기억은 물리적으로 어떻게 만들어지는가

1953년, 수십 년 동안 오직 H.M.이라는 이름으로만 알려진 한 남자가 그의 삶을 망가뜨린 발작을 멈추기 위해 수술을 받았다. 외과의들은 그의 뇌 양쪽에서 일부 조직을 제거했는데, 여기에는 해마라고 불리는 작은 해마(海馬) 모양 구조의 대부분이 포함되어 있었다. 발작은 잦아들었다. 그러나 기이하고도 참담한 일이 일어났다: H.M.은 더 이상 새로운 지속적 기억을 형성할 수 없게 되었다. 그는 대화를 나눌 수 있었지만, 몇 분 뒤에는 그것을 잊어버렸다. 그는 같은 잡지를 읽고 또 읽으면서도 매번 그것을 새롭게 느꼈다. 그의 어린 시절 기억은 온전히 남아 있었고 지능에도 변함이 없었지만, 현재는 물처럼 손가락 사이로 빠져나갔다.

오늘날 우리가 헨리 몰레이슨이라 부르는 그는 신경과학 역사상 가장 많이 연구된 사람 중 한 명으로 남은 생을 살았다. 그의 비극은 심오한 무언가를 드러냈다: 기억은 마음 어딘가에 떠다니는 막연한 구름이 아니다. 그것은 세포와 화학으로 지어지고 특정 조직에 고정된, 물리적인 실체다. 당신이 학교에 처음 등교한 날이나 할머니의 부엌 냄새를 떠올릴 때, 당신은 뇌가 말 그대로 구축한 물리적 패턴을 다시 활성화하고 있는 것이다. 그 구축이 어떻게 일어나는지를 이해하는 일은 현대 과학의 위대한 추리 이야기 중 하나다.

기억은 세포들 사이의 연결에 산다

당신의 뇌에는 전기적, 화학적 신호를 전달하는 특수한 세포인 뉴런이 약 860억 개 들어 있다. 하지만 뉴런 자체가 기억이 사는 곳은 아니다. 기억은 그것들 사이의 연결, 즉 시냅스에 살며, 하나의 뉴런은 이러한 연결을 수천 개나 형성할 수 있다. 인간 뇌에 있는 시냅스의 총수는 수백 조에 달하는데, 이는 여기에 관여하는 어마어마한 저장 용량을 가늠하게 해 준다.

시냅스는 한 뉴런이 다음 뉴런에게 신호를 전달하는 작은 틈이다. 신호가 도착하면 보내는 쪽 뉴런은 신경전달물질이라 불리는 화학적 전령을 틈 너머로 방출하고, 받는 쪽 뉴런의 수용체가 그것들을 붙잡는다. 결정적으로, 이 연결은 고정되어 있지 않다. 그것은 얼마나 자주, 얼마나 강하게 사용되느냐에 따라 더 강해지거나 약해질 수 있다. 이 조절 가능한 성질을 시냅스 가소성이라 부르며, 이는 뇌가 학습하고 기억하는 방식의 초석이다.

이 기본 원리는 누구도 그것이 일어나는 모습을 보기 훨씬 전부터 예견되었다. 1949년, 심리학자 도널드 헤브는 한 뉴런이 다른 뉴런을 점화하도록 반복적으로 돕는다면 그 둘 사이의 연결이 강해진다고 제안했다. 이 생각은 종종 기억하기 쉬운 한 문구로 요약된다: 함께 점화하는 뉴런은 함께 연결된다. 헤브는 생전에 그 메커니즘을 증명하지 못했지만, 답의 형태는 정확히 추측했다. 알고 보니 기억은 대체로 어떤 시냅스가 강해지느냐의 문제였다.

장기 강화 작용: 강화의 불꽃

헤브의 생각에 대한 첫 직접적인 증거는 1970년대 초에 나왔는데, 그때 토끼의 해마를 연구하던 연구자들이 놀라운 무언가를 발견했다. 그들이 신경 경로에 짧고 빠른 전기 자극을 가하자, 연결은 측정 가능할 정도로 더 강해졌고, 그 강해진 상태가 몇 시간, 며칠, 심지어 몇 주 동안 유지되었다. 그들은 이 현상에 장기 강화 작용이라는 이름을 붙였고, 보통 LTP로 줄여 부른다. 이는 기억이 어떻게 부호화되는지를 설명하는 대표적인 세포 모델로 남아 있다.

LTP가 작동하는 것은 우아한 분자 기계장치 덕분이다. 뉴런에 있는 특정 수용체인 NMDA 수용체는 일종의 동시성 감지기 역할을 한다. 그것은 두 가지 일이 동시에 일어날 때만 완전히 열린다: 보내는 쪽 뉴런이 활성화되어 신경전달물질인 글루타메이트를 방출하고, 받는 쪽 뉴런이 이미 어느 정도 흥분해 있는 경우다. 두 조건이 모두 충족되면 수용체는 칼슘 이온이 세포 안으로 쏟아져 들어오도록 허용하고, 그 칼슘의 급증은 앞으로 시냅스를 더 민감하게 만드는 일련의 변화를 촉발한다.

