인간을 인간답게 만드는 기억의 본질, 뇌세포 속에 아로새겨지는 물리적 흔적(엔그램), H.M. 환자와 해마의 발견, 그리고 기억 고정화와 노화의 신경생물학
정보를 배우고 저장하고 회상하는 인간의 능력은 이 우주 생물계에서 가장 뚜렷하고 경이로운 현상 중 하나입니다. 우리를 인간답게 하는 모든 것, 즉 언어, 사고, 지식과 문화는 이러한 기억 능력의 산물입니다.
기억은 어떤 종류의 영구적인 형태, 즉 <물리적인 흔적(소위 기억의 흔적, Memory Trace)>으로 뇌세포 속에 저장됩니다.
만일 우리가 뇌세포에 저장되어 있는 부호를 온전히 해석할 수 있다면, 일생 동안 얻은 방대한 경험과 지식을 뇌 속에 저장된 기억의 흔적으로부터 책을 읽듯 읽어낼 수 있을 것입니다. 이것이야말로 현대 신경과학에서 맞닥뜨린 최대의 도전 과제입니다.
수년 전 심한 간질(뇌전증) 발작을 치료하기 위해 양측 내측 측두엽 절제 수술을 받았던 H.M.(헨리 몰레이슨) 환자의 심각한 순행성 기억상실증을 통해 인류의 기억에 관한 신경과학적 지식은 비약적으로 진전하게 되었습니다. 당신이 의사라고 가정하고, H.M. 환자와의 실제 임상 상담 과정을 지켜보겠습니다.
H.M.은 방금 겪었던 일을 뇌에 장기 기억으로 고정시키지 못하는 것이었습니다. 신경심리학자 브렌다 밀너(Brenda Milner)의 연구에 따르면, H.M.은 단기 기억은 유지할 수 있었고(숫자를 계속 중얼거리면 기억함), 수술 전의 과거 기억도 보존되어 있었으며, 심지어 거울을 보고 별을 그리는 운동 기술이나 테니스 서브와 같은 절차 기억(절차적 기술)은 새롭게 학습할 수 있었습니다. 그러나 새로운 사실이나 사건을 저장하는 서술 기억(외현 기억)을 장기기억으로 고정화하는 능력을 완전히 잃어버렸습니다.
H.M. 환자는 수술로 양측 해마(Hippocampus)를 절제당했습니다. 라틴어로 바다말(해마)을 닮았다고 하여 붙여진 이름입니다. 인간의 해마는 대뇌 피질에 둘러싸인 변연계에 위치하며, 새로운 지식을 장기기억으로 변환하여 저장하는 '기억의 게이트웨이' 역할을 수행합니다.
해마 자체가 기억이 영구적으로 보존되는 저장소는 아닙니다. 해마는 새로운 기억을 처리하고 조직화하여 대뇌 피질 각 부위로 전송하여 분산 저장되도록 조율합니다. 따라서 해마가 제거되어도 이미 피질에 영구 저장된 과거의 기억은 유지될 수 있었습니다.
미국 국립보건원(NIH)의 신경과학자 모티머 미시킨(Mortimer Mishkin) 박사는 원숭이의 시각 기억 훈련을 통해 뇌가 기억을 저장하는 회로를 밝혔습니다.
시각 피질의 신경세포는 물체의 모서리, 선, 복잡한 형태와 색깔에 반응하며, 이 시각 정보는 측두엽의 TE 부위(상측두/하측두 시각영역)로 전송됩니다. 미시킨 박사는 원숭이의 TE 부위가 손상되면 전에 보았던 물체를 재인(기억)할 수 없게 된다는 점을 발견했습니다. 시각 피질 → 측두엽 TE 부위 → 해마로 이어지는 신경 회로망이 시각 기억 저장의 핵심 경로임이 입증되었습니다.
신경심리학자 칼 래슐리(Karl Lashley)는 기억의 물리적·구조적 흔적을 의미하는 그리스어에서 따와 <엔그램(Engram)>이라는 개념을 제시했습니다.
UC 어바인의 제임스 맥고(James McGaugh) 박사는 쥐 실험(판자 위에서 내려오면 전기 충격을 주는 학습)을 통해 기억 고정화 메커니즘을 밝혔습니다.
| 처치 시점 | 전기 충격 후 전기경련(ECS) 처치 | 결과 및 의미 |
|---|---|---|
| 학습 직후 처치 | 전기 쇼크를 경험한 직후 뇌에 충격을 가함 | 기억이 완전히 소실되어 다시 판자에서 내려옴 (기억이 아직 고정되지 않음) |
| 1시간 후 처치 | 학습 후 1시간이 경과한 뒤 뇌에 충격을 가함 | 기억이 온전히 보존되어 판자에서 내려오지 않음 (영구기억으로 고정화 완료) |
즉, 새로 형성된 기억은 취약하여 쉽게 지워지지만, 신경세포가 단백질을 합성하여 시냅스 구조를 영구화하는 '기억 고정화' 과정을 거치면 뇌에 가벼운 손상이 와도 쉽게 사라지지 않는 영구 장기기억이 됩니다.
