신경과학 전문가가 뇌 속을 살펴보는 데 활용할 수 있는 가장 좋은 장비 중 하나는 fMRI 스캔이다. fMRI 스캔은 혈액 흐름을 구상하는 데 도움을 주므로 뇌의 특정 영역에서 사용하는 산소량이 급격히 증가할 때마다 이를 볼 수 있다. fMRI 스캔은 복잡한 뇌 속의 모습을 보여준다. 혈중 산소 수치는 매순간마다 격차가 크지만, 급격히 증가한 수치가 완전히 줄어드는 일은 절대 발생하지 않는다. 미시간대학교 인지과학 대학원생인 푸타타 랄와니(Poortata Lalwani)는 “인간의 뇌는 휴식을 취할 때도 완전히 활동을 멈추지 않는다”라고 설명했다. 랄와니는 활동이 가장 잠잠한 상태일 때, 뇌의 모습이 서브를 기다리는 테니스 선수의 모습과 같다고 생각한다. 랄와니는 “테니스 선수는 서브를 기다릴 때, 가만히 서서 기다리지 않는다. 서서히 속도를 내면서 어느 방향에서든 오는 공을 쳐 내려고 준비할 것이다”라고 말했다.
수많은 fMRI 연구는 뇌 혈중 산소 흐름을 분류해, 연구팀이 관측하고자 하는 특정한 혈중 수치 급증 상황을 찾아내고자 한다. 그러나 랄와니는 뇌 혈중 산소 흐름이 모든 상황을 가장 많이 암시한다고 생각한다. 랄와니는 뇌 혈중 산소 흐름이 인지 유연성을 가장 잘 암시한다고 본다. 건강한 청년의 뇌는 매 순간 다양한 변수에 따라 혈중 수치가 달라진다. 노년층의 혈중 수치 변화는 적어도 뇌의 특정 영역에서 훨씬 줄어든다.
약 10년 전 과학계는 낮은 신경 신호 변수와 일종의 인지 감소가 특정 치매 질환이 아닌 노화와 관련성이 있다는 사실을 최초로 입증했다. 랄와니는 뇌의 뇌 혈중 산소 흐름 정도가 효율적인 정보 전달 방식과 신경망의 연결 정도, 중요한 신경망의 정상적인 기능 작동 정도 등 더 압축하여 나타낸 뇌의 특성을 상세히 보여줄 확실한 대체 증거라고 주장한다.
그런데, 나이에 따라 뇌의 혈중 수치 변수가 줄어드는 이유는 지금까지 풀리지 않는 수수께끼였다. 뇌 혈중 수치 변화를 번복 여부도 전혀 밝혀진 바가 없다.
2021년 11월, 신경과학저널(Journal of Neuroscience)에 게재한 논문을 통해 랄와니 연구팀은 항불안제인 로라제팜(Lorazepam)을 소량 투입하면, 최소한 일시적으로 뇌의 신호 변수 깊이를 바꿀 수 있다는 사실을 입증했다. 로라제팜이 뇌의 반응 통제를 역동적이면서도 반응을 일으킬 준비가 되어 더 빠른 속도로 반응을 보이도록 한다. 연구팀이 논문에 설명한 연구는 과거, 인지 작업 수준이 낮았던 노인 피실험자의 뇌 신호가 청년과 더 비슷한 수준으로 돌아왔다는 사실을 보여주었다.
랄와니 연구팀에는 함께하지 않았으나 과거, 뇌 신호를 연구한 적이 있는 로트만 연구소(Rotman Research Institute) 소속 인지과학자인 셰릴 그래디(Cheryl Grady)는 “약 10년 전, 학계에서는 뇌 신호의 변수를 부정적으로 보는 관점이 지배적이었다”라고 설명했다. 그러나 그래디는 이제 랄와니 연구팀이 제시한 새로운 기준의 잠재성을 인지하는 전문가가 증가하는 추세라고 말한다. 그는 “뇌 혈중 산소 흐름을 이용한 뇌 신호 변경 접근방식을 매우 긍정적으로 본다”라고 덧붙였다.
