뇌 발달 과정

신경발생과 뉴런 발달

신경발생이란 세포분열을 통한 뉴런의 증식이다. 이 신경발생은 수정 후 42일 차에 시작해서 임신 중기쯤 끝난다. 즉, 지금 우리들이 가지고 있는 약 1천억 개의 뉴런은 태어나기 전부터 우리와 함께 한 것이다. 이로 끝이 아니라 우리는 일생 동안 새로운 뉴런을 계속해서 만들어낸다. 예를 들어 무언가를 배우는 동안 뇌의 해마에서 신경발생이 일어난다. 여기서 해마는 '기억하는' 과정에서 중요한 역할을 하는 뇌의 한 영역이다. 그런데 신경발생은 항상 일어나는 것이 아니다. 신경발생은 만병의 근원인 스트레스에 의해 억제될 수 있다. 이러한 결과 패턴은, 인생의 후반부에 이루어지는 신경발생은 미리 예정되고 고정된 것이 아님을 간접적으로 표현해 준다. 그 대신에 적응적이어서 보상 조건이 증가하고 위협적 환경이 줄어든다.

 '출생' 후에 뉴런들은 두 번째 발달 과정을 시작한다. 뉴런은 전형적으로 뇌의 중심에서, 발달 중인 신피질을 향해 바깥쪽으로 이동한다. 어떤 뉴런들은 후에 생긴 더 새로운 세포에 의해 수동적으로 밀려나간다.  한편 다른 뉴런들은 적극적으로 자신을 최종 위치까지 몰아간다. 임신 초기에는 뇌가 매우 작아서 뉴런이 이동하는 거리가 매우 짧다. 그러나 뇌가 점차 발달함에 따라 뉴런들은 가이드가 필요하다. 뉴런들의 목적지를 정확히 찾도록 뉴런에 발판화를 제시해 주는 특별한 종류의 교세포의 형태로 이루어진 가이드가 필요하다. 

 일단 뉴런들이 목적지에 도착하면 세포는 분열이 일어나며 성장한다. 뉴런들은 처음에 꼬리처럼 보이는 부분에 '축색'이라는 전기적 신호를 세포체로부터 다른 뉴런들로 연결하기 위해 전달하는 신경섬유가 만들어지고, 다른 세포들로부터 입력을 받아들여 그것을 전기충격의 형태로 세포체로 전달하는 신경섬유인 '수상돌기'가 무수히 생긴다. 그 후 뉴런들은 다른 뇌 구조에 특수한 구조적 특징과 기능적 특징을 갖게 된다. 축색은 특정 목표를 향해 자라면서 길어진다. 뉴런에 따라 그것은 뇌에 있는 또 다른 뉴런에서 새끼발가락에 있는 뼈로 가는 뉴런일 수도 있다. 수상돌기의 가지치기는 다른 뉴런과의 연결 형성 능력을 엄청나게 증가시킨다. 피질 내에서 가장 집중적인 성장과 분열이 일어나는 시기는 출생 후에도 계속된다.

 축색 주위를 전류가 흐르지 않게 하는 수초가 만들어지는 수초화 과정은 출생 전에 뇌에서 시작하여 성인기 초기까지 계속된다. 축색의 수초화 된 부분은 백색이다. 이것을 백질이라 하는데 피질의 표면에 있는 회백질 아래에 있다. 수초의 주요 기능은 신경 전달 속도를 증가시키는 것이다. 수초화는 뇌의 깊은 곳에서 시작하여 피질의 위와 바깥쪽으로 이루어진다. 이런 과정은 출생 후 처음 몇 개월 동안 빠르게 일어나며, 걸음마하는 시기 동안 어느 정도 느려지고, 젊은 성인 시기까지 느리게 계속된다. 여러 피질 영역들은 수초화 되는 비율이 매우 다른데 이것이 여러 행동들의 성장 정도가 다르게 나타나도록 한다.

