멋진 뇌가 더 효율적일까?

뇌 표면의 많은 홈과 움푹 들어간 부분은 인간에게만 고유한 것이지만, 비정상적으로 큰 뇌를 너무 작은 두개골에 넣었기 때문에 생긴 흥미롭지 않은 결과로 치부되는 경우가 많습니다.

하지만 신경과학자들은 이러한 주름이 침낭을 짐가방에 억지로 넣었을 때 생기는 부풀어 오른 주름처럼 단순한 인공적인 현상이 아니라는 것을 밝혀내고 있습니다. 이러한 가장 작은 홈들 중 일부의 깊이는 뇌의 상호 연결성 증가 및 추론 능력 향상과 관련이 있는 것으로 보입니다.

캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스의 신경과학 저널 에 5월 19일에 발표된 연구에 따르면, 연구진은 어린이와 청소년의 경우 일부 작은 홈의 깊이가 추론 및 기타 고차원적 인지 기능을 담당하는 뇌 영역(측면 전두엽 피질과 측면 두정엽 피질) 간의 연결성 증가와 상관관계가 있음을 보여주었습니다.

홈은 실제로 공간상의 해당 영역들을 더 가깝게 모아서, 영역들 간의 연결을 단축시키고 통신 속도를 높일 수도 있습니다.

연구자들은 3차 홈(발음은 술-시그)이라 불리는 이 작은 홈의 다양성이 인지적 능력의 개인차를 설명하는 데 도움이 될 수 있으며, 추론 능력이나 신경발달 장애의 진단 지표나 바이오마커로 활용될 수 있다고 말합니다.

UC 버클리 헬렌 윌스 신경과학 연구소(HWNI)의 심리학 교수이자 실비아 번지(Silvia Bunge)는 "이 연구의 원동력은 어린이와 청소년의 뇌고랑 깊이가 추론 능력과 상관관계를 보인다는 것을 확인한 데 있습니다."라고 말했습니다. "이전 연구 결과를 바탕으로, 전 박사후 연구원인 수비 하키넨(Suvi Häkkinen)은 뇌고랑 깊이가 추론 능력과 상관관계가 있는지, 그리고 외측 전전두엽-두정엽 네트워크 내의 협응 활동 패턴이 뇌고랑 깊이와 추론 능력 간의 이러한 관계를 설명할 수 있는지 검증하고자 했습니다."

"측면 전전두엽 피질의 어떤 3차 고랑이 측면 두정엽 피질의 3차 고랑과 기능적으로 연결될지에 대한 명확한 예측이 있었고, 그 예측은 사실로 드러났습니다."라고 UC 버클리 심리학 및 신경과학 부교수이자 HWNI 회원인 케빈 와이너는 덧붙였다. "전전두엽 피질과 두정엽 피질을 제외하더라도, 고랑의 형성은 연결된 뇌 영역 간의 거리를 단축시켜 신경 효율을 높이고, 나아가 인지 기능 향상에 있어 개인차를 유발하여 번역에 응용할 수 있다는 가설이 있습니다."

"피질은 뇌에 아무렇게나 뭉쳐져 있어요. 제가 항상 그렇게 배웠거든요." 번지가 말했다. "케빈이 와서 뇌고랑에 대한 제 생각을 바꿔놓았죠."

뇌의 언덕과 계곡

포유류를 포함한 대부분의 동물의 뇌는 매끄러운 표면을 가지고 있습니다. 영장류는 대뇌 피질을 덮고 있는 언덕과 계곡을 가지고 있습니다. 신세계 원숭이(마모셋)라고 불리는 영장류 집단은 얕고 거의 눈에 띄지 않는 고랑을 가지고 있는 반면, 인간의 뇌는 깊게 패여 있어 피질의 60%에서 70%가 이 주름에 묻혀 있습니다.

인간의 피질 접힘 패턴은 나이가 들면서 변하며, 태아 발달 후반에 최종 구조를 형성하다가 노년기에 덜 두드러지게 됩니다.

