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by 이응달 Sep 11. 2020

생각공부는 뇌과학에서 이렇게 작동한다

생각공부가 말하는 진짜 공부(1)


생각공부는 철저히 뇌기반 학습과학에서 밝혀진 학습의 원리를 추구한다. 우리 뇌에서 ‘생각을 생각하는 메타인지’는 사고 중추인 전전두엽에서 작동하며, ‘생각을 연결하는 스키마’는 기억 중추인 해마에서 담당하고, ‘생각에 몰입하는 자의식’은 감정 중추인 편도체와 동기 중추인 측좌핵이 주로 담당한다. 이것이 최근까지 뇌과학에 밝혀진 공부하는 뇌의 구조와 원리다. 이러한 뇌과학을 바탕으로 고안된 공부법이다. 따라서 생각공부는 뇌가 가장 효율적이고 효과적으로 학습하고 기억할 수 있는 최적의 공부전략을 제공하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해서 먼저 뇌의 기본적인 구조와 기능에 대해 알아야 한다. ‘나 자신을 아는 것’이 공부의 출발점이라 했듯이, 먼저 자신의 뇌를 잘 알아야 더 잘 활용할 수 있다.   

    


우리 뇌는 3층으로 이루어진 '삼위일체 뇌'다 

우리 뇌의 3층 구조

인간의 뇌는 오른쪽 그림과 같이 안쪽에서 바깥쪽으로 3층의 구조를 가지고 있다. 진화 순서와 위치에 따라 ‘파충류 뇌’라고 불리는 구피질과 ‘포유류 뇌’라고 불리는 고피질, 그리고 ‘인간의 뇌’라고 불리는 신피질로 이루어져 있다. 마치 세 개의 헬멧을 쓰고 있는 것과 같은 구조다. 맨 아래층인 파충류 뇌는 뇌간(뇌줄기)과 소뇌로 구성되어 있으며, 호흡·심장박동·혈압조절 등과 같은 생명 유지에 필요한 기능을 담당하기 때문에 ‘생명뇌’라고도 한다. 중간층인 포유류 뇌는 변연계로 안팎과 위아래로 모든 정보를 전달해 주는 중간 정거장 역할을 하며, 감정 조절을 담당하고 있어서 ‘감정뇌’라고 한다. 포유류들이 울부짖거나 으르렁거리고 움츠리기거나 꼬리를 흔드는 것과 같은 행동으로 표현되는 흥분, 공포, 애정 등의 감정 조절을 담당한다. 


맨 위층인 인간의 뇌는 대뇌 신피질로 고도의 정신 작용과 창조 기능을 관할하는 인간만이 가진 ‘이성뇌’라고 부른다. 인간의 학습과 기억을 담당하는 중요한 뇌 부위로 전체 뇌의 80%를 차지한다. 인간이 문명을 창조하고 만물의 영장이 된 것은 바로 대뇌 신피질이 발달한 덕이다. 주름진 모양으로 되어 있는 신피질은 표면적이 신문지 한 면(A4 종이 4장) 정도이며, 침팬지는 A4 종이 한 장, 원숭이는 엽서 크기, 쥐는 우표 크기 정도라고 한다. 보통은 ‘대뇌 피질’이라고 부른다. 

우리 대뇌 피질의 주요 구조

대뇌 피질은 크게 4개 구역으로 나뉜다. 가장 큰 전두엽(엽은 피질이란 뜻)은 변연계와 밀접하게 연결돼 의사결정, 추론과 계획, 동기부여, 도덕성 등을 관장한다. 후두엽은 시각, 측두엽은 청각, 두정엽은 언어 능력과 관련이 있다. 전두엽은 3∼6세, 측두엽과 두정엽은 6∼12세, 후두엽은 12∼15세에 집중적으로 발달하므로 각 단계에 맞게 교육하는 것이 좋을 것이다. 


특히 학습과 기억에 관련된 중요한 뇌 영역은 전두엽이다. 전두엽은 이해력, 판단력, 논리력, 통찰력 등 이성을 관할한다. 우리 뇌 중에서 가장 마지막으로 발달하는 부위로, 약 25세까지 활성화되고 이후 어른이 되어서도 계속 성장한다. 인간을 유인원과 구분하는 핵심 부위로서 가장 넓은 면적을 차지한다. 특히 전전두엽은 자기를 인식하고 주의집중과 행동계획, 의사결정을 담당하며 문제해결을 위한 전략을 수립하고 불필요한 행동을 억제, 통제하는 능력을 보이는 등의 메타인지를 관장하는 곳이다. 덕분에 우리는 스스로 무엇을 느끼고 생각하고 행동했는지 알 수 있고, 그에 따라 다음 계획을 세우는 능력을 갖게 되었다.      



