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뇌의 구조와 지능의 관계
[389호] 2017년 10월 11일 (수) 권준수 교수 / 서울대 의대 정신건강의학과 .
지능의 기원을 밝히기 위한 인류의 노력
인류가 지능에 대해 가지는 호기심은 약 200년을 거슬러 간다. 주로 육안으로 관찰될 수 있는 것들과 지능을 연결하려는 노력이 있었고, 개인 머리의 크기 및 골상학에 기반을 둔 머리 모양 등이 지능과 관련 있다는 주장이 제기됐다. 이후 뇌의 특정 부위가 손상된 사람들에게서 지능에 변화가 관찰됐다는 연구들이 발표됐고 이는 뇌 전체가 지능과 관련 있다기보다 뇌의 특정 부위가 지능과 관련 있을 가능성을 시사하는 결과였다.

뇌영상학 기법을 이용한 지능 연구
최근 다양한 영상학 기법이 발명되면서 살아 있는 사람의 뇌를 비침습적으로 살필 수 있게 됐고, 이를 통해 인간의 뇌를 보다 제약이 적은 상태에서 관찰할 수 있게 됐다. 다양한 영상학 기법 중 자기공명영상 (MRI)을 이용해 뇌에 대한 연구가 활발히 진행 중이고 이를 통해 뇌의 특정 부위까지 비교적 고해상도의 영상을 가지고 뇌를 연구할 수 있게 됐다. 이를 통해 뇌에 대한 비밀들이 하나둘 밝혀지고 있고, 그중 지능과 같이 인간의 고위인지기능은 뇌의 특정 부위만 관련하기보다 여러 뇌 부위가 함께 네트워크를 이루며 그 고위인지기능에 해당하는 일을 할 것이라고 밝혀졌다. 뇌의 네트워크를 이해하기 위해서 다양한 노력이 있었고 기존까지 뇌의 네트워크를 연구하는 데 기능자기공명영상(fMRI) 및 확산텐서영상(DTI) 등이 많이 이용됐다. fMRI는 뇌 영역들의 BOLD(Blood Oxygenation Level-Dependent) 신호 변화를 통해 신경세포 활동을 간접적으로 관찰할 수 있고 이를 이용해 뇌기능 네트워크가 규명되고 있다. DTI의 경우 뇌의 백질에 있는 물이 자기장에 따라 정렬하는 방식이 어떻게 변하는지 살펴 백질간 연결이 어떤 식으로 구성됐는지 살피는 방법으로 이를 통해 백질 구조 네트워크가 규명됐다. 실제 이런 다양한 영상학적인 기법을 통해 지능에 대해 많은 연구가 진행됐고, 이런 연구 결과들을 집대성해 뇌의 두정엽과 전두엽 부위가 지능과 관련하고 있다는 ‘두정엽-전두엽 통합 이론(parieto-frontal integration theory)’이 제기됐다. 뇌의 다양한 부위가 지능과 관련할 수 있지만, 두정엽과 전두엽이 특히 지능에 미치는 영향이 크다는 것이 이 이론의 핵심이다.
 