그 결과는 더 단단한 악수다. LTP 이후 받는 쪽 뉴런은 들어오는 신호를 붙잡기 위해 더 많은 수용체를 돋아낼 수 있고, 시냅스 자체가 물리적으로 더 커질 수 있으며, 어떤 경우에는 완전히 새로운 시냅스 연결이 형성되기도 한다. 그 두 뉴런 사이의 대화는 더 크고 더 수월해진다. 그것들을 활성화했던 경험을 반복하면 그 경로는 이전보다 더 쉽게 불이 켜진다. 물리적인 용어로 말하자면, 이것이 바로 무언가를 학습한다는 것의 의미다. 사용되지 않는 연결을 약화시키는 장기 억압이라는 거울상 과정도 있는데, 강화와 약화 사이의 균형 덕분에 뇌는 잡음을 가지치기하면서 유용한 패턴을 조각해 낼 수 있다.

해마: 기억의 수석 건축가

H.M.의 이야기는 해마를 곧장 가리켰고, 수십 년에 걸친 연구가 그 핵심 역할을 확인해 주었다. 해마는 당신의 기억을 위한 영구 창고로 작동하지 않는다. 그보다는 건설 현장이자 빠른 색인 시스템에 더 가깝게 작동한다. 당신이 새로운 무언가를 경험할 때, 해마는 흩어진 조각들(광경, 소리, 감정, 맥락)을 하나의 일관된 일화로 묶어 내고 그 패턴을 빠르게 포착한다.

이것은 H.M.의 결손이 보인 독특한 형태를 설명해 준다. 해마가 없었기에 그는 사건에 대한 새로운 장기 기억을 형성할 수 없었는데, 과학자들은 이 능력을 일화 기억이라 부른다. 그러나 그의 더 오래된 기억은 살아남았는데, 그것들은 이미 처리되어 다른 곳, 즉 대뇌 피질의 광대한 망에 저장되어 있었기 때문이다. 해마는 몇 년 전에 이미 제 일을 끝냈고 더 이상 그 기억들을 붙들고 있을 필요가 없었다.

해마는 또한 뇌의 드문 재능 중 하나인 신경 발생, 즉 성인기에 새로운 뉴런이 태어나는 일이 일어나는 곳이기도 하다. 인간 뇌의 대부분에서는 당신이 가진 뉴런을 그대로 유지한다. 하지만 연구에 따르면 해마는 평생에 걸쳐 새로운 뉴런을 계속 생산하며, 많은 과학자들은 이 새 세포들이 뇌가 비슷한 경험들을 서로 구별하도록 돕는다고 믿는다. 성인 인간의 신경 발생이 정확히 어느 정도까지인지는 여전히 논쟁 중이고 연구마다 결과가 다르므로, 이 세부 사항을 완전히 확정된 것으로 다루기보다는 적절한 신중함을 가지고 받아들이는 편이 좋다.

연약함에서 영구함으로: 응고화의 긴 작업

갓 만들어진 기억은 연약하다. 무언가를 학습한 직후 몇 시간 동안 그 기억은 취약한 상태로 존재하며, 쉽게 방해받거나 사라질 수 있다. 시간이 지나면서 그것은 응고화를 거치는데, 이는 불안정한 새 흔적이 점차 안정적이고 견고해지는 과정이다. 응고화는 두 가지 수준에서 일어난다: 몇 시간에 걸쳐 개별 시냅스 내에서, 그리고 몇 주, 몇 달, 심지어 몇 년에 걸쳐 뇌 전체 시스템에 걸쳐서.

시냅스 수준에서는 LTP가 촉발한 강화가 단단히 고정되어야 한다. 초기 단계는 세포에 이미 존재하는 단백질을 조정하는 데 의존하지만, 기억을 진정으로 오래가게 만들려면 뉴런은 유전자를 켜고 완전히 새로운 단백질을 만들어 내야 한다. 이것이 바로 실험동물에서 단백질 합성을 차단하면 초기 학습이 정상으로 보이는 경우에도 기억이 자리 잡지 못하게 막을 수 있는 이유다. 시냅스에서 일어나는 구조적 변화, 즉 새로운 수용체와 물리적 성장은 지속되기 위해 이 새로운 분자적 구축을 필요로 한다.

시스템 수준에서는 해마가 점차 기억을 장기 보관을 위해 피질로 넘긴다. 지배적인 견해는 해마가 기억을 반복적으로 재활성화하고, 그 재생을 통해 피질이 그 패턴을 스스로 붙들도록 훈련시킨다는 것이다. 일단 피질이 그것을 충분히 잘 학습하고 나면 기억은 더 이상 해마에 의존하지 않는데, 이것이 바로 H.M.의 먼 과거는 접근 가능한 채로 남고 그의 현재는 그렇지 못했던 정확한 이유다.