"고랑은 발달 과정에서 변할 수 있고, 더 깊어지거나 얕아지고, 더 얇거나 더 두꺼운 회백질이 발달할 수 있습니다. 이는 아마도 경험에 따른 방식일 것입니다. 하지만 우리의 특정 고랑 구성은 크기, 모양, 위치, 심지어 일부 고랑의 경우 존재 여부까지 안정적인 개인차가 있습니다."라고 6세부터 성인 초기까지 어린이의 추상적 추론을 연구하는 Bunge는 말했습니다.

가장 작은 홈은 대부분 인간에게만 있는 것으로, 태아 발달 과정에서 가장 마지막에 나타나며 뇌 표면에서 가장 뚜렷하게 보이는 주요 또는 1차 홈만큼 깊지 않기 때문에 3차 홈이라고 합니다.

과학자들은 3차 고랑이 진화 과정에서 가장 크게 확장되고 장기간 발달한 인간 뇌의 부분에서 나타나며 추론, 의사 결정, 계획 및 자기 통제와 같은 인지 측면과 관련이 있을 가능성이 높다고 추측합니다. 이는 장기간의 청소년기에 걸쳐 발달합니다.

하지만 이 연구 이전에는 3차 뇌고랑과 뇌 연결성 사이의 연관성에 대한 증거가 부족했습니다. UC 버클리의 연구는 지난 몇 년 동안 그러한 증거를 제시한 몇 안 되는 연구 중 하나입니다.

인지와 관련된 Sulci

와이너와 번게는 학부생 시절에 3차 뇌고랑을 정의하는 방법을 전혀 배우지 못했다고 말했습니다. 그들은 종종 특정 개인과 일치하지 않는 평균적인 뇌의 스캔 영상을 검사했습니다.

와이너는 학부생 시절에 이런 불일치를 알아차렸습니다.

"당시 제가 알고 있던 건 실험실에 있는 일반적인 뇌 지도에는 없는 피질의 구불구불한 선들이 있다는 것뿐이었습니다. 그래서 제 멘토인 사빈 카스트너와 찰리 그로스에게 던진 질문은 이렇습니다. '우리 지도에는 없는 다른 구조들이 있는 걸까요, 아니면 이 지도에서 구조가 빠진 걸까요?' 그는 이렇게 말했습니다. "그 후로 저는 시각 피질의 특정 3차 구(tertiary sulcus)를 연구하는 데 15년이라는 시간을 허비하게 되었습니다."

이 연구는 특정 고랑, 즉 중방추형 고랑의 길이가 사람마다 3mm에서 7cm까지 다양하다는 것을 보여주었습니다. 더욱이, 고랑이 길수록 사람의 얼굴을 더 잘 처리하고 인식하는 것으로 나타났습니다.

"약 2%의 사람들은 발달성 안면실인증(prosopagnosia)을 앓고 있는데, 이는 얼굴을 인식하지 못하지만 뇌 손상은 없다는 것을 의미합니다."라고 그는 말했습니다. "이런 사람들은 특히 우반구의 안면실인증이 있는데, 우리가 신경전형적 대조군이라고 부르는 사람들보다 안면실인증이 있는 사람들의 안면실인증이 더 짧고 얕습니다."

번지와 와이너는 이러한 의문을 바탕으로 시각 처리 장치 외 뇌의 다른 영역에 있는 3차 고랑(tertiary sulci)도 인지 능력과 관련이 있는지 궁금해했습니다. 2018년 UC 버클리로 자리를 옮긴 와이너는 이마 뒤편 뇌 앞쪽에 위치한 전전두엽 피질에 대한 연구를 시작했습니다. 번지는 이 영역의 고랑이 추론 능력과 관련이 있는지 확인하고자 했습니다.

2021년 논문에서 두 사람은 측면 전두엽 피질의 모든 작은 홈을 정의하고 추론 능력에 가장 많은 변화를 일으키는 3차 홈을 식별하는 컴퓨터 모델을 만들기 위해 협업했습니다.

