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꾸준히 운동하면 머리도 좋아진다

MARY CARMICHAEL 기자뉴스위크 2007-03-28

Stronger, Faster, Smarter

새로운 뇌 신경세포 만들어져 사고력 높여

운동선수는 머리가 나쁘다는 통념을 찰스 힐먼 교수는 절대 수긍하지 않는다. 자신도 운동선수인 힐먼은 한 주에 네 차례씩 아이스하키를 하지만 경기하지 않을 때는 일리노이대의 신경과학·운동생리학 실험실에서 연구에 몰두한다.

자신의 수업에선 거의 매학기 여자 크로스컨트리 팀 학생들의 성적이 가장 우수하다고 말했다. 그래서 최근 들어 운동과 뇌 사이에 중요하지만 간과된 연결 고리가 있는지 궁금했다. 체육관에서 오랫동안 운동하면 근육이 생길 뿐 아니라 뇌활동에도 도움을 줄까?

힐먼은 동료들과 함께 일리노이주의 초등학교 3, 5학년생 259명을 대상으로 체질량을 측정하고 그들에게 체육시간에 하는 기초운동을 시켰다. 앉은 채 팔뻗기, 힘차게 달리기, 시간 측정 팔굽혀펴기와 윗몸일으키기 등. 그 다음 아이들의 운동능력과 일리노이주 표준시험에서 그들이 보여준 수학·읽기 능력을 서로 비교했다. 사회경제적 지위 등의 요인도 감안했지만 결과는 운동능력이 뛰어난 아이들이 지능 수준도 높았다.

힐먼은 스포츠가 실제로 학생의 지능을 높일지 모른다고 결론 내렸다. 또 자신도 아이스하키 경기 도중 퍽으로 머리만 맞지 않는다면 지능이 높아지리라고 믿게 됐다.

올해 출판될 힐먼의 연구 결과는 독보적일 만큼 결정적이지는 않다. 그러나 그럴 필요도 없다. 그의 연구는 운동이 인간의 지능을 높인다는 최근의 급증하는 과학적 움직임과 궤를 같이하기 때문이다. 지난주 기념비적 논문에서 연구자들은 단지 석 달간의 유산소 운동으로 실험 참가자들의 뇌에 새로운 신경세포가 생겨났다고 발표했다.

뇌에 새로운 신경세포가 생기는 일은 수십년간 불가능한 일로 인식됐다. 다른 과학자들은 활발한 운동이 노화한 신경세포를 조밀하고 서로 연결된 망으로 만들어 뇌가 보다 빠르고 효율적으로 작동하도록 한다는 사실을 발견했다.

육체적 활동이 노인성치매(알츠하이머병), 주의력 결핍 과다행동장애(ADHD), 기타 인지장애의 발생을 예방한다는 단서도 있다. 나이와 무관하게 강하고 활동적인 신체가 강하고 활발한 정신을 만드는 데 필수적인 듯하다.

과학자들은 늘 그럴지 모른다고 생각해 왔지만 입증하지 못했다. “공부도 잘하는 운동선수”는 단순히 전미대학체육협회(NCAA)가 짜낸 마케팅 전략이 아니다. 사실 그 뿌리는 고대 그리스 문화에까지 거슬러 올라간다. “당시에도 건강한 신체가 공부 못지않게 중요했다”고 하버드대 정신과 의사 존 레이티는 말했다.

그리스인들은 “정신과 신체의 연관성”을 잘 알았다고 그는 덧붙였다. 또 그리스인들은 어쩌면 서방의 연구자들이 오래 전에 알아낸 기본 원리도 터득한 듯하다. 다시 말해 유산소 운동을 하면 심장이 신체 다른 부위뿐 아니라 뇌에도 보다 많은 혈액을 공급한다는 사실이다.

혈액 량이 많아지면 산소량도 많아져 뇌세포에 영양공급이 잘 된다. 수십 년간 그 원리는 과학이 어느 정도 입증 가능한 신체와 지력의 유일한 연결 고리였다. “사람들은 운동이 근육에 미치는 영향만큼 인지 능력에도 영향을 미친다는 사실을 이해하기까지 오랜 시간이 걸렸다”고 힐먼은 말했다.

