뇌 발달과 감수성기

 

뇌 발달과 감수성기

 

 

유아기에는 뇌의 작용이 경험이나 학습에 의하여 변하기 쉬운 시기이고 그것을 <임계기> 혹은 <감수성기>라 한다. 또 <세살 버릇 여든까지 간다.>라고 전해지는 것과 관계를 붙여서 기억하고 있는 자도 있을는지 모른다. 전략적창조연구추진사업의 <뇌와 학습> 영역에도 뇌 발달이나 감수성기를 연구대상으로 하고 있는 팀이 몇 개가 있다. 이 Brain and Mind에도 6호와 7호에서 편집 다카오(貴雄)씨와 오수미노리코(大隅典子)씨의 대담이 게재되어있다.

그 편집 다카오(貴雄) 씨가 말하고 있는 유유아기에 뇌의 작용이 경험에 의하여 변한다는 말은 원래는 동물실험에서 얻어진 것이다. 최근 그 동물실험의 결과는 사람에게도 해당되는 것이 아닌가 하는 말이 나와서 예를 들면 조기교육의 중요성을 나타내고 있는 것이라고 말하는 사람도 있다. 단지 이 <임계기>의 이야기에는 오해나 지레짐작도 많으므로 과학적으로는 어디까지 알고 있어서 어디를 주의해야 할 것인지 정리하여 이해할 필요가 있다고 생각한다. <임계기>에 관한 최근의 연구 성과는 편집 다카오(貴雄) 씨가 말하고 있으므로 여기서는 연구의 역사를 되돌아보며 <임계기>라는 개념이 형성됨과 문제점을 설명하고자 한다.

 

동물에서 나타난 행동이나 시각기능발달의 <임계기>

 

1973년에 틴바겐(Nikolaas Tinbergen, 1907-1988）과 함께 노벨상을 받은 로렌스(Konrad Zacharias Lorenz, 1903- 1989）는 이미 1930년에 새의 예에서 <박아내기(inputing각인)>현상을 나타내고 있다. 이것은 잘 알려진 바와 같이 부화 직후의 병아리 새가 눈앞에서 움직이는 대상을 그 후 죽 쫓아가는 현상으로 실험적으로는 어미 새가 아니다. 예를 들면 장난감이라도 <박아내기(inputing/각인)>가 일어나는 기간은 엄밀히 정해져 있어서 부화 후 약 8시간에서 24시간 사이만으로 그 후에는 일어나지 않으므로 이 기간을 <임계기>라 부르게 되었다.

이런 조류에서 볼 수 있는 <박아내기> 행동형성의 <임계기>나 그 행동의 기초가 되는 뇌기능발달의 <임계기>가 포유류에게도 존재하는지 어떤지는 한 동안은 불명이었다. 1960년대가 되어서 포유류에도 조류의 <임계기>라 불릴 시가가 있음이 밝혀졌다. 그것을 나타낸 연구는 1981년에 노벨상을 받은 뷔세르(Torsten Nils Wiesel、1924-1981년에 노벨생리학, 의학상 수상, 스웨덴 신경과학자) 와 휴베르(David Hunter Hubel、1926-2013/ 1981년 노벨 생리학, 의학상 수상. 미국 신경생리학자)가 시작한 고양이의 편안차폐실험(片眼遮蔽實驗)이다. 이 실험은 새끼 고양이의 편안을 일시적으로 차폐한 후 대뇌시각야의 신경세포가 어느 쪽 눈에 주어진 광 자극에 잘 반응하는지를 조사한 것인데, 그 결과 시각야의 신경세포는 차폐한 눈에 반응하지 않음이 발견되었다.

또 이 고양이의 행동을 관찰해보니 차폐한 눈으로는 사물이 보이지 않고 있음이 밝혀졌다. 단지 이 변화는 생후 3, 4주 무렵에 가장 잘 일어나기 쉬운데 생후 15주가 지나면 일어나지 않음을 알아서 고양이의 시각야의 기능발달에도 <임계기>라 불릴만한 기간이 존재함이 밝혀졌다.

그 후 그러한 편안차폐에 의한 변화는 고양이만이 아니라 원숭이나 사람에게도 일어난다는 것이 확인되었다. 단지 포유류의 경우는 조류와 달리 변화가 일어나는 기간은 길고 종료되는 것이 천천히 가다가 갑자기 종지한다는 것은 아니다. 그러므로 <임계기>라 하기보다 <감수성기>라 부르는 것이 좋다고 생각되고 있다.