와이너는 "이 모델은 어린이의 추론 능력에 기여하는 측면 전두엽 피질에 3차 고랑이 있다는 것을 확인했습니다."라고 말했습니다.

새로운 연구에서 이 연구를 확장하여 Weiner, Bunge 및 동료들은 두개골 정수리 바로 뒤에 위치한 외측 두정엽 피질의 3차 고랑을 꼼꼼하게 목록화하고, 외측 전전두엽 피질의 고랑과 기능적 연결을 조사했습니다. 두 연구 모두에서 7세에서 18세 사이의 43명의 참가자(그중 20명은 여성)를 연구했습니다. 기능적 자기공명영상(fMRI) 스캐너를 사용하는 동안 참가자들은 추론 과제를 받았습니다. 연구진은 뇌의 각 반구에서 발견한 21개의 고랑의 뇌 활동과 이러한 고랑 간의 기능적 연결에 초점을 맞추었으며, 여기에는 처음으로 3차 고랑도 포함되었습니다.

이러한 개인들 사이에서 추론에 연루된 여러 뇌고랑의 깊이가 깊을수록 전두엽과 두정엽 뇌고랑 전체에서 네트워크 중심성이 더 높은 것으로 나타났습니다.

경험은 주름에 영향을 미친다

Bunge는 홈의 깊이와 추론 사이의 연관성이 모든 홈에 적용되는 것은 아니며, 홈의 깊이는 경험에 따라 변할 수 있다고 지적했습니다.

"개인의 추론 능력이 피질 접힘에 따라 결정된다고 생각하시나요? 절대 아닙니다!"라고 그녀는 말했다. "인지 기능은 다양한 해부학적, 기능적 특징의 다양성에 따라 달라지며, 중요한 것은 교육의 질과 마찬가지로 경험이 개인의 인지 경로를 형성하는 데 중요한 역할을 하며, 성인이 되어서도 그 변화가 가능하다는 것을 알고 있다는 것입니다."

와이너 연구실은 연구자들이 인간 뇌의 3차 뇌고랑(tertiary sulci)을 식별하는 데 도움이 되는 컴퓨터 프로그램을 개발하고 있습니다. 대부분의 프로그램은 약 35개의 뇌고랑만 식별하지만, 3차 뇌고랑까지 포함하면 100개가 넘는 뇌고랑이 있다고 그는 말했습니다. 연구실에서 새롭게 발견한 뇌고랑도 포함됩니다. 연구진은 뇌가 매우 다양하기 때문에 뇌고랑이 개인 간 뇌를 비교하는 지표 역할을 할 수 있다고 주장합니다.

"지난 5년 동안 수십 개의 뇌 지도가 제안되었지만, 피질 내 관련 영역의 영역에 대해서는 의견이 일치하지 않으며, 집단 수준과 개인 수준에서 영역 간에 불일치가 존재합니다."라고 와이너는 말했습니다. "개인의 뇌열구 형태에 기반한 네트워크 구조를 검토하면 이러한 불일치와 불일치를 피할 수 있으며, 특정 개인에게 특화된 국소 뇌열구 해부학적 구조로부터 네트워크 수준의 통찰력을 얻을 수 있습니다."

Bunge와 Weiner 외에도 이 논문의 다른 UC Berkeley 공동 저자로는 전 박사후 연구원 Suvi Häkkinen, 전 대학원생 Willa Voorhies, 전 학부생 Ethan Willbrand와 Jewelia Yao, 전 방문 학자 Yi-Heng Tsai와 Thomas Gagnant가 있습니다.

이 연구는 유니스 케네디 슈라이버 국립 아동 건강 및 인간 발달 연구소(R21HD100858)와 국립 정신 건강 연구소(R01MH133637)의 보조금을 통해 국립 보건원과 국립 과학 재단(CAREER Award 2042251)의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/05/250521161109.htm