. 이때 세포 내부의 액포가 물을 흡수해 팽창하면서 세포의 길이가 길어지게 됩니다. 식물은 세포벽이 배열되는 방향을 스스로 조절함으로써 어느 방향으로 길어질지를 결정하는 놀라운 지능을 보여줍니다. 이러한 정교한 조절 덕분에 식물은 중력을 거스르고 빛을 향해 높이 솟아오를 수 있습니다. 식물이 위로 자라는 길이 성장을 마친 후에는 옆으로 두꺼워지는 부피 성장이 시작됩니다. 형성층에서 만들어지는 물관과 체관, 그리고 단단한 섬유 세포들은 식물의 거대한 몸집을 지탱하고 효율적인 수분 수송을 가능하게 합니다. 특히 목재의 주성분인 리그닌이 축적된 2차 세포벽은 철근 콘크리트처럼 견고한 구조를 형성합니다. 이러한 부피 성장 과정은 매년 엄청난 양의 탄소를 목재 속에 저장하므로, 식물의 부피 성장 메커니즘을 이해하고 응용하는 것은 현대 사회의 중요한 과제인 탄소 중립 실현에도 큰 기여를 할 수 있습니다. 결국 식물이 키가 커지고 뚱뚱해지는 모든 과정은 빛을 더 효율적으로 획득하고 이용하기 위한 치열한 진화의 산물입니다. 식물은 변하지 않는 상수인 '빛의 길이'를 나침반 삼아 계절을 읽고, 호르몬과 줄기세포를 동원해 최적의 성장 전략을 펼칩니다. 이러한 정교한 설계도 덕분에 식물은 지구의 육상을 정복하고 생태계의 근간을 이루는 주인공이 되었습니다. 우리가 무심코 지나치는 나무 한 그루에는 수억 년의 세월 동안 다듬어진 생존의 지혜와 우주적인 질서가 깃들어 있는 셈입니다.