이런 편안차폐실험에 이어서 세로무늬밖에 보이지 않는 환경에서 새끼 고양이를 사육하면 세로무늬에 잘 반응하는 신경세포가 증가하지만 가로무늬에 반응하는 신경세포는 줄어서 그 결과 그 고양이는 가로무늬의 시력이 나빠진다고 보고되었다. 또 플라네타리움(planetarium)처럼 성상(星狀)의 광자극이 일방향 예를 들면 우측 방향에만 움직이는 환경에서 새끼 고양이를 사육하면 같은 방향으로 움직이는 자극에 반응하는 신경세포가 증가한다는 것도 보고되었다.

이렇게 움직이는 시표(視標)에 반응하는 세포는 시각대상이 어느 방향으로 어느 정도의 속도로 움직이고 있는가를 아는 운동시(運動視)에 관여하고 있으므로 운동시의 능력도 생후의 환경에 따라 변화하게 된다. 다시 이 일정 방향으로 움직이는 시표에 대하는 반응성 변화의 감수성기는 전술한 편안차폐실험으로 나타낸 양안시의 간수성기보다 빨리 끝나는 것을 알았다.

곧 뇌의 시각기능이라고 해도 양안으로 대상의 깊숙한 곳을 아는 양안입체시(兩眼立體視), 색각(色覺), 운동시, 패턴 등 여러 가지가 있는데 적어도 양안입체시와 운동시(運動視)에서는 감수성기가 다르다는 것이 나타난 셈이다. 이 실험결과는 다종다양한 뇌기능발달에는 모두 동기(同期)한 감수성기가 존재하는 것이 아니라 기능에 따라 시기가 다르다는 것을 나타내는 것이라고 생각된다.

사람의 양안시기능의 감수성기

앞에 말한 새끼 고양이의 편안차폐실험의 결과가 보고된 바로 후에 사람도 양안시기능의 발달에는 감수성기가 있다는 것이 나고야대학 안과의 구리야시노부(粟屋忍) 교수(당시)의 구릅으로부터 보고되었다.

이 연구는 유치원이나 소학교에 새로 들어온 아이로 한쪽 눈이 안경을 써서도 교정되지 않는 시력저하(약시)를 나타내는 어린이를 모아서 유유아기의 병력을 조사하였다. 그 결과 유유아기에 눈이나 눈두덩이 병으로 수술을 위하여 일시적으로 안대를 쓰고 있었던 것을 알았다. 곧 새끼 고양이 실험에서 나타난 것처럼 편안에 안대를 쓴 것이 원인으로 그 눈의 시력이 저하한 것이라고 생각되었다.

또 그 어린이들이 몇 살 몇 개월 때에 안대를 썼는지를 조사한바 3세까지는 일시적인 편안차폐가 양시를 일으키기 쉽고 위험성은 8세 가까이 이어지는 것이 밝혀졌다. 곧 사람의 양안시기능의 경우 1세반 무렵부터가 피크이고 8세 가까이까지 감수성기가 이어지는 것이 된다.

이 감수성기가 양안시나 운동시라는 단순한 기능이 아니라 색이나 얼굴 인지 등 고차시각기능에도 존재하는지는 중요한 문제인데 새끼 원숭이를 쓴 매우 어려운 연구라는 데서 세계의 누구도 손을 대지 않고 있다. 본 연구영역의 스기다요(杉田陽) 팀은 이 문제에 달려들어서 색의 인지에는 감수성기에서의 생후 체험이 중요한데 얼굴 인지에는 생후 체험이 불요인 듯하다고 전망하고 있다.

사람의 뇌기능 이미징에서 밝혀진 훈련에 의한 뇌의 변화

 

1970년까지로 사람에게는 뇌의 작용을 직접 조사할 수가 없기 때문에 연구가 별로 진전되지 못하였다. 그러나 80년대 후반이 되어서 사람의 노를 상처를 내지 않고 그 구조나 기능을 화상화(畫像化)하는 비침습적(非侵襲的) 이미징법이 실용화되어서 90년대에 들어서 사람의 뇌기능발달과 그 감수성기에 관한 연구가 본격적으로 시작되었다.

그 결과 훈련이나 학습에 수반하여 뇌의 구조와 기능은 변화한다는 것과 그 변화의 정도는 훈련이나 학습의 개시연령에 관계가 있다는 것이 밝혀지기 시작하였다.

