뇌의 최적 지점: 비판성이 학습과 기억을 활성화하고 알츠하이머병을 예방하는 방법

뇌의 이상적인 상태는 "임계성"이라고 불리는 불안정한 균형 상태일 수 있습니다. 이 균형 상태에서 뇌는 가장 잘 배우고 적응할 준비가 되어 있습니다. 이러한 균형을 잃으면 알츠하이머병과 같은 질병의 원인이 될 수 있으며, 균형을 회복하는 것이 예방과 치유의 열쇠가 될 수 있습니다. 출처: Shutterstock

세인트루이스 워싱턴 대학교 예술과학부 생물학 조교수인 키스 헨겐은 알츠하이머병과 기타 신경 질환을 예방하는 데 도움이 되는 새로운 논문에서 뇌가 작동하는 방식과 최적의 성능을 달성하기 위해 따라야 하는 규칙을 이해하기 위한 새로운 포괄적인 접근 방식을 제안했습니다.

"인간의 뇌가 우주에서 가장 복잡한 존재라는 인식이 널리 퍼져 있습니다."라고 헨겐은 말했습니다. "뇌는 엄청나게 강력하지만, 그 힘은 비교적 간단한 수학적 원리에서 비롯될 수 있습니다."

헨겐은 우리 뇌가 하는 거의 모든 일은 학습되거나 경험에 의해 강력하게 형성된다는 전제에서 시작합니다. 다시 말해, 우리는 독서, 운전, 또는 우리가 매일 하는 다른 어떤 일이든 하도록 미리 프로그램된 회로를 가지고 태어나지 않습니다. 건강한 뇌는 무엇이든 배울 준비가 되어 있어야 합니다.

하지만 뉴런 집합체는 어떻게 학습할 수 있을까요? 헨겐은 뇌가 "임계성"이라는 특별한 상태에 도달했을 때만 학습 기계가 된다고 주장합니다. 물리학에서 차용한 개념인 임계성은 ​​질서와 혼돈 사이의 전환점에 있는 복잡한 시스템을 설명합니다. 헨겐은 이 경계선에서 뇌는 새로운 정보를 얻을 준비가 된다고 말했습니다. "뇌는 생각하고, 기억하고, 배우기 위해 임계성에 도달해야 합니다."

헨겐은 권위 있는 학술지 뉴런(Neuron) 에 뇌 기능과 질병에 대한 통합 이론으로 임계성(criticality)을 제시했습니다. 아칸소 대학교 물리학자 우드로 슈(Woodrow Shew)가 공동 저자입니다.

생물학자와 물리학자는 어울리지 않는 조합처럼 보일 수 있지만, 새로운 통합 이론은 두 과학 영역을 모두 아우릅니다. 물리학자들은 종종 모래 더미의 고전적인 예를 들어 임계성을 설명합니다. 모래가 더해질수록 모래 더미는 점점 더 가파르게 자라 결국 눈사태가 발생합니다. 마지막 모래알 하나가 혼돈의 순간을 촉발하기 직전, 모래 더미는 임계 각도에 도달하여 불안정성 직전까지 이르렀습니다.

슈는 물리학자들이 자석과 다른 물질을 설명하는 방식으로 임계성에 대한 심층적인 이해를 처음 개발했다고 설명했습니다. 21세기에 접어들면서 이러한 개념은 눈사태, 지진, 그리고 궁극적으로 생명계와 뇌를 포함한 더 광범위한 복잡한 시스템을 설명하는 데까지 확장되었습니다.

중요 시스템의 결정적인 측면은 어떤 규모에서든 동일하게 보인다는 것입니다. 눈사태 직전의 모래 더미는 그 더미가 작든 산처럼 크든 같은 경사를 갖습니다. 뇌에서 임계성은 ​​소수의 뉴런으로 측정하든 전체 영역으로 측정하든 일정합니다. 마찬가지로, 시간에 따라 전개되는 뇌 패턴은 밀리초 단위로 보든 몇 시간 단위로 보든 놀라울 정도로 유사합니다. 헨겐은 "이는 뇌의 작동 방식에 대한 우리의 직관적 이해와 일치합니다."라고 말했습니다. "우리의 내적 경험은 밀리초에서 몇 달까지 지속됩니다. 규모는 없습니다."