그러나 이제 첨단 뇌촬영 장치와 생화학에 관한 수준 높은 이해에 힘입어 연구자들은 운동이 뇌에 미치는 효과가 한때 생각했던 수준보다 훨씬 더 심오하고 복잡하다는 사실을 알게 됐다. 그 복잡한 과정은 근육에서부터 시작된다.

이두박근이나 사두박근이 수축·이완할 때마다 혈류를 따라 움직이는 단백질(IGF-1)을 포함한 화학물질이 나와 뇌속에 전달된다. IGF-1은 뇌속에서 인체의 신경전달물질 공장의 공장장 같은 역할을 한다. 예컨대 ‘뇌에서 생기는 신경성장 유발 물질(BDNF)’을포함한 여러 화학물질의 생산을 촉진하라는 명령을 내린다.

곧 출간될 책 ‘스파크: 운동과 뇌의 혁명적 신과학(Spark: The Revolutionary New Science of Excercise and the Brain)’의 저자이기도 한 레이티는 이 분자를 “뇌기능을 높이는 획기적인 물질”이라고 부른다. 고차원적 사고에 이르는 거의 모든 활동을 촉진하기 때문이다.

규칙적으로 운동하면 BDNF 수치가 높아진다. 그러면 뇌 신경세포가 가지를 뻗어 서로 결합, 새로운 방식으로 신호를 주고받는다. 이것이 바로 학습이 진행되는 과정이다. 뇌세포 간의 결합점에서 일어나는 모든 변화는 새로 익혀 앞으로 다시 사용될 때에 대비해 저장되는 새로운 사실이나 기술을 의미한다.

BDNF가 그 과정을 가능케 해준다. BDNF가 많은 뇌일수록 더 큰 지식을 수용할 능력이 있다. 반면 BDNF 수준이 낮은 뇌는 새로운 정보가 들어와도 스스로를 차단한다고 캘리포니아대(로스앤젤레스)의 신경과학자 페르난도 고메즈 피니야는 말했다. 그는 쥐들을 여러 주 동안 쳇바퀴 돌게 함으로써 BDNF의 수준을 높였다.

그 후 무리 중 절반은 그대로 두고, 나머지 절반에 약을 투여해 BDNF의 효과를 차단했다. 그 후 두 집단의 쥐에게 물 속에 숨겨진 물체를 찾도록 하는 인지능력 실험을 했다.

첫 번째 집단은 물체의 위치를 쉽게 찾았지만 BDNF의 공급이 차단된 두 번째 집단은 신속성이나 영리성에서 첫 번째 집단을 따라가지 못했다. 인간의 경우도 마찬가지다. BDNF를 만드는 유전자에 결함이 있는 불운한 사람들은 뇌가 새로운 사실을 저장하고 그 기억을 되살리는 데 애로를 겪는다.

인간은 대개 성인이 되면 일정 수준의 BDNF를 유지한다. 그러나 나이가 들수록 신경세포가 서서히 사멸하기 시작한다. 1990년대 중반까지도 과학자들은 신경세포의 손실이 영구적이라고 생각했다. 뇌가 죽은 신경세포를 대체할 새로운 신경세포를 못 만든다고 여겼다.

그러나 지난 10년간의 동물실험 결과 그 가정이 뒤집혔다. 뇌의 특정 부위에서 일어나는 ‘신경세포 생성’이 운동을 통해 손쉽게 유발됐기 때문이다. 미 국립과학원 회보가 지난주 발표한 연구결과는 그 이론을 최초로 인간에게 적용했다. 시험 참가자들은 3개월간의 운동 후 모두 새로운 신경세포가 생겨난 듯 보였다.

심혈관계가 가장 좋아진 사람은 신경세포도 가장 많이 생겼다. 이 역시 BDNF가 작용해 줄기세포를, 완전히 성장하고 기능하는 신경세포로 바꾼 결과일 가능성이 크다.

