기억은 뇌의 어디에 있고 어떻게 만들어 질까?

 

우리는 매일 여러 가지 사건을 기억한다. 그러나 떠올려야 할 기억을 어느 사이에 잊어버리거나 반대로 기억하려고 애쓰지 않았는데도 계속 떠오르는 기억이 있다. '계속 떠오르는 기억'과 '곧 잊혀지는 기억은 무엇이 다를까?

 

1920년대의 러시아에 경이로운 기억력을 가진 남자가 있었다. 그 이름은 솔로몬 셰레솁스키(Solomon Shereshevsky)이다. 셰레솁스키의 기억력을 테스트한 루리아(Alexander Luria)라는 의사는 셰레솁스키가 불합격되는 테스트를 만들지 못했다고 한다. 예를 들어 "70개의 단어를 외우고 앞뒤 어느 쪽으로부터 반복해도 올바로 말한다" 같은 보통 사람이라면 도저히 할 수 없는 그런 기억력 테스트를 셰레솁스키는 간단히 해치웠던 것. 게다가 여러ᅥ해 전에 제시한 단어에 대해서도 별다른 수고 없이 답할 수 있었다니 보통 일이 아니다.

 

자신의 기억력이 심상치 않음을 알게 된 셰레솁스키는 기억력을 상품으로 내세우는 '기억술사'가 되었다. 고객이 가지고 온 많은 숫자나 단어 리스트를 기억했다가 그것을 무대에서 술술 외는 것이다. 실은 셰레솁스키에게는 '소리를 들으면 색깔이 보이는' 공감각(어떤 감각이 다른 감각을 일으키는 현상)을 가지고 있었으며, 이것을 기억에 이용했음이 현재는 밝혀졌다.

 

정식 무대에 설 수 있었지만 경이로운 기억력이 셰레솁스키의 인생을 행복하게 만든 것은 아니었다. 많은 숫자와 단어 리스트는 기억할 수 있어도 복잡한 내용은 기억하기 힘들었다. 예를 들어 시시각각 표정이 변화하는 사람의 얼굴을 기억하지 못했으며, 타인이 말하는 추상적인 이야기의 흐름을 따라가는 일도 어려웠다. 무대에서 기억한 내용을 잊을 수 없는 것도 그를 괴롭혔다.

 

셰레솁스키는 수십 번이나 직업을 바꾸었고, 무엇이 현실이고 무엇이 망상인지 알 수 없어 혼란한 가운데 맥락 없는 생애를 보냈다고 한다. 현재는 셰레 솁스키의 능력을 ‘하이퍼사이메시아(hyperthymesia, 초기억 증후군)’라고 하며, 전 세계에서 62사례가 보고되었지만, 그 메커니즘은 밝혀지지 않았다.

 

 

기억에는 뇌의 여러 부위가 관여한다

기억력이 뛰어난 것은 좋은 일일까? 우리는 무엇 때문에 어떻게 기억하는 것일까? 기억을 지배하는 것은 뇌이다. 기억을 담당하는 부위(중추)로서 '해마'라는 뇌 부위가 관여한다. 기억의 프로세스에는 해마 이외에도 수많은 뇌 부위가 관여한다는 것이 밝혀졌다.

 

사람의 뇌는 1.2~1.5kg으로 몸에서 가장 무거운 장기이다. 표면에 있는 것은 주름이 많은 '대뇌 피질'이다. 대뇌 피질은 뇌의 여러 부위로부터 오는 정보를 통합하면서 사고, 판단, 언어, 운동 등을 제어한다. 대뇌 피질의 안쪽에는 '대뇌변연계'와 '간뇌'가 있다. 대뇌변연계는 감정을 담당하는 '편도체'와 '측좌핵', 또는 앞서 말한 기억 중추인 '해마' 등으로 이루어진다.

 

한편 간뇌는 시각, 청각 등의 감각 기관으로부터의 정보가 일단 모이는 '시상'과, 체온 등을 조절하는 '자율 신경'의 중추인 '시상하부' 등을 포함한다. 그 밖에 근육(골격근)의 움직임을 담당하는 '소뇌'도 있다.