 

시냅스 생성

축색과 수지상돌기 섬유의 발달 결과는 매우 많은 신경 연결의 생성이다. 바로 시냅스 생성이다. 이 과정에서 각각의 뉴런은 수천 개의 다른 뉴런들과 시냅스를 이룬다. 시냅스 생성은 태내에서 시작되어 출산 전과 출산 후의 어느 정도 시간 동안 모두 매우 빠르게 진행된다. 시냅스 생성의 비율과 시기 모두 피질 영역에 따라 다양하다는 것을 주의 깊게 볼 필요 있다. 예를 들어 시냅스 생성은 전두엽 영역보다 시각 피질에서 훨씬 빠르게 완성된다. 수초화와 더불어 뇌의 영역들에 따라서 시냅스 생성 시기가 다른 점이 여러 능력과 행동이 시작되는 발달 시기에 영향을 준다.

 

시냅스 제거

시냅스 생성 동안의 뉴런과 시냅스의 대폭적 생성은 대단하게 과장된 것이어서 하나의 뇌가 사용할 수 있는 것보다 더 많은 신경 연결을 생성한다. 이러한 시냅스 과잉은 뇌의 다른 영역 간의 지나친 연결을 포함한다. 예를 들면 청각 피질이 될 곳에 있는 다량의 뉴런들은 시각 영역에 있는 뉴런들과 연결되어 있다. 그리고 이 영역들 모두 미각과 후각에 있는 뉴런들과 지나치게 연결되어 있다. 이러한 과잉 연결의 결과로, 영아들은 서로 다른 유형의 감각 입력의 혼합인 공감각을 경험하게 된다. 왜냐하면 감각 영역 간 기능적 연결이 이제부터는 제거되어야 하기 때문이다. 예를 들어 청각 피질과 시각 피질 간의 연결의 경우에는 청각 자극이 청감각과 시감각 둘 다를 일으키게 된다. 

 우리는 이제 인간의 뇌 발달에 관한 가장 놀랄 만한 사실 중 하나를 볼 것이다. 이러한 엄청난 오버 시냅스의 약 40%가 시냅스 가지치기로 알려진 발달 과정에서 제거된다. 세포의 죽음은 발달 과정에 있어 지극히 정상적인 부분이다. 세포의 죽음은 출생 후 수년 동안 이어지는 지나친 시냅스의 체계적인 제거에서 잘 보인다.  이러한 가지치기는 뇌의 서로 다른 영역에서 서로 다른 시간에 발생한다. 예를 들면 시각 피질에서의 시냅스 제거는 생의 첫 해의 말쯤에 시작되어 대략 10세까지 이어지는 반면 전전두엽 영역에서의 시냅스 제거는 그보다 더 느린 시간경로를 그린다. 

 뇌는 청소년기 동안 대단한 변화가 진행되는데, 생의 첫 해의 가지치기와 유사한 과잉생산과 가지치기의 곡선을 포함한다. 피질의 백질 양이 아동기부터 성인기까지 일정한 증가를 보임에도 불구하고, 회백질의 양은 11세나 12세쯤에 극적으로 증가되기 시작한다. 회백질의 증가는 빠르게 진행되어 사춘기 경에 절정에 다다르고, 그다음 회백질의 일부가 백질로 대체되기 시작하면서 감소하기 시작한다. 가장 나중에 성장하는 피질 영역은 배외측 전전두엽 피질이다. 이 부분은 주의 집중 조절하기, 결과 예측하기, 충동 통제하기, 우선순위 정하기, 기타 실행기능들에 반드시 필요하다. 이것은 20세 이후에도 성인 수준에 도달하지 않지만, 30대가 될 때까지 가지치기는 계속된다. 시상 같은 어떤 피질하 영역은 유사하게 연장된 발달 과정을 보여준다. 이와 같은 연구들은 우리 뇌가 생의 처음 몇십 년 동안 피질하에서 변화한다는 점을 분명하게 보여준다. 우리 경험은 이 과정에서 결국 성숙한 뇌가 어떤 것이 될 것인지를 만든다.