*뇌기능이미징이란

살아있는 뇌 안의 각 부분의 생리학적 활성(기능)을 여러 갖지 방법으로 측정하여 그것을 화상화하는 것, 또는 그에 쓰이는 기술을 말한다.

 

현악기 연주자의 대뇌피질의 변화와 연습개시 연령과의 관계

 

사람으로서 이른 시기부터의 훈련이나 학습 등으로 뇌의 작용이 변하는 것은 악기의 연습을 하는 어린이로 많은 연구가 있어서 흥미 깊은 결과가 얻어지고 있다. 예를 들면 바이올린의 예가 보고되고 있다.

바이올린은 연주할 때 현을 누르기 위하여 왼손의 작은 손가락이 많이 쓰인다. 한편 연주하지 않으면 사람의 경우는 엄지손가락을 많이 시용하고 작은 손가락은 그다지 사용하지 않는다. 따라서 대뇌피질의 왼손 엄지손가락의 영역은 작은 손가락의 영역보다 넓다. 독일 콘스탄스대학(Universität Konstanz)의 엘버트(Elbert) 등은 각각의 손가락을 자극할 때의 반응을 뇌자도(腦磁圖)라는 방법으로 조사하였는데 어릴 때부터 바이올린을 연습하고 있는 사람의 왼 손 작은 손가락을 자극하면 큰 반응이 나왔다.

이것은 대뇌피질의 작은 손가락을 담당하는 영역이 넓어졌다는 것을 나타낸다. 다시 흥미 깊은 것은 그런 변화의 정도는 몇 살부터 바이올린 연습을 시작하였는지가 관계하고 있다. 예를 들면 5살이나 10살부터 시작한 사람은 크게 넓어지지만 14살 이후에 시작한 경우는 조금밖에 넓어지지 않은 결과가 나타났다. 이처럼 대뇌피질의 손가락의 감각정보를 처리하는 영역이 반복하는 자극에 의하여 변화한다는 것과 이 변화의 정도는 연습개시 연령과 관계한다는 것을 알았다.

 

언어학습과 연령

 

사람의 언어능력의 발달은 유전적으로 정해져 있어서 일정한 순서로 획득된다고 말한다. 그러나 그렇다고 해서 자동적으로 획득되는 것은 아니다. 예를 들면 모어의 습득에 관해서는 언어자극의 필요한 <임계기>가 있고 그것은 12세까지라고 예부터 말해오고 있다. 이 설의 근거는 언어자극에서 격리된 특수한 환경에서 자란 어린이, 혹은 언어중추가 있는 좌대뇌반구(左大腦半球)의 절제수술을 받은 어린이의 언어기능회복의 관찰 등에 근거하고 있으므로 정상의 어린이도 그러한지 다시 연구가 필요하다고 한다.

언어획득에 관해서는 영어 등의 외국어 습득의 속도나 습득도와 연령과의 관계에 많은 관심을 가지고 있다. 예를 들면 성인이 되어서 새로 외국어를 학습해도 어린이처럼 능숙해지지 않음은 체험적으로 잘 알려져서 외국어 습득에 감수성기가 있는 것은 일찍이 상정되고 있었다.

이 점은 편집 다카오(貴雄) 씨가 상세히 말하고 있다. 현재 우리나라에서는 영어 학습은 중학에서부터 시작해서는 느린 것이 아닌가하여 소학교에서 영어 학습이 일부에서 시작하고 있다.

해당 연구영역의 사카이(酒井邦嘉)연구팀은 뇌기능이미징법을 써서 문법중추라 일컬어지는 영역이 뇌에 있다는 것, 그 영역의 활동의 강도는 영어를 학습하기 시작한 시기로는 학습의 달성도와 관계가 있음을 찾았다. 또 학습이 진행되면 문법중추는 그다지 쓰이지 않는다는 것도 찾아내었다. 다시 영어 학습을 일찍이 시작하는 것이 좋은지 어떤지를 과학적으로 밝히기 위하여 사가이(酒井)팀은 소학교에서 영어를 학습하고 있는 그룹과 중학교에서부터 시작한 그룹을 비교한 연구를 행하고 있다.

이 결과에 따르면 영어 학습에 따른 문법중추의 활성화는 언제 시작했는가 하는 것보다 얼마나 오랫동안 계속했는가에 관계하고 있다는 것이다. 그러므로 영어 학습의 개시시기의 영령은 그다지 문제가 되지 않고 학습기간의 길이 쪽이 중요하나고 한다. 단지 소학교에서 시작하면 학습기간이 길어지니까 유리하다고는 말할 수 있을지 모른다. 또 이 연구에서는 유치원부터 시작한 경우는 조사하지 않았다.