 

뇌는 많은 수의 '신경 세포'가 모여 이루어져 있고 각 부위는 신경 세포끼리 접속함으로써 생기는 회로로 이어져 서로 정보를 주고받는다. 신경 세포의 세포체는 길이 5~100um(1um는 100만분의 1m)의 가늘고 긴 세포이다. 가지 돌기'라는 부위가 다른 신경 세포로부터의 정보를 받아들이면, 정보는 '신경 돌기(축삭)'라는 가늘고 긴 부위를 통해 다른 신경 세포와의 이음새(시냅스)에 이른다. 시냅스에서는 '신경 전달 물질'이라는 화학 물질을 주고받음으로써 다른 신경 세포에 정보를 전달한다.

 

기억은 하나의 신경세포에 보존되는 것이 아니라 여러 신경 세포가 만드는 네트워크로 보존된다는 것이 밝혀졌다. 신경 세포끼리의 접속 유무와 그 세기가 변화해 새로운 네트워크가 만들어지거나 오래된 네트워크가 파기됨으로써 기억이 축적되거나 사라지는 원리이다.

 

이 기억 시스템에서 하나의 신경 세포는 하나의 네트워크에만 끼어드는 것이 아니라 여러 네트워크에 끼어든다. 이렇게 함으로써 한정된 수의 신경 세포로도 조합하기에 따라 많은 수의 네트워크를 형성할 수 있다.

 

한편, 네트워크 안에서는 신경 세포끼리의 접속 방법 등이 끊임없이 변화한다. 이처럼 가소성(Plasticity)이 풍부한 네트워크는 기억을 비롯해 뇌의 여러 기능의 원동력이 된다.

 

 

여러 뇌 부위가 '경험'을 '기억'으로 바꾼다

경험이 기억으로 만들어져 어디에 보관되는 것일까? “자전거를 타고 할머니 댁에 갔다. 할머니 댁에서 기르는 뽀삐라는 개를 쓰다듬자 으르렁거려 깜짝 놀랐다”는 경험을 했다고 생각해 보자. 이 경험이 기억으로 변환되기까지 뇌는 어떻게 작용할까?

 

먼저 기억은 크게 '서술 기억(명시적 기억)'과 '비서술 기억(암묵적 기억)'으로 나뉜다. 서술 기억이란 지식이나 체험처럼 '말로 설명할 수 있는 기억'이다. 서술 기억은 다시 '개가 으르렁거려 깜짝 놀랐다'와 같은 '일화 기억'과 '개의 이름은 뽀비' 같은 지식에 해당하는 '의미 기억'으로 나뉜다.

 

한편 비서술 기억이란 말이 아니라 행동에 의해 재생할 수 있는 기억을 말한다. 비서술 기억의 하나가 자전거 타는 법처럼 행동의 반복으로 몸에 익혀지는 '절차 기억'이다. 절차 기억은 의식적으로 생각 해내려고 하지 않아도 재생할 수 있고 잊어버리기 어렵다는 특징이 있다.

 

서술 기억이 형성되는 과정은 먼저 우리는 개를 본다. 짖는 소리를 듣는다 같은 눈앞의 상황을 감각 기관을 통해 지각한다. 이 정보는 시상을 경유해 대뇌 피질로 보내진다.

 

대뇌 피질에는 시각과 청각 같은 각각의 정보를 처리하는 부위가 있다. 시각은 후두엽에 있는 '1차 시각 영역', 청각은 측두엽의 '청각 영역이라는 식이다. 그리고 각 부위에서 처리된 정보는 '두정 연합 영역'에서 '전두연합 영역'이라는 부위로 보내져 하나의 정보로 통합·처리된다.

 

예를 들어 '갈색, 네발, 개 짖는 소리, 부드러운 감촉' 등의 정보가 통합되면 개를 쓰다듬었다는 기억의 원형이 완성된다. 그다음에 기억의 원형에서 '단기 기억'이 만들어져 해마에 보관된다.