학습과 기억은 대뇌의 전전두엽이 관장한다 

전전두엽의 각 부위

공부와 관련해 가장 많이 언급되는 부위가 전두엽의 바깥쪽 배외측 전전두엽이다. 명상을 하면 두꺼워진다고 알려져 있으며, 작업기억과 주의집중에 중요한 역할을 한다. 작업기억이란 계산할 때 중간까지 계산한 값이나 책 읽을 때 앞의 읽은 내용을 기억하는 기능이다. 그래서 기억에 직접 관여하는 해마나 기저핵과 관련이 깊다. 


반면 안쪽 복내측 전전두엽은 감정적 정보에 많이 의존한다. 그리고 아래쪽에 위치한 안와전두엽은 욕구 또는 동기에 관련된 정보를 처리하는 데 관여한다. 배외측 전전두엽은 의욕 중추인 측좌핵, 그리고 복내측 전전두엽은 감정 중추인 편도체와 연결되어 있어서 감정적, 정서적 정보들을 상황에 맞게 조절한다. 또한 목표 지향적 행동에도 관여한다. 확실한 보상이 기대되는 행동을 할 때는 이 두 부위가 활성화된다고 한다. 공부에서 동기를 관장하는 부위인 것이다. 이곳에 손상을 입으면 주의가 매우 산만해지고 매우 충동적이며, 무책임해지고 도덕적으로 부적절한 행동을 하게 된다. 자신의 실수를 통해 학습하는 기능도 사라진다. 


정리하면, 배외측 전전두엽은 인지된 정보를 분석해 논리적으로 판단하게 하지만, 복내측 전전두엽과 안와전두엽은 감정적인 자극에 의지하여 판단한다. 예를 들어 배외측 전전두엽이 강하게 활성화되면 건강에 좋은 음식을 선택하는 반면, 복내측 전전두엽이나 안와전두엽이 활성화되면 대부분 맛있는 음식을 선택하는 것도 이 때문이다. 또한 이 전전두엽의 각 부위는 특정 자극에 기계적으로 직접 반응하는 것 아니라, 해마나 편도체가 있는 변연계나 기저핵, 측좌핵 등을 통해 전달된 정보를 조절하고 통제한다는 특징을 가지고 있다. 전두엽은 사춘기에는 급속히 팽창하는데, 이때 충동 억제와 감정 공감을 책임지는 전전두엽이 도파민의 홍수위에 놓이게 된다. 이렇게 사춘기 때 전전두엽이 다른 부위와 부조화가 발생한다. 또한 태어나면서부터 진행되어 오던 '시냅스의 가지치기'가 청소년기에 절정을 이룬다. 그래서 사춘기 때 질풍노도기를 겪는 것이다. 

학습과 기억을 관장하는 뇌 부위

전전두엽과 함께 학습과 기억에서 중요한 기능을 하는 것이 또 있다. 바로 변연계의 해마와 편도체 그리고 측좌핵이다. 해마는 뇌에 장기 기억을 저장하는데 중요한 역할을 한다. 해마는 기억을 일시적으로 저장할 뿐 장기 저장은 측두엽에서 맡게 된다. 즉, 새로운 정보가 해마로 들어오면  임시 저장하여, 정보를 일시적으로 기억할지 장기적으로 기억할지 분류 작업을 한다. 이 과정의 기억을 작업기억이라고 한다. 이때 동일한 정보가 해마로 여러 차례 전송되지 않으면 측두엽으로 보내지지 않고 폐기한다. 이렇게 해마는 작업기억을 작동시켜 단기적인 기억을 처리하여 측두엽의 장기기억으로 바꾸는 중요한 역할을 하는 것이다. 그래서 해마를 ‘기억의 공장’이라고 한다. 이뿐만 아니라 더 중요하게는 이렇게 측두엽에 쌓아놓은 기억들을 다시 해마로 불러내 뇌피질의 각 부위에 분산 저장하고 연결해야만 영구적인 기억으로 공고화된다. 해마의 가장 중요한 기능은 바로 기억의 연결에 있다. 설령 몇 번에 걸쳐 기억된 지식이라도 그것이 다른 지식과 연결되지 않으면 폐기된다. 이것이 앞서 강조한 우리 뇌가 생각을 연결하여 ‘스키마’를 구성하는 과정이다. 이 작업은 깊은 수면 상태에서도 활발하게 일어난다. 