 

감수성기가 존재하지 않은 뇌기능

 

앞에서 말한바와 같이 감수성기는 시각계나 언어 등 일부에서 밝혀졌는데 기타 많은 뇌기능에 같은 감수성기가 있는지는 잘 알려지고 있지 않다. 아마도 감수성기가 없이 성인 이후에도 획득 혹은 습득 가능한 기능 쪽이 많다고 생각된다.

가장 알기 쉬운 예는 공간학습 능력일 것이다. 건물이나 거리 등을 가억해서 특정한 장소에 가는 공간학습에는 동물 실험 결과로 해마가 관여하고 있다고 알려진다. 사람이라도 공간학습과 해마와의 관계가 다수 보고되고 있다. 그 중에서도 흥미 깊은 것은 런던에서의 택시 운전수의 해마의 크기를 계측한 보고이다. 피험자인 택시 운전수는 2만 5천이상이 있다는 런던 거리의 이름과 위치관계를 기억하지 않으면 안 되기 때문에 공간학습이 강요되고 있다. 이 택시 운전수의 해마 후부의 크기를 계측한바 동 연령의 대조군인 남성보다도 컸다는 것이다. 게다가 운전경력이 긴 운전자일수록 그 변화는 크다. 그 결과는 성인 이후에도 학습에 수반해서 그 학습에 관여하는 뇌부위(이 경우 해마)가 변화한다는 것을 시사하고 있다. 곧 공간학습에 의한 뇌의 변화에는 감수성기는 존재하지 않는다. 최근에 이르러 이런 성이에게서의 학습에 새롭게 생겨나는 신경세포가 관여하는 가능성이 나타나서 오수미 노리코(大隅典子) 팀이 연구하고 있는데 그 성과는 다음 기회로 미룬다.

 

교육에의 시사

 

앞에서 말한바와 같이 악기연주 등의 운동기술, 혹은 악기음을 들어 분간하기 등의 운동감각기능에 관여하는 뇌의 작용은 유아기부터 반복 연습에 의하여 변화를 일으키는 것이 밝혀지고 있다. 이 변화는 악기연주가 능숙하다는 점과 반드시 직결하는 것은 아니지만 적어도 뛰어난 연주스킬을 획득하기 위한 토대를 주어지는 것일 것이다. 거꾸로 본다면 악기연주의 연습개시가 늦어지면 늦어질수록 변화를 일으키는 것은 곤란하다 것을 의미하고 있다.

외국어 습득에도 같은 말을 할 수 있을 것이다. 단지 현재까지의 연구는 악기연주나 언어습득 등에 한정되어 있어 사람의 다종다양한 뇌기능의 발달에 감수성기가 존재하는지 어떤지는 아직 잘 모르고 있다고 하지 않을 수 없다.

어린이는 복잡하고 다양한 자연 및 사회 환경 속에서 자라는 존재이다. 따라서 어린이의 심신을 건전하게 발달시키기 위해서는 다종다양한 뇌기능을 편중되지 않게 12분 발달시키는 쪽이 바람직하다고 생각된다.
생후 초기 환경에 의한 뇌의 구조 변화를 조사한 최근의 연구는 감수성기에는 시납 사이에 경합이 있고 활동하지 않는 시납은 탈락한다는 것을 나타낸다. 그러므로 편중된 조기교육에 의한 다른 자극의 차단이나 훈련의 결여는 편중된 뇌, 나아가서는 편중된 인격을 형성할 위험성을 잉태하고 있다고 생각된다. 어린이의 교육이나 훈련에 당해서는 편중되지 않은 전인적인 교육에로의 배려가 필요불가결할 것이다.

* 출처=www.brain-mind.jp › newsletter › story

필자=쓰모토 다다하루(津本 忠治)

1967년 오사카대학의학부 졸업, 의학박사,

1972년 오사카대학의학부부속 고차신경연구시설조수

현재의 전문은 대뇌피질시각야신경회로의 가소성(大脳皮質視覚野神経回路の可塑性)

저서 <뇌와 발달, 환경과 뇌의 가소성> (아사쿠라서점(朝倉書店),1986년)

2000년부터 Neuroscience Research（일본신경과학학회영문기관지) 편집주간.

2005년부터 일본신경과학학회회장.