 

단기 기억이란 짧으면 수초, 길어도 며칠 정도밖에 보관되지 않는 기억을 말한다. 그보다 길고 수십 일, 수개월, 또는 수년 동안 보관되는 기억을 '장기 기억'이라 한다.

 

단기 기억이 만들어질 때는 기억의 원형을 만든 대뇌 피질과 단기 기억을 보관하는 해마가 동시에 활성화된다. 일시적으로 단기 기억으로 보관했다가 그것을 장기 기억으로 만들지 말지를 판단하는 것이 해마의 역할이다. 장기 기억은 해마의 대뇌피질이 강하게 결합된 상태에서 보존된다고 한다.

 

 

사람의 이름을 기억하기 어려운 것은 '감정을 일으키지 않기 때문

 

앞에서 예로 든 것처럼 '뽀삐'라는 이름, 즉 의미 기억은 잠시 후면 생각해 내지 못할 수도 있 다. 애초에 이름을 기억하기 어렵다는 사람도 많다. 한편 일화 기억은 비교적 잘 잊히지 않는다.

 

똑같이 처리된 기억인데 왜 기억되기 쉬운정도에 차이가 생길까? 그 메커니즘에 관여하는 것이 감정을 담당하는 대뇌변연계의 '편도체'와 '측좌핵'이다.

 

실은 개를 보거나 짖는 소리를 들은 지각 정보는 시상에서 대뇌피질로 보내질 뿐만 아니라 동시에 대뇌변연계로도 보내진다. 대뇌변연계의 경로에서 이루어지는 일은 보내진 정보에 대한 '정동에 의한 중요도 평가'이다.

 

정동이란 간단히 말하면 '감정'이며, 마음뿐만 아니라 몸의 반응도 수반되는 것이 특징이다. 어떤 사건에 대해 짧은 시간에 일어나는 유쾌·불쾌와 희로애락 같은 마음의 반응, 그리고 심박수 상승이나 발한 같은 신체 반응을 말한다. 개의 예에서 보면, '개가 으르렁거려 놀랐다'는 경험은 정동을 수반하고 있었던 셈이다.

 

대뇌변연계에서는 '사건에 의해 정동이 일어났는가?'에 따라 중요도를 결정한다. 일어난 정동이 강할수록 중요한 정보라고 판단해 큰 '중요도'를 부여한다. 그리고 이 중요도의 크기에 입각해 해마는 단기 기억을 장기 기억으로 바꿀지를 정한다. 그래서 자신에게 중요하지 않은 사람의 이름같은, 정동을 일으키지 않는 의미 기억은 기억에 남기 어렵다. 반대로 정동을 일으키기 쉬운 일화 기억은 비교적 기억에 남기 쉽다.

 

강한 정동이 수반된 정보일수록 '살기 위해 중요한 정보'일 가능성이 높기 때문이다. 예를 들어 '개를 쓰다듬었더니 으르렁거렸다'처럼 부정적인 강한 정동을 일으킨 기억은 똑같은 상황에서 같은 행동을 되풀이하지 않기 위해 중요하다. 또 '힘든 공부 과정을 이겨내고 지망한 학교에 합격했다'는 긍정적인 강한 정동을 일으킨 기억도 동기 부여와 쾌감으로 이어지는 중요한 기억이다.

 

즉 대뇌변연계에 의한 정동의 중요도 평가는 중요한 정보를 장기 기억으로 보관하기 위한 원리이다. 그 밖에 반복적으로 경험한 사건도 장기 기억이 되기 쉽다.

 

 

신경 세포의 '수용체가 변화함으로써 기억이 정착

해마에 만들어진 단기 기억 가운데 큰 정동을 일으킨 사건이나 반복적으로 경험한 사건은 장기 기억이 된다. 이처럼 단기 기억이 장기 기억이 되는 것을 기억 고정화'라 한다.

 

어떤 사건을 반복적으로 경험하거나 사건이 큰 정동을 일으키면 신경 네트워크에서 신경 세 포끼리의 결합이 강해진다. 그러면 활성화된 신경 세포가 더 강하게 반응하게 되고 네트워크가 배제되기 어려워진다.

