[더뉴스메디칼 | 전해연 기자] 
뇌의 신비로운 작동 원리, 시냅스 가소성 이해하기
우리의 뇌는 끊임없이 새로운 것을 배우고, 수많은 정보를 기억하며, 시시각각 변하는 환경에 적응한다. 이러한 놀라운 능력 뒤에는 뇌 속 신경 세포들 간의 유연하고 역동적인 변화가 숨어있다. 그 핵심 원리가 바로 ‘시냅스 가소성’이다.
19세기 이전까지 뇌는 성장 이후에는 변화하지 않는 정적인 기관으로 여겨졌으나, 산티아고 라몬 이 카할(Santiago Ramón y Cajal) 등의 선구적인 연구를 통해 뇌가 경험에 따라 지속적으로 스스로를 재구성하는 역동적인 기관임이 밝혀졌다. 이 글에서는 뇌가 어떻게 학습하고 기억하는지, 그리고 이 과정에서 시냅스 가소성이 어떤 중요한 역할을 하는지 전혀 모르는 사람도 쉽게 이해할 수 있도록 설명한다.
뇌 신경세포의 소통 통로, 시냅스
우리 뇌는 약 1천억 개의 신경 세포, 즉 뉴런으로 구성됐다. 이 뉴런들은 마치 거대한 네트워크처럼 서로 정보를 주고받지만, 직접 맞닿아 있지 않다. 대신 뉴런과 뉴런 사이에 존재하는 미세한 틈을 통해 신호가 전달되는 특별한 연결 부위를 시냅스라고 부른다. 뇌 속에는 약 100조(100,000,000,000,000) 개에 달하는 시냅스가 존재하며, 이는 단일 뉴런이 최대 수만 개의 다른 뉴런과 연결될 수 있음을 의미한다.
정보 전달 과정은 다음과 같다. 신호를 보내는 뉴런(시냅스전 뉴런)의 말단에 전기적 신호가 도착하면, 시냅스 소포체에 저장된 신경전달물질(Neurotransmitter)이라는 화학적 메신저가 시냅스 틈으로 방출된다. 이 신경전달물질은 신호를 받는 뉴런(시냅스후 뉴런)의 표면에 있는 특정 수용체 단백질과 결합하여, 시냅스후 뉴런에 새로운 전기적 신호를 유발한다. 이 과정은 극도로 빠르게 진행되며, 신경전달물질은 정보를 전달한 후 효소에 의해 분해되거나 재흡수되어 다음 신호 전달을 준비한다. 글루탐산(흥분성), GABA(억제성), 도파민, 세로토닌, 아세틸콜린 등 수많은 종류의 신경전달물질이 각기 다른 기능과 영향을 미치며 뇌의 복잡한 작동 방식을 만들어낸다. 시냅스는 뇌 활동의 가장 기본적인 단위이자, 우리가 무언가를 배우고 기억하며 세상을 인지하는 모든 고등 정신 기능의 핵심 연결 고리다.
경험이 뇌를 변화시키는 마법, 시냅스 가소성
시냅스 가소성(Synaptic Plasticity)은 뇌가 경험과 활동에 따라 시냅스의 연결 강도와 효율성을 스스로 변화시키는 능력을 의미한다. 마치 우리가 특정 운동을 반복하면 근육이 단련되어 더 강해지거나, 어떤 길을 자주 걸으면 그 길이 더욱 선명하게 닦이는 것처럼, 뇌 속 시냅스 연결도 사용 빈도와 중요도에 따라 강해지거나 약해진다. 이러한 변화는 단순한 기능적 조절을 넘어 시냅스 구조 자체의 변화로도 이어진다. 예를 들어, 수상돌기 스파인(dendritic spine)의 모양과 크기가 변하거나, 새로운 시냅스가 형성되거나 불필요한 시냅스가 제거되기도 한다.