또한 공부의 성패를 좌우하는 것은 집중과 몰입이다. 이것은 감정과 동기와 같은 자의식이 발동해야 한다. 해마와 붙어있는 편도체는 해마에서 처리되는 정보에 감정을 실어주고 그 옆쪽의 측좌핵은 동기를 조절함으로써 뉴런(neuron )의 시냅스(synapse)가 더 밀접하고 강력하게 함으로써 장기기억으로 저장을 활성화시킨다. 생각에 몰입하는 자의식의 효과다. 우리가 과거 큰 사고의 기억이나 첫사랑의 사연은 평생 잊지 못하거나 꿈과 목표가 뚜렷해야 공부가 잘되는 이유이기도 하다.     



뇌의 뉴런이 평생에 걸쳐 학습과 기억을 새겨간다 


우리 뇌는 학습한다고 다 기억하는 것이 아니다. 학습한 것을 끊임없이 망각하는 것이 뇌의 자연스러운 기능이기 때문이다. 따라서 학습한 것을 망각하지 않도록 하는 것이 기억을 오래 남기는 가장 좋은 방법이다. 학습한 것을 장기기억으로 유지한다는 것은 대뇌 피질에 광범위하게 분포해 있는 약 1000억 개 뉴런의 연결부에 약 1000조 개의 시냅스가 확장되고 강화된다는 의미다. 즉 뉴런의 시냅스에 기억의 흔적이 새겨지는 것이다. 


인간의 뇌기능은 노인이 되더라도 계속 발달한다고 하는 이유는 뇌 용량 자체가 커지는 것이 아니라, 나이에 상관없이 평생에 걸쳐 뇌를 사용하면 할수록 뉴런 사이를 연결하는 가지가 많아지고 두터워지면서 시냅스의 개수와 강도가 강해지기 때문이다. 하지만 잘 쓰지 않으면 회로가 막히고 가늘어지며 수도 적어져서 망각이 일어난다. 노인이 되어서는 노화 또는 병변으로 뉴런과 함께 시냅스의 수가 급격히 줄고 그 연결 강도가 약해지면서 치매기 발생하기도 한다. 즉, 장기기억은 특수한 물질의 형태로 우리의 뇌에 저장되는 것이 아니라, 뉴런의 시냅스가 많아지고 연결이 두터워지는 시냅스의 연결구조가 변화되어야 오랫동안 보존되는 것이다.


이를 좀 더 자세히 살펴보도록 하자. 감각기에서 받아들인 자극을 뇌나 척수에 전달하고, 그에 알맞은 명령을 각 반응기에 내려 보내 몸의 여러 가지 기능을 조절하는 뇌와 척수 및 말초신경 등을 통틀어 ‘신경계’라고 한다. 이러한 신경계를 구성하는 기본 단위인 신경세포가 ‘뉴런’이다. 뉴런에는 세 가지가 있다. 감각기에서 들어온 자극을 중추신경(척수와 뇌)에 전달하는 ‘감각뉴런’, 감각신경에서 전달된 자극을 판단하여 운동신경에 명령하는 중추신경의 ‘연합뉴런’, 그리고 중추신경의 명령을 받아 반응기(근육, 분비샘)에 전달하는 ‘운동뉴런’이 있다. 즉, ‘자극 ➝ 감각기 ➝ 감각뉴런(감각신경) ➝ 연합뉴런(중추신경) ➝ 운동뉴런(운동신경) ➝ 반응기 ➝ 반응’과 같은 단계로 자극에 대한 반응이 일어나게 된다. 

학습과 기억을 관장하는 뉴런과 시냅스의 구조


뉴런은 세포핵과 세포질의 ‘세포체’, 그리고 신호와 신경을 전달하는 ‘수상돌기’와 ‘축색돌기’로 이루어져 있다. 수상돌기는 인접한 뉴런으로부터 정보를 받아들이는 입력부에 해당된다. 축색돌기는 입력받은 정보를 모두 모아 일정한 값이 넘으면 다시 다른 인접한 뉴런의 수상돌기에 전달하는 출력부에 해당된다. 이 두 뉴런 사이에 축색돌기와 수상돌기가 맞닿는 접점에 미세한 틈이 있는데, 이것이 바로 시냅스이다. 축색돌기와 수상돌기가 만나면 비로소 ‘시냅스’가 만들어지는 것이다. 뉴런 하나에는 적게는 100개, 많게는 10만 개에 이르는 시냅스를 형성하기도 한다. 이리하여 뇌 속에는 거대한 신경회로망이 형성된다. 