2008년경, 학계에서는 fMRI 신호의 뇌 혈중 산소 흐름이 지닌 깊은 의미에 의구심을 품기 시작했다. 2010년, 대학원생이었던 더글라스 개럿(Douglas Garrett)은 혈중 산소 fMRI 신호 변수가 혈중 산소 수치 급증 분석 결과보다 인간의 나이를 더 정확하게 예측했다는 사실을 입증했다. 개럿은 직감적으로 원데이터세트에 나타난 신호 유사성이나 격차인 표준 편차로는 평균 혈중 산소 수치 급증 규모만으로 설명할 수 없는 부분을 알아낼 수 있다고 판단했다.
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계속 시간이 지나면서 개럿 연구팀은 뇌 혈중 산소 흐름과 나이, 인지 처리 속도 간 강력한 관계가 있다는 사실을 입증했다. 같은 사진 두 장을 빨리 찾아내는 등 인지 작업을 처리할 때, 뇌 신호의 변수가 증가한다. 그러나 2012년, 개럿은 같은 사진을 찾을 때, 노인보다 청년의 뇌 신호 변수가 더 커진다는 사실을 입증했다. 2017년, 개럿 연구팀은 나이와 관련된 변수가 개인간 혈액 흐름 격차의 결과가 아니라는 사실을 증명했다.
혈중 산소 수치 신호 변수는 최상의 인지 예측 능력이 쇠퇴하면서 계속 일반 신호 규모 변화를 극복하고자 한다. 현재 막스 플랑크 인간 개발 연구소 수석 과학자이자 랄와니의 연구 논문 공동 저자인 개럿은 “같은 작업과 같은 대상, 같은 데이터로 연구를 진행했다. 혈중 산소 수치 신호 변수는 인지 작업과 작업 대상, 데이터를 얻을 때마다 나이에 따른 뇌 신호 변수에 맞서며, 앞으로도 계속 맞서고자 한다”라고 말했다.
뇌 혈중 산소 흐름이 신호가 될 수 있다는 개념은 항상 제대로 인정된 개념은 아니었다. 랄와니 연구팀의 연구에 참여하지 않은 듀크대학교 인지 신경과학자인 그레그 사마네즈 라킨(Greg Samanez-Larkin)는 “많은 이들이 뇌 혈중 산소 흐름을 뇌 신호 변수로 사용한다는 개념 자체를 말이 되지 않는 개념이라고 받아들였다”라고 말했다. (사마네즈 라킨은 개럿이 졸업할 때, 졸업생으로서 뇌 신호 변화 연구에 참여한 적이 있다.) 사마네즈 라킨은 과거의 연구 경험을 통해 뇌 혈중 산소 흐름 수치와 노인의 금전 계획 결정 능력 저하 간 상관관계를 확인한 적이 있다.
연구팀은 새로운 연구에서 신경 뇌 혈중 산소 흐름 수치에 따른 뇌 신호 변화를 통제하는 뇌의 화학적 요소에 초점을 맞추었다. 신경전달물질인 GABA가 확실한 연구 목표인 듯하다. GABA는 이산화탄소의 단일 분자보다 약 두 배 더 무거운 소형 분자이다. 그러나 GABA는 뇌의 중요한 억제제 역할을 한다. 뉴런의 분자 수신기가 GABA를 마주치면, 충돌할 확률이 낮다. GABA 극소량만으로 뇌가 지나치게 흥분할 수 있다. 반대로 GABA가 지나치게 많다면, 마취가 이루어지는 방식과 같은 반응을 일으킨다. GABA는 뇌의 영역 균형을 유지하는 젖은 담요와 같은 역할을 하며, 노화한 뇌의 GABA 집중 분포량은 급격히 줄어든다.
랄와니 팀은 18~25세 청년 25명과 65~85세 노인 21명을 피실험자로 확보한 상태에서 fMRI 연구를 진행했다. fMRI 스캔 전, 피실험자 모두 인지 능력을 평가할 7가지 작업을 완료했다. 7가지 작업 중 한 가지 작업은 최대한 빨리 모양이나 색상이 같은 사진 찾기 혹은 다른 사진 찾기 작업이었다. 또 다른 작업은 글을 큰 소리로 읽도록 요청했다. 또 다른 테스트는 아이패드에 나타난 사진 속 동물의 사진을 기억하고, 크기에 따라 나열할 것을 요청했다. 랄와니 연구팀은 피실험자의 일반 인지 수치를 객관적인 범주에 따라 분류했다.