 

즉 그 기억을 생각해 내기 쉬워지고 잊히기 어려워지게 되는데, 이것을 '장기 강화(LTP: Long Term Potentiation)'라 하며, 기억 고정화에 중요한 역할을 한다. 예를 들어 장기 강화가 일어나지 않게 한 생쥐는 물속에서 발판을 찾는 '수중 미로 훈련을 해도 발판이 있는 위치를 오래 기억할 수 없다는 보고가 있다.

 

신경 네트워크 안에서 신경 세포끼리는 '신경 전달 물질'이라는 물질을 주고받음으로써 정보를 전달한다. 장기 강화가 일어날 때 중요한 것 중 하나로 신경 네트워크의 수신 쪽에서 신경 전달 물질(글루탐산)을 받아들이는 'NMDA 수용체(NMDA형 글루탐산 수용체)'라는 단백질이 있다. 똑같은 사건을 반복적으로 경험하면, 즉 신경 네트워크가 반복적으로 자극되면 수신 쪽 신경 세포의 NMDA 수용체의 작용에 의해 수신 쪽 신경 세포에 강한 신호가 전달되는 상태가 되는데, 이때 그 기억에 관한 신경 네트워크가 강화되어 장기 강화가 일어난다.

 

나아가 신경 전달 물질의 분비량이 늘어나거나 주위 세포에 의한 전달 효율의 조절도 장기 강화에 관여하는 것이 밝혀졌다. 다양하고 복잡한 메커니즘에 의해 장기 강화가 실현되는 것이다.

 

 

'스파인'이 부풀어 올라 시냅스의 결합을 강화한다

한편 최신 연구를 통해 시냅스의 수신 쪽 돌기(스파인)의 모양도 장기 강화에 영향을 미치는 것이 밝혀졌다. 스파인은 하나의 신경 세포에 수천 내지 수만 개 존재한다. 그 크기와 형태는 다양하며, 가장 큰 것과 가장 작은 것의 크기는 약 100배나 차이가 난다.

 

2004년 일본의 가사이 하루오 박사는 '스파인이 부풀어 오르는 현상(두부 증대)'을 발견하고 '두부 증대와 함께 시냅스끼리의 결합이 강해지는 것'을 발견했다. 또 '약 10분 만에 두부 증대가 종료하는 스파인'과 '두부 증대가 1시간 이상 지속하는 스파인'이 있으며, 후 자가 장기 강화에 기여하고 있음도 알아냈다.

 

 

자는 동안 뇌는 기억을 '복습한다‘

2002년 미국 매사추세츠 공과대학교 의 리(Albert K. Lee) 박사가 실시한 실험에서는 살아 있는 쥐의 뇌에 전극을 꽂고 깨어 있을 때 어떤 학습을 시켜 신경 활동을 기록하고, 수면 중에도 신경 활동을 조사했다. 그러자 학습할 때와 똑같은 신경 활동이 논렘 수면(수면 단계의 하나로 수면의 깊이에 따라 3단계로 나뉜다) 중의 해마에서 일어난다는 것이 밝혀졌다. 이 현상을 ‘메모리 리플레이’라 한다. 즉 해마는 깨어 있을 때의 신경 활동을 자는 동안 '복습하는 것이다.

 

나아가 해마에서 리플레이가 일어나면 수십 밀리초 뒤 대뇌 피질에서도 리플레이가 일어나기 쉽다는 것도 밝혀졌다. 이것은 논렘 수면 중의 해마가 단기 기억을 '복습한 뒤 대뇌 피질이 가진 기억 네트워크에 작용해 장기 기억을 형성하고 있음을 의미한다. 학습 과제를 준 뒤 논렘 수면 중의 신경 활동을 저해하면 쥐가 학습 내용을 기억하지 못하게 된다는 다른 연구도 있다. 자는 것만으로 학습할 수 있는 '수면 학습'은 어렵겠지만, 자는 것은 학습을 위해 매우 중요하다.

