“너희는 이 세대를 본받지 말고 오직 마음(레브)을 새롭게 함으로 변화(가소성)를 받아 하나님의 선하시고 온전하신 뜻이 무엇인지 분별하도록 하라” -로마서 12장 2절
시냅스가소성(Synaptic Plasticity) 이란 시냅스의 기능이나 구조가 경험, 학습, 자극에 의해 지속적으로 변화할 수 있는 능력 또는 원리를 의미한다. 시냅스가소성은 뇌가 고정된 구조물이 아니라 환경이나 경험에 따라 스스로 조절하고 재구성할 수 있다는 기본 성질을 가리키는 개념이다. 이 개념은 학습, 기억, 회복, 적응이라는 뇌 기능의 토대가 된다.
성경에서도 시냅스가소성에 대해 증거하고 있다. 즉, 로마서 12장 2절에 마음은 히브리어 ‘레브’이다. 잠언 14장 10절에서 “마음의 고통을 ‘자기’(레브)가 알고”라고 표현되어 있는데, 신경과학자인 르두 박사는 ‘자기’(oneself)를 뇌의 ‘시냅스’(Synapse)라고 확신하고 있다. 그러므로 로마서 12장 2절에서의 ‘마음’은 뇌의 ‘시냅스’로 해석되며, ‘변화’는 가소성이므로 ‘마음과 변화’는 시냅스가소성이다.
1. 뇌 시냅스의 기능적 구조
시냅스는 신호전달(신경화학전달)이 일어나는 신경세포(뉴런) 사이의 연접부를 말하며, 시냅스는 화학신호를 보내는 시냅스 전막과 신호를 받는 시냅스 후막이라는 두 개의 구조적, 기능적 구성요소로 이루어져 있다. 흔히 시냅스 전 신경말단은 시냅스 단추라고 한다. 흥분성시냅스의 시냅스 후 구성요소는 가지돌기 가시라는 미세한 돌기 안에 배열되는 반면, 억제성 시냅스의 경우는 가시돌기의 줄기 자체나 세포체 주위에서 발견되는 시냅스 후막의 특화된 지역에 있다. 시냅스 단추와 가지돌기 가지 사이의 미세한 간극인 시냅스 틈은 너비가 20~40나노미터(1나노미터는 1미터의 10억분의 1)에 불과하다. 그러나 이렇게 좁은 틈에서도 시냅스는 고도의 조직된 3차원 구조물인 단추와 가시를 통해 매우 전문적인 기능을 수행하며, 각 구성요소의 행동은 빈틈없이 조율된다.
일반적으로 뇌에는 두 종류의 시냅스가 있다. 흥분성 시냅스는 신경전달물질인 글루타메이트를 방출하여 시냅스 후 세포가 신경 자극을 일으킬 가능성을 높인다. 반면에 억제성 시냅스는 신경전달물질로 GABA를 사용해 시냅스 후 세포가 점화할 가능성을 낮춘다. 휴지상태의 신경세포에서 신경전달물질은 막으로 둘러싸인 시냅스 소포라는 작은 구체 안에 저장된 상태로 신경 자극이 도착한다. 자극이 말단에 도착하면 시냅스 전막에서 칼슘 이온이 유입되고, 그로 인해 일부 시냅스 소포가 막에 융합하면서 내용물인 신경전달물질을 시냅스 틈으로 방출한다. 일단 방출된 신경전달물질은 시냅스 후막에 삽입된 수용체 분자에 결합해 자극을 유발한다.
지금까지 알려진 신경가소성의 형태 중에 장기강화(LTP)는 일종의 시냅스가소성이며, 가장 집중적으로 연구되었다. 장기강화는 시냅스에서 진행되는 신호전달의 효율을 높이는 과정으로, 지금은 학습하고 기억하는 방식 대부분의 신경학적 기초가 된다.