조현우

카오스재단카오스강연

생명과학

[강연] 시냅스 생쥐 그리고 정신질환 (5) 패널토의 | 2016 봄 카오스 강연 '뇌 - Brain' 8강 | 8강 ⑤

자폐 스펙트럼 장애의 원인을 둘러싼 수많은 오해 중 하나는 영유아기에 접종하는 백신이 자폐를 유발한다는 주장입니다. 하지만 현대 과학의 엄밀한 검증 결과, 백신의 성분과 자폐 발생 사이에는 어떠한 명확한 연관성도 발견되지 않았다는 것이 학계의 정설입니다. 미국 질병통제예방센터(CDC)를 비롯한 전 세계 주요 보건 기구들은 이러한 주장에 근거가 없음을 공식적으로 발표하며 대중의 불안을 해소하기 위해 노력해 왔습니다. 오히려 잘못된 정보로 인해 적절한 백신 접종 시기를 놓치는 것이 아이들의 건강에 훨씬 더 심각하고 실질적인 위험을 초래할 수 있습니다. 따라서 근거 없는 소문에 휘둘리기보다 과학적 사실에 기반한 정확한 정보를 수용하는 태도가 무엇보다 중요합니다. 어린 시절의 경험은 뇌 구조 형성에 결정적인 영향을 미칩니다. 신경 가소성이 매우 뛰어난 시기에 겪는 학대나 극심한 스트레스는 신경세포 간의 정상적인 연결을 방해할 수 있습니다. 이러한 트라우마는 신경 회로를 취약한 상태로 만들어, 이후의 자극에 대한 저항력을 떨어뜨리는 요인이 됩니다. 비록 학대가 반드시 자폐로 이어진다고 단정할 수는 없지만, 뇌 발달 과정에서 환경적 요인이 얼마나 중요한지를 잘 보여줍니다. 건강한 발달을 위해서는 안정적인 환경에서 뇌가 올바른 패턴으로 신경 회로를 형성할 수 있도록 돕는 것이 필수적입니다. 이는 초기 환경이 뇌의 물리적 구조를 결정짓는 중요한 변수임을 시사합니다. 환경과 유전자는 끊임없이 소통하며 서로에게 영향을 미칩니다. 이를 설명하는 대표적인 분야가 후성유전학입니다. 예를 들어, 어미의 돌봄을 충분히 받지 못한 새끼 쥐는 스트레스 호르몬 수용체의 발현을 조절하는 유전자에 변화가 생겨 스트레스 대응 능력이 현저히 떨어지게 됩니다. 이는 외부 환경이 유전자의 발현 방식을 바꾸고, 그 결과가 다시 환경에 대한 반응성을 결정하는 순환 구조를 보여줍니다. 즉, 우리가 물려받은 유전 정보는 고정된 것이 아니라 환경과의 상호작용을 통해 그 기능이 조절될 수 있는 유연한 시스템인 셈입니다. 이러한 메커니즘은 자폐를 포함한 다양한 뇌 질환의 발생 기전을 이해하는 핵심 열쇠가 됩니다. 인간 게놈 프로젝트가 완료되었을 때 인류는 질병 정복에 대한 큰 기대를 품었습니다. 하지만 기대만큼의 성과가 즉각적으로 나타나지 않은 이유는 우리가 아직 유전자의 기능적 지도를 완성하지 못했기 때문입니다. 현재의 기술 수준은 서울 시내의 도로망을 파악한 정도에 불과하며, 특정 시간에 교통량이 어떻게 변하는지 예측하는 수준에는 도달하지 못했습니다. 유전체 정보를 분석하는 것은 필수적인 첫 단계이지만, 그 복잡한 상호작용을 완벽히 이해하기까지는 더 많은 데이터와 시간이 필요합니다. 이는 과학이 직면한 거대한 도전 과제 중 하나이며, 물리적 지도를 넘어 기능적 지도를 완성해 나가는 과정이 앞으로의 핵심 과제가 될 것입니다. 신경 회로가 정상적으로 기능하기 위해서는 신경 가소성이 적절하게 작동해야 합니다. 필요한 신경 회로는 강화되고 불필요한 신경 회로는 약화되는 과정을 통해 효율적인 신경망이 구축됩니다. 그러나 영유아기에 스마트폰이나 영상 매체와 같은 과도한 외부 자극에 노출되면 뇌가 지나치게 흥분된 상태로 신경 회로가 고착될 위험이 있습니다. 이러한 비정상적인 발달은 자폐나 ADHD와 같은 증상을 심화시키는 환경적 요인이 될 수 있습니다. 뇌가 가장 유연한 시기에 주어지는 자극의 질이 아이의 평생 뇌 건강을 좌우할 수 있다는 점을 기억해야 합니다. 따라서 적절한 자극과 휴식의 균형을 맞추는 것이 건강한 뇌 발달을 위해 반드시 필요합니다. 전 세계적으로 자폐 유병률이 증가하는 추세에 대해서는 다각적인 분석이 필요합니다. 진단 기술의 정교화로 과거에는 발견하지 못했던 사례들이 포착되는 측면도 있고, 환경 오염이나 생활 습관의 변화가 영향을 미쳤을 가능성도 배제할 수 없습니다. 한국의 경우 한때 유병률이 매우 높게 보고되어 주목받았으나, 이는 정밀한 조사 방법의 차이에서 기인한 것으로 밝혀졌습니다. 중요한 것은 유병률의 수치 자체보다, 증가하는 환자들을 위해 사회가 어떤 준비를 해야 하는지 고민하는 것입니다. 성별에 따른 발생 차이 등 여전히 풀리지 않은 숙제들이 연구의 동력이 되고 있으며, 이는 더 나은 진단과 지원 체계를 구축하는 밑거름이 됩니다. 미래의 정신 질환 치료는 개인별 맞춤형 접근으로 나아갈 것입니다. 약물 치료의 부작용을 최소화하기 위해 신경 회로의 작동 원리를 규명하고, 식이요법이나 행동 치료 등 다양한 방법을 병행하는 종합적인 치료 모델이 필요합니다. 무엇보다 정신 질환을 생물학적 원인에 의한 현상으로 이해하려는 노력이 중요합니다. 질환의 원인을 유전적, 환경적 맥락에서 파악하게 되면 환자에 대한 막연한 두려움이나 편견을 거두고 공감의 토대를 마련할 수 있습니다. 과학적 이해는 결국 우리 사회가 환자들을 더 따뜻하게 포용하는 길로 인도할 것이며, 이는 질병의 치료를 넘어 사회적 치유로 나아가는 중요한 발걸음이 될 것입니다.

고재원, 김은준, 한기훈

카오스재단카오스강연

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