생명공학으로 유명한 솔크연구소의 신경생물학자 프레드 게이지와 함께 그 논문을 공동 집필한 컬럼비아대 메디컬센터의 신경학자 스콧 스몰은 “운동의 효과를 처음으로 인간에게서 확인했다는 사실이 아주 신기했다”며 “이제 그런 현상의 의미를 이해하려는 분야가 급성장하는 중”이라고 말했다.

그런 이해의 첫 단계는 새로운 신경세포가 정확히 어느 부위에서 자라며, 그곳이 재활이 요구되는 뇌의 부분인지 파악하는 일이다. 스몰과 게이지의 시험에서 운동을 통해 생긴 새로운 신경세포는 한곳에만 집중됐다. 학습과 기억을 관장하는 해마(海馬)의 치상회(齒狀回) 구역이다.

측두엽 아래 위치한 이 구역은 뇌가 사람의 이름과 얼굴을 일치시키는 일을 돕는다(나이가 들면 가장 먼저 쇠퇴하는 능력 중 하나이기도 하다). 다행히도 해마는 BDNF의 효과에 특히 민감하게 반응하며, 운동은 해마를 보다 건강하고 “보다 젊은” 상태로 회복시키는 듯하다.

일리노이대의 심리학자 아서 크레이머는 “BDNF는 단순히 노화 과정을 늦추는 데 그치지 않고 역전까지 시킨다”고 말했다. 크레이머의 연구는 전두엽과도 관계가 있다. 전두엽은 의사 결정, 여러 가지 일의 동시 진행, 기획 등과 관련된 ‘고차원적 기능’을 하는 영역이다.

첨단 뇌촬영 기술에 힘입어 그는 운동이 전두엽의 크기를 키운다는 사실을 발견했다. 그리고 60∼70대 남녀를 대상으로 수십 차례 실시한 이전의 연구에서도 빠르게 걷기 같은 운동은 뇌의 고차원적 기능을 개선시켰다. 참가자들은 심리검사에서 더 높은 점수를 받았고, 질문에 보다 정확하고 신속하게 대답했다. 새로운 뇌 연구 결과가 나오면서 연구자들은 이제 그 이유를 설명할 수 있게 됐다.

과학자들이 지금까지 알아낸 바에 따르면 새로운 신경세포는 뇌의 나머지 부위에선 늘어나지 않는다. 그러나 이런부위에서도 운동을 통해 여러 가지 부수적 효과가 생긴다. 우선 운동을 하면 뇌 용량처럼 혈류량도 증가한다고 스몰은 말했다.

“새로운 뇌 신경세포가 어느 부위에서 생기든 모세혈관이 새로 생겨난다. ” 운동을 열심히 하는 성인은 뇌에 염증도 덜 생긴다. 또 “당사자도 모르는 사이에 인지능력에 손상을 입히는 소규모의 뇌졸중”도 더 적게 일어난다고 캘리포니아대(샌프란시스코)의 신경과학자 크리스틴 야피는 말했다.

다른 연구자들은 운동을 하는 사람들이 ‘별아교 세포’(신경세포를 지원할 뿐 아니라 신경전달물질이 세포에서 세포로 메시지를 전달하고 나면 이를 청소하는 세포)도 더 많다는 사실을 알아냈다. 운동을 자주 하는 사람은 신경전달물질의 수준도 더 높다.

“도파민·세로토닌·노르에피네프린 등은 운동을 하고 나면 모두 수준이 높아진다”고 레이티는 말했다. “따라서 운동은 집중력과 침착성을 높이고, 충동성을 낮추는 데 도움을 준다. 우울증 치료제 프로작과 신경안정제 리탈린을 동시에 조금씩 복용하는 듯한 효과다. ”

생기는 데 여러 주 걸리는 신경조직과 달리 이처럼 부수적인 효과는 대개 거의 즉각적으로 나타난다. 30분간 러닝머신에서 뛰고 나면 “48분 안에” 뇌가 더 좋은 상태가 된다고 힐먼은 말했다. 그러나 이런 효과도 일시적이란 사실이 다소 아쉽다.

체중과 마찬가지로 정신적 최적화도 지속돼야 한다. 새로운 신경세포와 그 세포 간의 연결 부위는 수년간 지속되지만 한 달 동안만 운동하지 않으면 “이 별아교세포가 다시 위축되면서 신경세포가 더 이상 잘 작동하지 않는다”고 일리노이대의 심리학자 윌리엄 그리노는 말했다. 운동을 계속해야 뇌기능도 유지된다는 얘기다.