그다음 과정으로 피실험자의 뇌 혈중 산소 수치 스냅샷을 2초 단위로 촬영하는 과정에서 피실험자 각각 두 차례 fMRI 스캔 과정을 거쳤다. 연구팀이 촬영한 스캔 사진 하나는 각각의 피실험자에게 로라제팜과 GABA의 효과를 촉진하는 항정신성의약품의 일종인 벤조디아제핀(benzodiazepine)을 소량 투입했을 때의 사진이다. 또 다른 사진은 아무 효과도 없는 플라시보 효과를 확인하고자 촬영한 사진이다. (각각의 사진 촬영 시간은 임의로 선택돼, 피실험자는 실제 약을 투약한 시점을 모른다.)
플라시보 효과를 확인하고자 촬영한 사진은 기존의 익숙한 결과를 나타냈다. 노인 피실험자의 뇌 신호 변수가 청년층 피실험자보다 더 적은 것으로 나타났다. 특히, 기억력과 언어 능력을 담당하는 뇌의 전면 영역과 시각, 청각, 촉각 처리 능력과 관련된 다른 영역의 뇌 신호 변수가 적은 것을 확인할 수 있었다. 그러나 로라제팜을 투약했을 때의 결과는 달랐을까?
랄와니는 뇌 이미지로 구성된 다량의 데이터세트를 가까이서 살펴보고자 기다리던 때를 기억한다. 랄와니는 “당시 데이터 인식 처리 바에 진행 상태 표시를 지켜보았다”라고 회상했다. 결과가 나올 때까지 기다리고, 또 기다렸다. 그리고, 결과를 볼 수 있었다. 기대한 것처럼 로라제팜을 투약했을 때, 신호 변수가 더 증가했다. 랄와니가 가장 큰 변화를 확인했을 때, 가장 희망적인 부분을 볼 수 있었다. 바로 인지 검사 결과 점수가 가장 낮았던 이들의 뇌 신호 변수가 향상된 것이다. 랄와니는 “인지 검사 결과 점수가 낮았던 이들은 로라제팜이 가장 필요했던 이들이기도 하다. 그리고, 로라제팜 투약 후 뇌 신호 변수 변화 수준이 향상되었다. 이처럼 분명한 결과를 찾아보기는 드물다"라고 말했다.
뇌 활동을 더 억제하는 것은 더 역동적이다. 개럿은 “직관에 어긋난다고 생각할 수 있을 것이다. 단순히 모든 활동을 막아야 할까? 그러나 실제 뇌 형성 과정과는 다르다”라고 말했다.
신경망은 활동 억제와 자극 간 적절한 균형을 찾으면서 민첩한 활동을 유지한다. GABA의 효과가 매우 적어 활동 억제 수준도 매우 약하다면, 뇌의 자극이 매우 심각해질 것이다. 뉴런 충돌이 넘쳐나면서 신경망은 쉽사리 벗어나지 못하는 매우 안정적인 상태에 놓인다. GABA의 억제 효과 강화는 뇌의 자극 감소와 안정성 증가로 이어진다. 그동안 뇌의 GABA 수치 변경은 뇌세포 사망과 기억 상실 등 알츠하이머의 일부 증상 억제에 도움이 된다는 사실이 입증됐다.
랄와니 연구팀의 연구는 뇌의 뇌 혈중 산소 흐름이 증가할수록, 그리고 뇌 뇌 혈중 산소 흐름이 존재한다는 사실만으로 인지 능력 향상이라는 결과로 이어진다는 사실을 입증했다. 그러나 사마네즈 라킨은 연구에서 GABA 강화 약물이 실제로 인지 능력 향상 효과가 있다는 핵심 증거를 간과한 사실을 지적했다. 랄와니 연구팀은 로라제팜이 인지 검사에서 매우 저조한 성과로 이어진다는 사실이나 뇌의 최종 혈중 산소 흐름 수치 변화 과정을 제대로 보여주지 않았다. 약물이 더 나은 작업을 촉진하는 데 필요한 뇌 영역에 영향을 미쳤는지도 확실하지 않다. 로라제팜의 효과는 서서히 사라진다. 사마네즈 라킨은 “로라제팜의 효과가 뇌의 다른 영역으로 이동하지 않는다. 기본적으로 뇌의 특정 영역을 촉진할 수 있으나 뇌의 다른 영역에 약을 과다 투약해야 한다”라고 설명했다. 실제 치료에서의 약물 테스트가 로라제팜보다 뇌의 특정 영역 활동을 더 촉진할 수 있다.