학습과 기억은 모두 생리학적 현상이며, 뉴런과 시냅스에서 일어난다. 즉, 생리학적으로는 감각기관의 자극에 의한 정보가 신호로 유입되어 뇌에서 전기화학적인 변화가 생기는 것이다. 이렇게 뇌에서 이루어지는 신경정보의 전달 방식을 전기화학적 전달이라고 하는데, 이는 하나의 뉴런 내에서 세포막 안팎의 전위차에 의해 정보가 전달되는 전기적 전달과 뉴런들 사이에 있는 시냅스를 통해 정보가 전달되는 화학적 전달로 나눠진다. 


시냅스는 뉴런으로 들러온 신경정보의 전기신호를 화학신호로 변환하여 다른 뉴런에 전달하면서 다시 전기신호로 바꿔주는 역할을 한다. 즉, 뉴런 내의 전기신호는 시냅스의 입력 부위인 뉴런의 축색돌기 끝으로 모이면서 화학 신호인 ‘신경전달물질’로 분비되고, 다시 시냅스의 출력 부위에서 다른 뉴런의 수상돌기 수용체를 자극해 전기를 발생시켜 다시 전기신호로 바뀌는 과정을 통해 정보가 전달된다. 이와 같이 시냅스는 수많은 신경정보를 끊임없이 주고받는 뇌 속의 초고속 반도체라고 할 수 있다.


시냅스에서 분비되는 신경전달물질에는 도파민, 세로토닌, 엔돌핀, 아드레날린, 멜라토닌 등이 있다. 이러한 신경전달물질의 전달 과정에서 시냅스 회로에 가지가 생기고 연결되면서 신경정보가 기억으로 저장되는 것이다. 이때 신경전달물질이 뉴런 간의 연결 부위에서 시냅스의 형성을 좌우하기 때문에 신경전달물질이 얼마만큼 활성화되어 잘 분비되느냐가 기억의 질을 결정하게 된다. 신경전달물질은 감정의 상태에 따라 그 활성화 정도가 변한다. 바로 감정 실린 지식이 강고한 지식이 된다는 것을 새삼 확인할 수 있는 대목이다. 


새로운 정보가 기억된다는 것은 하나의 정보신호가 유입되어서 그동안 서로 관련이 없던 뉴런들 사이에 시냅스가 생긴다는 말과 같다. 하지만 새로 생긴 시냅스는 처음에는 강도가 약해 시간이 지나면서 연결이 끊어져 망각이 일어나기도 한다. 다시 말해 기억은 한 번에 바로 새겨지지 않는다는 말이다. 이때 시냅스의 연결 강도를 강화하기 위해서는 계속적인 학습을 통해 더 많은 신경전달물질이 생성되도록 하여 뉴런의 활성화를 높이고, 신경전달물질의 수용체 수를 증가시켜 시냅스를 강화해야 한다. 따라서 기억이 저장되는 특별한 곳이 있는 것이 아니라 정보가 처리되는 수많은 시냅스로 이루어진 신경회로망(신경망)이 기억의 저장소인 것이다. 


그렇다면 장기기억은 어떻게 형성되는가? 장기기억은 뉴런 사이 시냅스의 연결 강도로 저장된다. 시냅스가 신경전달물질에 의해 오랫동안 활성화 상태를 유지하면 시냅스의 연결 강도가 점점 강해진다. 이 변화가 장기기억으로 저장되는 과정이다. 즉, 시냅스가 공고화되는 것이 바로 장기기억이다. 장기기억의 용량은 거의 무한대에 가깝다고 한다. 장기기억은 측두엽과 후두엽 및 두정엽 쪽에 많이 저장된다고 알려져 있는데, 여기에서 발견되는 수백억 개의 뉴런과 그들 사이의 무수한 연결은 장기기억 용량이 거의 무한에 가까움을 시사한다. 그리고 더 중요하게는 기억의 양과 질은 신경전달물질의 활성화 여부에 달려 있다는 점이다. 





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