 

 

알코올은 신경 세포의 작용을 억제한다

과음하면 왜 기억을 잃을까? 해마에는 주변 신경 세포의 작용을 억제하는 '억제성 신경 세포'라는 신경 세포가 다수 존재한다. 억제성 신경 세포는 술을 마시지 않을 때도 작용해, 여러 기억이 동시에 떠올라 혼란을 초래하는 그런 사태를 막는다. 알코올은 이 억제성 신경 세포에서 방출되는 신경 전달 물질의 하나인 'GABA'의 수용체에 작용해 그 움직임을 높인다. 그래서 과음하면 GABA에 의한 억제 작용이 높아져 해마의 기능이 크게 저하됨으로써 기억을 형성할 수 없게 된다.

 

장기 기억을 형성했더라도 우리는 장기 기억을 모두 기억해 낼 수 없듯이 오랫동안 생각하지 않은 기억은 해마와의 결합이 약해진다(기억에서 잊혀짐). 그러면 그 기억을 떠올리는 데 시간이 걸리거나 제대로 떠올리지 못하게 된다.

 

실제로 기억을 떠올리지 못하는 것은 다섯 가지 중 몇 가지가 조합해 일어나는 경우가 많다.

애초에 기억을 만들 수 없거나 정동이 일어나지 않아 중요한 기억으로 간주되지 않는다. 세 번째로 수면 부족에 의해 기억이 정리되지 않거나 신경 세포의 ‘억제’가 작용해 기억을 떠올리지 못한다. 다섯 번째로 오랫동안 사용하지 않아 기억이 잊혀지는 것이다.

 

 

기억을 제거하는 미세 아교 세포

오랫동안 기억할 일이 없으면 신경 세포의 스파인이 사라져 네트워크가 끊어짐으로써 기억이 통째로 사라지는 일도 있다. 이런 경우에는 더 이상 생각해낼 수 없게 된다. 세포 주위에 존재하는 아교 세포의 일종인 미세 아교 세포가 스파인을 제거하기 때문이라고 한다.

 

미세 아교 세포는 불필요한 단백질과 이물질 제거, 비정상 시냅스의 절단, 스파인 생성, 정상 시냅스의 유지 등 여러 가지 기능을 한다.

 

알츠하이머병 같은 질병에서는 미세 아교세포에 의한 기억 소거가 비정상적으로 활성화된다는 것이 밝혀졌다. 알츠하이머병에서는 뇌에 '아밀로이드 베타'와 '타우'라는 비정상 단백질이 축적된다. 미세 아교 세포가 이들을 제거하지만, 동시에 시냅스를 과잉 소거해 기억 장애에 문제를 일으키기도 한다.

 

한편 특정 기억이 잊히지 않는 질환도 있다. 대표적인 것이 PTSD(외상 후 스트레스 장애)이다. PTSD는 생명을 위태롭게 하는 강렬한 경험(심적 외상)을 한 뒤 의지와는 무관하게 그때의 공포와 무력감을 다시 체험하는 것처럼 느끼는 정신 질환이다. 대부분 자연 회복되지만, 여러 해 동안 증상이 계속되기도 한다. 환자의 뇌에서 해마에 공포의 기억이 과도하게 고정화되거나 공포의 기억이 제대로 소거되지 않은 것이다.

 

그래서 기억 소거의 메커니즘을 사용한 PTSD 치료법을 개발하고 있다. 일본 도쿄 대학교의 기다 사토시 교수 연구팀은 약물(메만틴)로 생쥐 해마의 신경이 새로 생성되도록 촉진하자 기억이 소거되는 것을 발견했다. 게다가 PTSD와 비슷한 증상을 유발한 생쥐에게 메만틴을 투여하자 공포의 기억이 소거되고 불안 등의 증상이 개선되는 것도 확인했 다. 현재 일본 국립정신신경의료연구센터에서는 메만틴을 사용한 임상 시험을 하고 있다고 한다.

 

 

palms@ coconutpalms.info
출처: 뉴턴 2023-12