인간은 누구나 찰나의 순간 완벽한 사진기억을 가집니다. 그러나 이 영상기억(이코닉 기억)은 약 0.1초(1/10초) 정도만 유지되고 대부분 즉시 소멸합니다. 어린아이들에게 강하게 남아 있으나 글자를 배우면서 점차 약화됩니다.
전화번호를 보고 다이얼을 누를 때까지 유지되는 수 초~수십 초의 기억입니다. 반복해서 되뇌지 않으면 금세 사라지며, 신경외과 수술 자극 실험을 통해 좌측 대뇌 피질의 특정 영역이 단기기억 유지에 관여함이 확인되었습니다.
수천 장의 풍경 슬라이드를 2초간 본 후 다음날 90% 이상을 맞힐 만큼 시각 장기기억은 방대합니다. 스탠퍼드대 칼 프리브람(Karl Pribram)은 기억이 홀로그램처럼 대뇌 피질 전체에 분산 저장된다는 가설을 제기하기도 했습니다.
몬트리올 신경연구소의 와일더 펜필드(Wilder Penfield) 박사는 뇌전증 환자의 깨어 있는 뇌 수술 중 측두엽 피질을 전기 자극했을 때 환자가 잊고 있던 어릴 적 생생한 기억과 소리를 회상하는 현상을 발견하여 측두엽이 기억 인출과 저장에 깊이 관여함을 밝혔습니다.
레너드 헤이플릭 박사는 인체 세포가 무한히 분열하지 않음을 증명했습니다. 태아 세포는 약 50회 분열 후 사멸하지만, 중년 성인의 세포는 약 20회 정도만 분열합니다. 세포 핵 속의 유전자(DNA)가 노화 프로그램을 조절하고 있으며 인간의 최대 수명 한계(약 100~120세)를 결정짓습니다.
현대 신경심리학과 시냅스 학습 규칙(Hebb's Rule)의 창시자인 도날드 헵 박사는 47세 때 활발한 연구와 학과장 직무로 극심한 과로에 시달리던 중, 방금 읽고 메모하려던 논문 구절이 이미 자신의 필적으로 적혀 있는 것을 보고 큰 충격을 받았습니다. 저녁에 일을 쉬고 휴식을 취하자 기억력은 곧 회복되었습니다.
인간의 뇌 기억 용량이 크더라도 무한정한 것은 아니므로 과중한 혹사는 일시적 인지 과부하를 초래합니다. 정상적인 노화에서는 사진기억이나 단기기억은 비교적 잘 유지되지만, 새로운 장기기억의 형성 속도와 다중 정보 처리 능력이 점진적으로 감소합니다.
노인성 치매 환자의 뇌에서는 독성 단백질 덩어리인 베타 아밀로이드 신경반(Senile Plaques)과 신경섬유 다발의 변성, 그리고 해마와 대뇌 피질 신경세포의 대규모 탈락이 일어납니다.
존스홉킨스 대학의 조셉 코일(Joseph Coyle) 박사는 알츠하이머 환자 뇌의 기저핵(마이네르트 기저핵)에서 기억과 학습에 필수적인 아세틸콜린 신경세포가 심각하게 파괴되어 피질과 해마의 아세틸콜린 농도가 급감함을 입증했습니다. 이는 현대 알츠하이머 치료제의 핵심인 아세틸콜린에스테라제 억제제 개발의 결정적 기틀이 되었습니다.
이 책의 공저자인 리처드 톰슨(Richard F. Thompson) 박사는 고전적 조건형성(소리를 들려준 뒤 눈에 공기를 분사하면 눈꺼풀을 닫는 반사)을 통해 단순 학습 기억이 저장되는 부위를 규명했습니다.
놀랍게도 대뇌 피질과 해마를 모두 제거해도 소리에 따른 눈 깜빡임 조건반사는 그대로 유지되지만, 소뇌의 일부(중위간핵 등)를 손상시키면 소리에 대한 학습된 눈 깜빡임 반응만 정확히 소멸했습니다. 단순 운동 및 반사 기억은 대뇌가 아닌 소뇌 회로망에 물리적으로 보존됨이 밝혀졌습니다.
생명체에는 두 가지 거대한 기억 체계가 있습니다. 하나는 DNA 속에 아로새겨진 유전자 부호(선천적 기억)이고, 다른 하나는 뇌 신경망에 학습과 경험으로 축적되는 신경 기억(후천적 기억)입니다. 신경세포에 가해지는 반복적 기억 자극은 궁극적으로 세포 핵 내 유전자 발현을 조절하여 시냅스를 영구 변형시킵니다.
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