좋은 효과를 계속 유지하려면 지속적인 운동이 필요하다. “만일 20세 때 한 운동의 효과가 70세 때 일부 나타나기를 바란다면” 50년 간 계속 체육관을 다니는 편이 낫다고 그리노는 강조했다.

운동과 인지능력에 관한 연구는 대부분 노년층에 초점이 맞춰졌다. 머리가 예전같지 않다고 걱정하기 시작하는 연령층 말이다. 그러나 신체 운동이 뇌에 미치는 효과는 노년층에 국한되지 않는다. 사실 어린 아이에게 미치는 효과는 훨씬 강력하다.

운동은 “발달 중인 뇌에 보다 장기적인 효과”를 미칠지 모른다고 조지아대의 운동과학 교수 필 톰포로프스키는 말했다. 성인과 마찬가지로 아이들도 운동을 통해 해마가 많은 혜택을 얻는다. 사실 ADHD를 지닌 자녀를 둔 부모는 이미 아는 사항이다.

그런 아이들 중 다수가 이미 약물을 대체·보충하려는 목적으로 운동을 활용 중이기 때문이다. ADHD 아동들은 해마 부위가 팽창해 뇌의 나머지 부위와 비정상적으로 연결됨으로써 해마의 제기능을 방해할 가능성이 크다.

그러나 적당량 운동을 하거나, 발야구 시합을 한 차례만 해도 아이들의 뇌엔 훨씬 더 광범한 효과가 미친다. 약 20세가 될 때까지 전두엽은 충분히 발달하지 않는다. 따라서 학습과 관련된 기능 등 필요한 기능을 수행하려 뇌의 다른 부위를 “차용”한다.

3학년생과 5학년생의 운동효과를 측정한 힐먼의 연구에서 운동은 단지 고차원적인 뇌 기능뿐 아니라 수학·논리·독서 등 광범한 기술도 함께 촉진했다. 모두 뇌의 여러 가지 부위와 연관된 기능들이다.

“아이들은 특히 전두엽에서 엄청난 양의 뇌조직이 성장한다”고 톰포로프스키는 말했다. “따라서 아이들에게선 그것을 굳이 해마의 기능으로 규정 짓기 힘들다. 전두엽에서 정확히 무슨 일이 벌어지는지는 아무도 모른다. ”

그런 원리를 염두에 두고 많은 교육자는 공립학교 체육교육의 쇄신을 추진 중이다. 체육 수업 시간을 늘리고 두뇌활동을 강화하는 심혈관계 운동에 보다 역점을 둠으로써 다른 과목의 성적이 향상되도록 하는 노력이다.

켄터키주 상원의원 케이티 스타인은 힐먼의 연구결과에 고무돼 최근 8학년생까지 매일 30분씩 체육 수업을 의무화하는 법안을 발의했다(법안은 지난달 켄터키주 상원을 통과했다).

일리노이주 내퍼빌의 학교에서도 언어능력이 떨어지는 학생들은 읽기 수업 전에 체육 수업을 하기 시작했다. 아이들은 이미 성적이 나아져 간다고 레이티는 말했다.

교육자들은 단지 아이들의 수능 점수가 더 높아지기만을 바라지 않는다. 보다 장기적인 목표가 있다. 만일 아이가 일찍부터 운동을 좋아하게 되면 활발한 성인으로 자랄 가능성도 그만큼 커진다. 또 아이들이 그렇게 한다면 현재 조부모들이 직면한 운명을 피하게 된다.

바로 경미한 인지장애로 시작해 알츠하이머병으로 발전하는 경우다. 고메즈 피니야는 미국인들의 게으른 생활양식이 알츠하이머병의 높은 발병률로 이어졌을 가능성이 있다고 말했다. 인간은 육체적 활동을 통해 번영하게끔 진화했다.