이러한 가소성 덕분에 뇌는 새로운 정보를 학습하고, 중요한 기억을 오랫동안 저장하며, 변화하는 외부 환경에 유연하게 적응할 수 있다. 우리가 새로운 언어를 배우거나, 자전거 타는 법을 익히거나, 새로운 동네의 지리를 습득하고, 심지어 특정 감정적 반응을 학습하는 모든 과정이 바로 이 시냅스 가소성의 결과물이다. 1949년 캐나다 심리학자 도널드 헵(Donald Hebb)은 “함께 발화하는 뉴런은 함께 연결된다(Neurons that fire together, wire together)”는 헵의 법칙(Hebbian Theory)을 제시하며 시냅스 가소성의 기본 원리를 설명했다. 이는 시냅스전 뉴런과 시냅스후 뉴런이 동시에 활동할 때 시냅스 연결이 강화된다는 핵심 개념으로, 뇌가 경험을 통해 스스로를 재구성하는 방식의 기초를 제공했다.
기억을 조절하는 뇌의 비밀 무기: LTP와 LTD
시냅스 가소성의 대표적인 메커니즘으로는 두 가지 상반된 현상이 있다. 바로 장기강화(Long-Term Potentiation, LTP)와 장기억제(Long-Term Depression, LTD)다.
장기강화(LTP)는 특정 시냅스 연결이 반복적이고 고빈도로 활성화될 때 그 효율성이 장기적으로 증가하는 현상이다. 이는 학습과 기억 형성에 매우 중요하게 작용한다. 예를 들어, 새로운 정보를 여러 번 반복해서 학습하거나, 어떤 경험이 강렬한 감정적 반응과 함께 발생할 때 시냅스 연결이 강화된다. 세포 수준에서는 주로 글루탐산이라는 흥분성 신경전달물질과 NMDA 수용체, AMPA 수용체가 중요한 역할을 한다. 고빈도 자극이 주어지면 시냅스후 뉴런으로 칼슘 이온이 유입되고, 이는 AMPA 수용체의 수를 증가시키거나 효율성을 높여, 동일한 자극에도 더 강한 반응을 보이도록 시냅스를 ‘튜닝’한다. 마치 중요한 정보에 밑줄을 긋거나 별표를 쳐서 잊지 않도록 강화하는 것과 같다.
반대로 장기억제(LTD)는 시냅스 활성도가 약하거나 저빈도로 지속될 때 연결 강도가 장기적으로 감소하는 현상이다. 뇌가 불필요하거나 잘못된 정보를 지우거나 조절하여 기억의 효율성을 높이는 과정으로 이해할 수 있다. 예를 들어, 어릴 적 외웠던 불필요한 전화번호를 잊거나, 과거의 잘못된 습관을 교정하는 것도 LTD의 역할이라고 볼 수 있다. LTD는 시냅스후 뉴런에서 AMPA 수용체의 감소를 유도함으로써 시냅스 효율성을 낮춘다. LTP와 LTD는 서로 상호보완적으로 작용하며, 뇌가 끊임없이 정보를 선별하고 조절하여 가장 효율적인 기억 시스템을 유지할 수 있도록 돕는다. 이 두 메커니즘 덕분에 뇌는 새로운 것을 배우고, 불필요한 것을 잊으며, 변화하는 환경에 최적화된 상태를 유지하는 역동적인 평형 상태를 이룬다.
시냅스 가소성 연구, 질병 치료와 미래 기술의 열쇠
시냅스 가소성의 이상은 알츠하이머병, 파킨슨병, 자폐 스펙트럼 장애, 우울증, 조현병, 외상 후 스트레스 장애(PTSD) 등 다양한 신경학적 및 정신과적 질환과 밀접하게 관련됐다.