헨겐과 슈는 임계성이 단순한 이론적인 개념이 아니라 fMRI 뇌 영상 기술을 통해 정확하게 측정하고 계산할 수 있는 상태라고 주장합니다. 헨겐은 "임계성은 뇌의 최적의 계산 상태입니다."라고 말했습니다. "우리는 뇌가 임계성에 얼마나 가까운지를 측정하는 수학적 방법을 개발했으며, 이는 인간의 뇌가 어떻게 작동하는지에 대한 근본적인 의문을 해결하는 데 도움이 될 것입니다."

질병에 대한 새로운 이해

임계성 프레임워크는 신경 질환을 이해하는 데 새로운 관점을 제시합니다. 헨겐은 알츠하이머병과 같은 질병이 손상된 특정 뇌 영역이나 축적된 단백질에 초점을 맞추는 대신, 더 기본적인 것, 즉 뇌의 임계성 유지 능력을 파괴한다고 주장합니다.

"알츠하이머병과 다른 신경퇴행성 질환은 신경 세포만 손상시키는 것이 아니라, 임계성을 서서히 약화시켜 뇌의 전반적인 계산 능력을 파괴합니다."라고 헨겐은 설명했습니다. "뇌가 임계성에서 점점 더 멀어질수록, 적응하고 정보를 효과적으로 처리하는 능력을 잃게 됩니다."

이 프레임워크는 뇌 질환의 당혹스러운 특징을 설명합니다. 환자들은 많은 뉴런을 잃을 때까지는 종종 완전히 정상으로 보입니다. 헨겐은 "뇌는 임계성이 약해지기 시작하더라도 기능적 문제를 가릴 수 있는 놀라운 보상 능력을 가지고 있습니다."라고 말했습니다. "전통적인 평가는 뇌가 여러 가지 해결책을 통해 유지하려고 하는 확립된 종말점에 초점을 맞추기 때문에 초기 단계를 놓치게 됩니다."

헨겐은 임계성이 점차 저하됨에 따라 뇌는 동일한 인지적 결과를 얻기 위해 더 열심히 일한다고 말했습니다. "엔진이 계속 작동하지만 더 많은 연료와 더 많은 열을 발생시키는 것과 같습니다. 기억력 문제나 다른 증상이 나타날 때쯤이면 임계성은 ​​이미 수년 전에 손상된 상태일 가능성이 높습니다."

헨겐은 워싱턴 대학교 의대의 바바라 버튼 및 루벤 M. 모리스 3세 명예교수인 데이비드 M. 홀츠먼 박사와 협력하여 알츠하이머병에서 타우 단백질이 축적되면 임계성이 직접적으로 손상된다는 사실을 밝혀냈으며, 이 질병의 분자적 특징과 인지 붕괴 사이의 명확한 연관성을 제공했습니다.

임계성과 알츠하이머병 사이의 이러한 연관성은 흥미로운 진단 가능성을 제시합니다. 이론상으로는 간단한 fMRI만으로도 증상이 나타나기 수년 전에 임계성의 붕괴를 감지할 수 있습니다. 헨겐은 "첨단 혈액 검사와 병행하면 위험군에 속하는 사람들을 파악하고 돌이킬 수 없는 손상이 발생하기 전에 개입할 수 있을 것입니다."라고 말했습니다.

또 다른 협력 연구로, 헨겐은 워싱턴대학교 의대의 정신과 그레고리 B. 카우치 교수이자 인문학부 심리학 및 뇌과학 교수인 디애나 바치와 협력하여 출생 시의 비판성이 아동기의 인지 발달과 능력에 어떻게 영향을 미치는지 관찰 연구를 진행했습니다. 헨겐은 "처음부터 어떤 아이들은 다른 아이들보다 비판성에 더 가까운데, 이는 우리 이론에 따르면 이들이 더 나은 학습자가 될 것임을 시사합니다."라고 말했습니다. "학교 생활의 성공에 영향을 미치는 외부 요인은 많지만, 비판성은 아이들 간의 다양성을 상당 부분 설명할 수 있습니다."