지능 관련된 뇌 회백질 구조 네트워크
지금까지 지능과 관련된 뇌 네트워크 연구는 주로 기능자기공명영상 (fMRI) 및 확산텐서영상 (DTI) 을 통해서 진행됐다. 우리가 뇌의 MRI를 찍었다고 하면 흔히 떠올리는 뇌 구조 영상을 통해서는 네트워크를 파악하는 데 기술적으로 제약이 있어 비교적 덜 알려진 측면이 있다. 저자들은 최근 ‘지능 및 시각 운동 능력과 관련된 뇌 구조 네트워크 (Brain structural networks associated with intelligence and visuomotor ability)’라는 논문이 ‘사이언티픽 리포트 (Scientific Reports)’에 2017년 5월 19일 게재하였다. 비교적 알려지지 않은 뇌회백질 구조 네트워크가 지능과 어떻게 연관돼 있는지 밝힌 연구였다. 특히 이 연구에서는 지능과 관련 있다고 알려진 전두엽, 두정엽뿐 아니라 비교적 지능과의 연관성이 덜 밝혀진 측두엽과 소뇌 각각이 전두엽과 두정엽과 구조 네트워크를 이루며 뇌의 지능과 관련돼 있음을 밝혔다. 뇌 영상에는 다양한 정보들이 섞여 있고, 이 혼재해 있는 정보 홍수 속에 유용한 정보를 추출하는데 ICA (Independent Component Analysis)라는 기법을 종종 이용한다. 친구와 대화를 위해 학교 근처 카페에 갔다고 생각해 보자. 대화 도중 카페에서 우리가 받아들이는 청각 자극은 친구의 목소리만이 아닐 것이다. 옆 사람의 대화, 커피 기계에서 나는 소리 등 다양한 소음이 있는 가운데 우리가 집중해야 하는 것은 앞에 앉아 있는 친구의 이야기이다. 회백질 구조 영상에서 의미 있는 요소들을 추출하기 위해 본 연구에서는 ICA라는 기법을 사람들의 회백질 구조 영상에 적용했다. 이를 통해서 여러 사람의 회백질 구조물들에서 공통으로 발견되는 패턴을 구하였고 각 사람들이 이 패턴에 얼마 정도의 강도를 갖는지 측정하였다. 이 측정한 값을 지능 및 시각-운동 능력을 평가할 수 있는 선로잇기 검사 결과와 상관관계를 살폈다. 그 결과 두정엽-소뇌 네트워크와 전두엽-두정엽 네트워크는 지능과 상관관계가 관찰됐고, 소뇌 네트워크와 시각-운동 능력과의 상관관계가 관찰됐다. 기존에 두정엽과 전두엽이 지능과 관련해 있다는 것은 이미 밝혀진 사실이다. 하지만, 지능과 관련되어 있다고 하는 이 두 뇌 영역이 각각 다른 뇌 구조물과 네트워크를 이루며 지능과 관련 있다는 것은 알려지지 않은 결과이다. 특히 소뇌의 경우, 불과 몇 년 전까지만 해도 균형을 잡는 기능 혹은 운동 기능을 하는 영역으로만 알려져 있었지만, 최근 들어 인지기능과의 연관성이 꾸준히 보고되고 있다. 기능자기공명 영상 연구 결과 소뇌의 각 소 영역들이 대뇌 특정 부위들과 기능적으로 연관 있다는 보고가 있었고, 그중 소뇌의 Crus II와 두정엽 간에 기능 네트워크가 보고됐다. 흥미롭게도 본 연구에서 밝혀진 구조 네트워크에서도 과거 연구와 비슷하게 소뇌의 Crus II와 두정엽 간에 연결성이 관찰됐다. 소뇌 중 Crus II와 두정엽 간에 구조적으로 연관이 있음을 밝힘과 동시에 이를 지능과 연관성의 발견은 흥미로운 결과라고 할 수 있다.
 
지능 연구에 대한 궁금증
지능은 인류가 인지 기능에 관심을 가지기 시작할 시점부터 사람들의 관심을 끌었고, 그만큼 오랜 기간 연구가 진행돼 온 영역이다. 약 한 세기 전부터 살아 있는 사람의 뇌에 대한 연구를 진행할 수 있는 기법들이 개발됐고, 이를 통해 뇌와 지능을 연결하려는 노력이 지금까지 활발히 진행되고 있다. 그런데도 뇌에 대해 밝혀진 바가 거의 없기 때문에 아직 뇌와 지능 의 관계에 대해 밝혀야 할 부분들이 많이 남아 있다. 우선, 기존에 지능과의 연관성이 밝혀진 뇌 영역뿐 아니라 다른 뇌 영역들도 지능과 연관이 있을 수 있다. 이를 위해 더 포괄적으로 뇌에 접근해 지능과 연관 짓는 시도를 할 필요가 있다. 또한 우리가 흔히 말하는 지능에는 다양한 영역들이 있다. 예를 들어 새로운 문제를 해결해야 하는 상황에 적응해 문제 해결 능력을 측정하는 유동 지능과 언어력 및 지식과 같이 경험을 통해 발전시킬 수 있는 결정 지능 등 지능은 다양한 개념들로 세분화할 수 있다. 이런 각각의 지능영역은 다른 방식으로 뇌의 영향을 받을 것으로 추측할 수 있다. 지능을 보다 세분화해서 연구할 필요가 있을 것이다. 인체는 시간에 따라 발달 혹은 퇴화를 하게 되고, 인간의 뇌뿐 아니라 지능도 이러한 변화를 겪는다. 뇌의 이러한 변화를 신경 가소성이라는 개념으로 해석하려는 움직임이 있고, 신경 가소성을 지능의 변화와 연관시키는 것도 흥미로운 연구 주제가 될 수 있을 것이다.       
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