2. 장기강화와 장기억압
장기강화(LTP, Long-Term Potentiation)는 고빈도의 자극이 반복될 때 시냅스의 전달 효율이 장기간 지속적으로 강화되는 현상이다. 주로 글루타메이트 수용체인 NMDA 수용체와 AMPA 수용체의 상호작용을 통해 발생한다. 학습과 기억의 핵심적인 생물학적 기제이다. 장기억압(LTP, Long-Term Depression)은 장기강화의 반대되는 개념으로 저 빈도의 자극이 지속될 때 시냅스 연결 강도가 약화되는 현상이다. 이는 불필요한 정보를 삭제하거나 시냅스의 포화를 방지하여 새로운 학습을 가능케 한다.
장기강화는 1973년 영국의 뇌 과학자 티모시 블리스(Timothy Bliss)와 노르웨이의 생리학자 테레 뢰모(Terje Lømo)가 발견하여 붙여진 이름이다. 그러나 거의 25년 전 캐나다의 심리학자 도널드 헵(Donald Hebb)이 1949년에 기억이란 시냅스 연결이 강화되면서 형성된다는 가설을 주장했다. 장기강화는 현재, 수일, 수주, 어쩌면 그보다 오래 지속될 수 있다고 알려져 있다. 장기강화는 강화된 시냅스 연결을 중심으로 시냅스 전과 시냅스 후의 모든 요소에 변화를 일으킨다.
장기강화 현상은 현대과학에서 학습과 기억의 핵심 원리로 다루고 있다. 특정 생각이나 행동을 반복할 때 시냅스에서 신경전달물질이 방출하는 양이 늘어나는 수용체의 민감도가 높아진다. 결과적으로 해당 신경회로가 일종의 고속도로처럼 튼튼해져서 나중에는 작은 자극에도 쉽게 반응하게 된다. 부정적인 생각이나 트라우마에 반복적으로 노출되면, 그 고통의 회로가 LTP를 통해 강화된다.
반대로 새로운 긍정적 사고와 성경적 진리를 반복하면 건강한 신경회로가 새롭게 구축될 수 있다. 해마의 신경망 안에서 특정 시냅스 집합이 강화되고 다른 시냅스는 약화될 때 기억이 형성된다. 기억이 인출되기 위해서는 동일한 신경망이 재활성화 되어야 한다는 최근의 견해도 있다.
최근에 이르러 많은 신경과학자가 장기강화와 장기억압이 해마나 소뇌뿐만 아니라 뇌의 모든 부위에서 일어난다고 밝혀냈다. 장기강화나 장기억압은 기존 시냅스의 결합 강도에 변화를 줄 뿐만 아니라 새로운 시냅스의 형성 혹은 소멸의 원인이 된다는 것이다, 많은 과학자에 의해 장기강화의 분자세포생물학적 기전이 밝혀졌다. 즉, 흥분성 신경전달물질인 글루탐산이 시냅스 전 신경세포에서 분비되어 시냅스 틈을 지나 이온성 수용체인 NMDA(N-메틸-D-아스파르트산) 수용체와 결합하면, 이 수용체의 이동 통로를 막고 있는 마그네슘 이동(Mg2+)을 제거하게 되어 탈분극이 유도되고, 또 다른 AMPA 수용체(α-Amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxagolepropinic acid recepter)가 글루탐산과 결합하여 활성화된다.
NMDA 수용체를 통해 들어온 칼슘이온(Ca2+)은 단백질 인산화효소를 활성화하여 세포막 내 위치한 AMPA 수용체의 효율을 변화시킴과 동시에 AMPA 수용체를 모집하여 세포막으로 이동시킴으로써 시냅스후 신경세포에서 장기강화를 장시간 유지시킨다.
AMPA 수용체는 시냅스 후막에서 나트륨 이온(Na+)을 유입시켜 신경세포를 빠르게 탈분극시킨다. NMDA 수용체와 함께 학습과 기억의 기초가 되는 장기강화(LTP) 현상에서 중요한 역할을 수행한다. 시냅스 강도에 따라 수용체의 수가 조절되며 신호전달 효율이 결정된다. <계속>
손매남 박사
한국상담개발원 원장
경기대 뇌심리상담전문연구원 원장
美 코헨대학교 국제총장
국제뇌치유상담학회 회장