잠이 어째서 당신의 하루를 조용히 다시 짓는가

응고화가 뇌의 야간 건설팀이라면, 잠은 그 무거운 작업의 상당 부분이 이루어지는 때다. 잠을 자는 동안, 특히 어떤 단계들에서 해마는 그날의 경험을 재생하는 것으로 보이는데, 사건이 처음 일어났을 때 점화했던 바로 그 신경 패턴을, 흔히 압축되고 빨라진 형태로 다시 활성화한다. 이 재생은 중요한 연결을 강화하고 기억을 장기적인 피질 저장소로 이전하는 일을 돕는다고 여겨진다.

실질적인 결론은 잘 확립되어 있다: 잠은 당신이 기억하도록 돕는다. 동물과 인간 양쪽을 대상으로 한 연구는 학습 후의 잠이 깨어 있는 것에 비해 나중의 회상을 향상시키며, 잠을 방해하면 응고화를 저해한다는 사실을 일관되게 보여 준다. 이것이 충분한 밤의 휴식이 시험 전의 정신없는 밤샘 공부를 이기는 한 가지 이유다. 밤샘은 정보를 연약한 단기 상태로 몰아넣을 수는 있어도, 그 정보를 자리 잡게 하는 데 쓰이는 바로 그 시간 창을 뇌에게서 빼앗아 버린다.

기억의 기계장치에는 감정적 차원도 있다. 공포나 흥분으로 가득 찬 경험은 더 생생하게 기억되는 경향이 있는데, 이는 우연이 아니다. 감정을 처리하는 편도체라 불리는 인접한 구조는 어떤 경험을 중요하다고 표시하고 응고화 과정을 증폭시킬 수 있다. 이것이 평범한 화요일들은 한데 뒤섞여 흐릿해지는 반면, 무서웠던 순간의 세부 사항은 고통스러울 만큼 또렷하게 떠올리는 이유다. 강렬한 사건 동안 분비되는 스트레스 호르몬은 기억 형성을 날카롭게 다듬을 수 있지만, 극심하거나 만성적인 스트레스는 그것을 손상시킬 수도 있는데, 이는 이 시스템이 정교하게 균형 잡혀 있다는 또 하나의 상기다.

기억한다는 것은 재생이 아니라 다시 짓는 일이다

최근 수십 년간의 가장 놀라운 발견 중 하나는 기억이 그저 재생 버튼을 누르는 녹음 같은 것이 아니라는 사실이다. 기억을 인출할 때마다 당신은 그것의 물리적 패턴을 다시 활성화하고, 그렇게 함으로써 잠시 그것을 다시 변형 가능하게 만든다. 그런 다음 그 기억은 재응고화라 불리는 과정을 통해 다시 안정화되어야 하는데, 그 시간 창 동안 그것은 바뀌거나, 강화되거나, 심지어 미묘하게 왜곡될 수 있다.

이것이 기억이 세월에 걸쳐 표류하는 이유이자, 두 사람이 같은 사건을 완전히 진심으로 서로 다르게 회상할 수 있는 이유다. 모든 회상은 부분적으로 재구성으로, 저장된 조각들에다 당신의 현재 기분, 기대, 믿음이 제공하는 것을 더해 꿰매어진다. 이 현상은 실제적인 결과를 낳는다: 그것은 오랫동안 신뢰할 만하다고 여겨진 목격자 증언이 어째서 자신만만하게 틀릴 수 있는지를, 그리고 어떤 이야기를 반복해서 다시 들려주는 행위가 어째서 그것을 조용히 다시 빚어낼 수 있는지를 설명하는 데 도움이 된다. 기억은 기록 보관소라기보다는, 당신이 그것을 사용할 때마다 스스로를 갱신하는 살아 있고 일하는 조직에 더 가깝다.

핵심 요점

기억은 기계 속의 유령이 아니라, 생물학으로 지어진 물리적 구조다. 그것은 뉴런들 사이의 강화된 연결에 살며, 시냅스 가소성에 의해 조각되고 세포 수준에서는 장기 강화 작용에 의해 작동하는데, 이 과정에서 바쁜 시냅스는 더 커지고 더 반응성 높아진다. 해마는 뇌의 빠른 건축가이자 색인 작성자로 작동하여 새로운 경험들을 함께 묶어 내고, 응고화라는 느린 작업을 거쳐 그것들을 영구 저장을 위해 피질로 넘기는데, 이 인계는 잠에 의해 엄청나게 도움을 받는다. 헨리 몰레이슨의 상실은 건축가가 사라졌을 때 무슨 일이 일어나는지를 보여 줌으로써 이 구조를 드러냈다. 그리고 아마 무엇보다 겸허하게 만드는 사실은, 당신이 기억할 때마다 다시 짓는다는 것이며, 이는 당신의 기억이 고정된 녹음이 아니라 살아 있는 패턴이라는 뜻이다. 그것을 애초에 만들어 낸 바로 그 놀라운 조직에 의해 끊임없이 재구성되는.