수면-마음의 연결

2024년 초, 헨겐과 공동 저자이자 워싱턴 대학교 인문학과 물리학 교수인 랄프 베셀은 임계성이라는 개념을 사용하여 오래된 질문을 다시 제기했습니다. 바로 우리에게 왜 수면이 필요한가입니다. 여러 주에 걸쳐 뇌 활동을 추적한 결과, 수면이 임계 상태를 회복시킨다는 것을 발견했습니다. 헨겐은 "깨어 있고 활동적인 상태는 우리를 임계 상태에서 벗어나게 하며, 수면은 마치 리셋 버튼과 같습니다."라고 설명했습니다.

이러한 통찰력은 연구자들이 알츠하이머병을 비롯한 뇌를 최적의 상태에서 벗어나게 하는 신경 질환의 치료법으로서 수면의 효능을 밝히는 데 도움이 될 수 있습니다. 홀츠먼과 다른 연구자들이 수행한 이전 연구에 따르면, 교대 근무나 만성 불면증 등으로 인해 필요한 수면을 충분히 취하지 못하는 사람들은 나이가 들면서 알츠하이머병에 걸릴 위험이 훨씬 더 높습니다. 또한, 수면 중재가 알츠하이머병 증상의 진행을 늦추는 데 도움이 될 수 있다는 증거도 이미 존재합니다.

헨겐은 집중적인 표적 수면 기반 치료가 뇌 질환 환자의 비판력을 회복하고 학습 및 기억력을 향상시키는 데 도움이 될 수 있다고 믿습니다. 홀츠먼과 헨겐 연구실의 박사후 연구원인 제임스 맥그리거가 수행한 생쥐 연구는 이러한 가능성을 엿볼 수 있게 합니다. 알츠하이머병 증상이 나타나도록 특별히 길러진 생쥐는 표적 수면 중재를 통해 비판력을 강화한 후 학습 속도가 더 빨라졌습니다.

중요한 미래

아직 해야 할 일이 많지만, 헨겐은 궁극적으로 임계성이 인간 신경생물학의 복잡한 특징을 설명하는 데 어떻게 도움이 되는지 이해하고자 합니다. "예를 들어, 뛰어난 예술가는 창의적인 발상에 관여하는 뇌 영역에서 임계성과 매우 가까이에 있을 수 있다는 것을 발견할 수도 있습니다."라고 그는 말했습니다. 또한 임계성을 면밀히 살펴보면 아직 발견되지 않은 성향이나 표출구가 필요한 재능을 찾아낼 수도 있습니다. "아마도 그들은 예술을 시도해 본 적이 없을지 모르지만, 우리는 그 잠재력이 거기에 있다는 것을 알 수 있습니다."

그동안 헨겐, 슈, 그리고 다른 사람들은 비판성의 중요성을 널리 알리고 있습니다. 헨겐은 2024년 이 주제에 대한 TEDx 강연을 했고, Arts & Sciences의 첫 번째 연구 발표 대회에서 자신의 연구를 공유하여 2위를 차지했습니다. 그는 새로운 Neuron 논문이 신경과 전문의, 의사, 기자, 그리고 일반 대중 사이에 논의의 장을 마련하기를 바랍니다.

정신에 대한 통일된 이론은 세상을 바꿀 수 있지만, 먼저 전문가들을 하나로 모아야 합니다. "우디(슈)와 저는 정말 중요한 것을 발견했다고 생각합니다."라고 헨겐은 말했습니다. "그리고 아마도 천천히, 다른 사람들도 동의하기 시작하고 있습니다."

헨겐은 워싱턴대학교가 뇌에 대한 새로운 개념이 탄생하기에 이상적인 장소였다고 말했습니다. "물리학, 생물학, 심리학, 수학, 신경과학 등 다양한 분야의 뛰어난 인재들로 둘러싸여 있고, 이곳 커뮤니티는 놀라울 정도로 든든합니다."라고 그는 말했습니다. "모두가 기꺼이 도울 준비가 되어 있습니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/06/250625075016.htm