영아기의 두뇌 발달

두뇌는 생의 초기에 놀라운 속도로 성장한다. 출생 시에 신생아 뇌의 무게는 성인 뇌의 약 25%인데 2세가 되면 성인 뇌 무게의 75%가 된다. 태내 마지막 3개월부터 생후 첫 2년 까지는 성인 뇌 무게의 절반 이상이 생성되기 때문에 두뇌 섭장 급등의 시기라고 이야기한다.

 

1. 신경발달

배아가 자궁 속에서 발달함에 따라 중추 신경계가 형성된다. 중추신경계는 배아 등 쪽의 속이 비어있는 길쭉한 신경관의 형태로 비롯되었다가 임신 후 5주 경에서부터 세포분열을 통해 커다란 신경세포, 즉 뉴런 덩어리가 형성되면서 관 모양의 형태가 사라지게 된다. 수정 후 100일 정도가 지나면 태아의 뇌는 인간의 뇌 모습을 갖추는데, 신경관 가운데의 빈 공간은 뇌실이 되고 세포가 부풀어진 부분들이 생겨나면서 각각 전뇌 중뇌와 후뇌를 이룬다. 임신 5~6개월경에는 뉴런의 증식이 거의 완료된다. 뇌와 신경계는 1조 개 이상의 고도로 분화된 세포들로 이루어져 있는데, 이 세포 들은 수조 개의 시냅스, 즉 세포들 간의 연결 공간을 통하여 전기적, 화학적 신호들을 전달한다. 뉴런은 뇌와 신경계의 기본적인 단위로서 신경 자극을 받아들이고 전달하는 역할을 하는 세포이다. 뉴런은 다음과 같은 세 가지 발달 과정을 거친다.

[세포 생성]

대부분의 뉴런이 임신 후 5~26주 사이에 만들어지는데, 이 기간 동안에는 뇌에서 매분 25만 개의 세포가 생성된다.

[세포 이동]

임신 7주 무렵부터 세포가 생성되는 뇌의 중심으로부터 각 세포가 위치할 장소로 이동하며 피질을 형성하는 뉴런이 된다. 세포의 이동은 임신 후 7개월경에 완성된다.

[세포 정교화]

정보를 다른 뉴런으로 전달하는 역할을 하는 축색돌기와 수상돌기가 성장하고 다른 세포들과 연결망을 형성한다. 세포 정교화 과정은 출생 후 몇 년간 계속된다.

뇌발달은 과잉 생성 후 선택적 소멸 과정이라 할 수 있는데, 출생 전후에 가장 많은 뉴런을 갖고 있다가 발달 과정을 통해 필요한 만큼의 뉴런과 시냅스를 만들어가면서 불필요한 것을 버리는 방법이다. 이렇게 뇌의 구조와 기능을 다듬어 가는 것은 불확실한 환경 변화에 대응할 수 있는 잠재력을 극대화할 수 있는 장점을 갖게 된다.

 

(1) 시냅스 생성

뇌발달의 중요한 측면 중의 하나는 뉴런 간 연결의 극적인 증가이다. 영아기에는 성인기보다 훨씬 많은 뉴런 연결, 즉 시냅스를 가지고 있는데, 시냅스의 생성은 실제로 사용될 것보다 거의 두 배 가량 많게 만들어진다. 한 뉴런이 어느 뉴런과 시냅스를 이룰 것인가는 주로 생득적인 프로그램에 의해 결정된다. 시냅스가 일단 형성된 후에는 사용되지 않는 시냅스 연결은 다른 경로로 대체되거나 소멸되고, 사용되는 시냅스 연결은 더욱 강화되어 생존하게 된다. 시냅스의 증가가 이루어지는 시기는 뇌의 영역에 따라 상당한 차이를 보인다. 시각 피질에서는 시냅스의 생성이 태내 4개월경에 가장 많이 일어나고, 그 후 학령기 이전까지 점진적으로 감소한다. 이와 대조적으로 고등 수준의 사고와 자기 규제를 담당하는 전두엽 피질에서는 시냅스 생성이 약 1세경에 가장 많이 일어나며, 청소년기 중기 내지 말기가 되어서야 시냅스의 밀도가 성숙해진다.

 