예를 들어, 알츠하이머병 환자의 경우 아밀로이드 베타 플라크와 타우 단백질 엉킴이 시냅스 기능을 심각하게 손상시키고 시냅스 소실을 유발해 인지 기능 저하의 주요 원인으로 지목된다. 연구자들은 시냅스 가소성 회복을 위한 약물 치료나 유전자 치료 등을 탐색하고 있다. 파킨슨병은 도파민 신경세포의 손상으로 인해 기저핵의 시냅스 가소성이 비정상적으로 변화하여 운동 기능 장애를 초래한다. 자폐 스펙트럼 장애는 뇌의 특정 영역에서 흥분성-억제성 시냅스 불균형, 비정상적인 시냅스 가지치기(pruning) 및 가소성 변화와 관련 있다는 연구 결과가 계속해서 발표된다. 우울증과 불안 장애는 스트레스로 인한 해마 및 전전두엽의 시냅스 기능 이상과 밀접하게 연결되며, 항우울제는 이러한 시냅스 가소성을 조절하여 증상을 완화하는 것으로 알려졌다.
이에 따라 최신 연구 동향은 시냅스 가소성을 조절하여 기억력을 향상시키거나 신경학적 질환을 치료하는 방법을 적극적으로 탐색하고 있다. 경두개 자기 자극(TMS)이나 경두개 직류 자극(tDCS) 같은 비침습적 뇌 자극술은 시냅스 활성을 직접 조절하여 뇌의 가소성을 유도하고 우울증, 만성 통증 등의 치료에 활용되기도 한다. 또한, 뇌 손상 후 인지 재활 훈련이나 새로운 기술 습득 과정도 시냅스 가소성을 활용하여 뇌의 회복 능력을 극대화하는 방식이다.
뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술 발전 또한 시냅스 가소성에 대한 깊은 이해를 바탕으로 한다. 마비 환자가 생각만으로 로봇 팔을 움직이거나 컴퓨터 커서를 조작하는 것은 뇌가 외부 장치를 마치 신체의 일부처럼 인식하고 새로운 시냅스 연결을 형성하며 학습하는 능력, 즉 가소성 덕분에 가능해진다. 인공지능(AI) 분야에서도 뇌의 시냅스 가소성 원리는 중요한 영감을 제공한다. 딥러닝과 같은 인공 신경망은 시냅스 연결 강도(가중치)를 학습을 통해 조절하는 방식에서 뇌의 시냅스 가소성을 모방한다.
우리 뇌는 약 100조 개의 시냅스를 가지고 있으며, 이 시냅스들은 평생 동안 끊임없이 변화하며 정보를 처리하고 저장한다. 특히 잠을 자는 동안 시냅스가 정리되어 중요한 기억은 강화되고 불필요한 정보는 삭제된다는 ‘시냅스 항상성 가설(Synaptic Homeostasis Hypothesis)’ 연구 결과는 시냅스가 단순한 연결 지점을 넘어, 인체의 가장 신비로운 정보 처리 및 저장 메커니즘임을 명확히 보여준다. 잠자는 동안 뇌의 노폐물을 제거하는 글림프 시스템(Glymphatic system) 또한 시냅스 가소성을 유지하는 데 필수적인 역할을 한다고 본다. 최신 연구에서는 광유전학(optogenetics)이나 화학유전학(chemogenetics) 같은 첨단 기술을 활용해 특정 뉴런의 활성을 정밀하게 조절함으로써 시냅스 가소성의 미세한 메커니즘을 실시간으로 관찰하고 조작하며 새로운 치료법 개발의 가능성을 열고 있다.
시냅스 가소성은 우리 뇌가 끊임없이 배우고 기억하며 변화하는 능력의 근간을 이룬다. 이 메커니즘을 이해하는 것은 인간의 인지 능력을 밝히는 데 결정적인 역할을 하며, 미래에는 기억력 증진이나 신경 질환 치료, 혁신적인 BCI 및 AI 개발과 같은 혁신적인 기술 개발로 이어질 가능성이 크다. 시냅스 가소성 연구는 뇌 과학의 최전선에서 계속해서 새로운 지평을 열고 있다.
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