사실, 랄와니는 로라제팜 투약 후 인지 능력이 더 낮아질 수 있다고 추측한다. 뇌에 퍼지는 GABA 수치 증가의 부작용에는 졸림과 기억력 상실 등이 포함되었기 때문이다. 랄와니는 “인지 능력 향상을 위해 GABA 약을 주기적으로 복용해야 한다는 사실을 확실히 입증한다”라고 말했다.
약물 복용 만이 인지 능력 향상을 위해 GABA를 촉진하는 방식이 의미하는 것은 아니다. 람와니 연구팀의 연구에 참여하지 않은 콜로라도주립대학교 인지 신경과학자인 아가 부르진스카(Aga Burzynska)는 매일 에어로빅 운동을 해도 GABA 수치와 뇌 신호 변화를 촉진할 수 있다고 주장한다. 부르진스카는 “랄와니 연구팀의 연구는 인지 감소 원인이나 인지 감소에 영향을 미치는 요소 연구를 위한 새로운 길을 열어주었다”라고 평가했다. 부르진스카는 특히 건강한 노화를 다루는 법을 향상하는 데 어떤 도움을 주게 될지 큰 관심을 두고 있다. 미국인 중 65세 이상 인구는 총 6,500만 명 이상이다. 대다수 노인이 인지 질환 진단을 받지 않지만, 일반인과 같은 수준으로 인지 감소를 겪는다. 부르진스카는 “인지 감소는 독립성과 일상 상실의 주된 원인이다. 인지 능력을 얻을 방법은 많다”라고 말했다.
불규칙한 신경 흐름은 뇌의 GABA 강화 약물 반응을 이끄는 일종의 생체지표가 될 수 있다. 2021년 10월 자로 공개된 연구는 불규칙한 신호 변수와 ADAH, 조울증, 경계선 인격 장애 등 간의 관계를 설명했다. 개럿이 별도로 진행하고 공개한 연구 결과는 신호 변화가 사회 불안 장애 치료 결과를 예측할 수 있다는 사실을 입증했다.
정신 의학 약물의 효과 여부를 예측할 수 있는 신호 변수 지표는 그리 중요한 부분이 아니다. 그래디는 “정신 의학계에 상당한 변화를 일으킬 것이다. 학계는 치료법에 효과를 보일 환자를 예측하는 데 큰 어려움을 겪었다”라고 언급했다.
개럿은 의사가 특정 정신 질환 상태나 알츠하이머를 앓는 환자의 뇌가 약물 치료에 어느 정도 반응을 보일지 예측하는 표준화된 fMRI 신호 변수 검사가 진행되는 미래를 구상한다. 환자의 뇌를 스캔하고 소프트웨어가 전문의의 fMRI 데이터 분석을 돕는 과정 모두 1분 간의 과정으로 구상된다. 개럿은 표준화된 fMRI 신호 변수 검사가 쉽게 약물 효과를 알 수 있는 방법이 되리라 상상한다.
불규칙한 신경 흐름을 통한 인지 능력 감소 억제 약물을 찾는 일은 아직 거리가 먼 일이다. 불규칙한 뇌 신경 흐름 측정을 이용해 치료 방법을 평가하는 임상 시험 검사도 당장 이루어지지 않을 것이다. 그러나 랄와니는 연구팀이 올바른 연구 개념에 따라 뇌의 불규칙한 활동을 변환하고 제어할 올바른 신경 전달 물질을 찾기 위한 격차를 좁힌다는 점을 확신한다고 강조했다. 랄와니는 “GABA가 긍정적인 결과를 가져올 것이 확실하다고 본다. 현재 연구팀은 올바른 길을 향한 연구를 이어가고 있다”라고 말했다.
** 위 기사는 와이어드US(WIRED.com)에 게재된 것을 와이어드코리아(WIRED.kr)가 번역한 것입니다. (번역 : 고다솔 에디터)
![[사진=Unsplash]](/news/photo/202111/3557_4666_2730.jpg)
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