(2) 수초화

뉴런이 생성되고 시냅스가 발달하는 시기에 수초와도 시작된다. 수초화는 축색돌기가 수초라는 덮개에 의해 마디를 이루면서 둘러싸이는 과정을 말한다. 수초는 지방세포층의 절연물질로 되어 있어 신경 자극이 마디를 건너뛰어 전달됨으로써 신경 자극을 보다 빠르게 전달하면서 뇌가 신체의 다른 부분과 더욱 효율적으로 통신하도록 한다. 수초화는 임신 약 4개월경부터 시작하여 2세 때 최고조에 달하고, 그 후에도 속도는 느리지만 계속 진행된다. 따라서 출생 시에 신생아의 감각기관과 뇌의 많은 부분이 이미 수초로 덮여 있다. 시각적인 경로에 대한 수초화는 출생 후 빠르게 일어나며 첫 6개월에 완성된다. 이에 반해, 청각적 수초화는 4~5세가 될 때까지는 완성되지 않으며, 심지어 10대 후반이나 성인기 초기에도 뇌의 어떤 부분은 완전히 수초화되지 않는다. 가령, 주의집중과 관련된 뇌의 부분인 망상체와 전두엽 피질은 사춘기까지는 완전히 수초화되지 않는다. 한편, 뇌의 전기 활동을 측정하는 뇌파를 사용하여 영아기부터 성인기까지의 뇌 활동을 측정한 결과, 뇌파의 활동이 급증하는 시기는 1세 반~2세, 9세, 12세, 15세, 18~20세인 것으노 나타났다. 영아기의 뇌 변화에 초점을 맞춘 또 다른 연구에서는 전두엽 피질에서의 뇌파 활동의 증가가 영아기 대상에 손을 뻗기 시작하는 시기인 3~4개월, 기기 시작하고 숨겨진 대상을 찾기 시작하는 시기인 8개월, 걷기 시작하고 숨겨진 대상에 대해 탐색을 하는 시기인 12개월에 일어났다. 이러한 결과들은 뇌 활동의 급증이 인지발달에서 중요한 변화가 일어나는 시점과 일치한다는 것을 암시한다. 1세 반~2세 영아가 나타내 보이는 뇌파 활동의 증가는 그 시기 영아의 개념발달 및 언어발달과 관련이 있을 수 있다.

 

2. 두뇌 분화와 대뇌 국소화

뇌의 모든 부분이 동일한 속도로 성장하는 것은 아니다. 출생시에 가장 많이 성숙되어 있는 영역은 뇌간과 중뇌인데 이 영역들은 의식 상태나 반사 행동, 소화나 호흡 및 배설과 같이 생명 유지에 필요한 생물학적인 기능을 통제한다. 중뇌는 대뇌와 대뇌피질로 둘러싸여 있다. 뇌에서 가장 고등적인 부분은 전두 영역으로서 뇌 부피의 약 80%를 구성하며, 모자처럼 뇌의 아래 부위를 덮고 있는 대뇌피질을 비롯해 수많은 구조로 이루어져 있다. 대뇌피질은 대뇌의 바깥층을 이루면서 지각, 언어, 학습, 사고와 같은 지적인 기능에 결정적인 역할을 담당한다. 또한 대뇌피질은 엽이라고 하는 4가지 주요 영역으로 나뉘는데, 전두엽은 자발적인 운동 및 사고와 관련되어 있고, 후두엽은 시각과 관련 있으며, 측두엽은 청각과 관련이 있고, 또 두정엽은 신체 감각에 대한 정보처리와 관련이 있다. 대뇌피질의 4가지 엽은 신생아기에는 미숙한 상태이다. 그러나 전두엽의 뉴런이 수초화 되고 첫 1년 동안 시냅스가 증가하면서 영아는 생리적 상태를 조절하는 능력이 발달하고 반사를 보다 잘 통제할 수 있게 된다. 대뇌는 뇌량이라고 불리는 섬유들의 띠로 연결된 두 개의 반구로 이루어져 있다. 좌반구와 우반구는 서로 다른 기능을 하며 신체의 서로 다른 영역을 통제한다. 좌반구는 신체의 오른쪽 부분을 토에 하며 말하기, 듣기, 언어 기억, 의사 결정, 언어 처리, 긍정적인 감정의 표현을 담당하는 중추를 가지고 있다. 이와 달리 우반구는 신체의 왼쪽 부분을 토에하며 시각-공간 정보의 처리, 음악과 같은 비언어적 소리, 촉각, 그리고 부정적 감정의 표현을 담당하는 중추를 가지고 있다. 이처럼 왼쪽 뇌와 오른쪽 뇌가 서로 구분되어 다른 기능을 하는 것을 대뇌 국소화라고 한다. 대뇌 국소화는 출생 시부터 이미 시작되는데, 신생아는 음악을 듣고 있을 때 왼쪽 반구보다는 오른쪽 반구에서 더 많은 전기적인 뇌 활동을 나타낸다. MRI를 이용한 최근의 연구에서도 성인들의 문장 이해가 좌반구에서 일어나는 것으로 나타났다. 그러나 모든 종류의 언어적 처리가 좌반구에서만 일어나는 것은 아니다. 발화와 문법은 좌반구에 국한되지만, 맥락에 따른 적절한 언어 사용 및 은유나 유머의 사용과 같은 측면은 우반구에서도 일어난다. 따라서 뇌의 기능이 구분되어 있다고 해서 우반구와 좌반구가 서로 완전히 독립적이라고는 할 수 없다. 이때 좌반구와 우반구를 연결하는 뇌량이 이들 각각의 기능을 통합하는 역할을 한다.

 

3. 뇌의 가소성

뇌는 발달 과정에서 상당한 가소성, 즉 유연성을 갖고 있다. 예를 들어, 유아기에 뇌의 특정 영역이 손상된 경우 손상된 뇌기능을 다른 영역에서 대신 수행하거나 회로 연결을 재구성하는 등의 뇌기능의 재구조화가 일어난다.