그런 활동 없이는 “우리 뇌가 제기능을 못하며” 비정상적이 된다. 초기 연구결과 매주 최소 몇 차례씩 운동하는 사람은 운동을 거의 하지 않는 사람보다 알츠하이머병에 걸릴 확률이 훨씬 낮을 뿐 아니라 발병 시기도 훨씬 늦다. 실마리는 뇌 수준에서도 읽힌다. 알츠하이머병이 가장 먼저 찾아오는 부위 중 하나가 바로 해마이기 때문이다.

알츠하이머병에 걸려도 운동하면 병의 진행을 늦출 가능성이 있다는 주장은 논란의 여지가 많다. “알츠하이머병이 상당히 진행됐다면 운동 프로그램의 실시가 어려우며 이미 피해를 입었을 가능성이 있다”고 야페는 말했다. 그러나 동물연구에서 한 줄기 희망이 보인다.

알츠하이머병과 유사한 병에 걸린 쥐의 경우 사람에게서 발견되는 일정 형태의 플라크(응혈)가 발견됐다. 캘리포니아대(어바인)의 신경과학자 칼 코트먼은 2005년 그런 쥐들을 대상으로 한 실험에서 쳇바퀴를 더 오래 굴린 쥐는 기억력 검사에서 더 좋은 점수가 나온다는 사실을 발견했다.

그 쥐들은 “어쩌면 운동을 통해 플라크가 더 적게 생성된 데다 더 많은 플라크가 제거됐기 때문에” 뇌속의 응혈 수준도 더 낮았다고 그는 설명했다.

그렇다면 당연히 한 가지 질문이 떠오른다. 만일 운동이 그토록 좋은 처방이라면 언젠가 과학자들이 뇌에 활력을 불어넣는 운동효과를 화학물질의 형태로(예컨대 “운동을 대체하는 알약”으로) 만들면 되지 않을까?

그런 알약은 현재 과학자들이 알츠하이머병 환자의 기억력 강화를 목표로 개발 중인 수많은 약과 비슷한 형태가 될지 모른다. 또 그 약은 매일 체육관으로 가지 않으려는 사람들에게 분명 인기를 끌지 모른다. “운동 프로그램은 많은 땀을 흘려야 하기 때문에 사람들은 지속적인 운동에 거부감을 나타낸다.

운동을 하고 싶어하지 않는다”라고 레이티는 말했다. “그들은 이를테면 ‘효과를 빨리, 그리고 당장 보고 싶은데 왜 러닝머신에서 그토록 오랫동안 땀을 흘려야 하나’라고 말한다.” 컬럼비아대의 스몰은 실험실 동료 중 다수가 자신의 연구결과를 계기로 운동을 시작했다고 말했다.

그러나 자신은 “그 생화학적 연결 고리를 찾아 운동과 담 쌓은 사람에게도 똑같은 효과가 나타나는 물질을 찾는 방법을 연구하고 싶다”고 덧붙였다.

그런 일이 일어나기 전에 과학자들은 아직 남은 여러 성가신 문제를 풀어야 한다. 그중 첫째는 왜 특정한 운동이 다른 운동보다 뇌에 훨씬 더 큰 영향을 미치는가 하는 문제다. 대부분의 과학자는 유산소 운동에 역점을 두고 “근력 강화는 무시했다”고 물리치료사이자 신간 ‘나이를 거부하는 피트니스(Age-Defying Fitness)’의 공동 저자인 캐럴 루이스는 말했다.

그러나 지금까지 아무도 정확히 모르지만 몇몇 연구에서 스트레칭이나 근육 강화, 역기는 인지능력과 무관하다고 밝혀졌다. 연구자들은 또 어느 정도의 운동이 적정한지도 확실히 모른다.

“하루에 몇 시간씩, 한 주에 며칠씩 운동을 해야 하며 휴식시간은 어떻게 해야 하는지 매우 좋은 원칙이 있지만 이는 신체의 다른 부위에만 해당될 뿐이다. 정작 뇌에 관해선 알려진 바가 없으므로 그런 문제를 연구할 필요가 있다”고 그리노는 밝혔다.

마지막으로 찰스 힐먼이 아이스하키 스틱을 들었을 때부터 그를 괴롭혀 온 문제가 하나 있다. 만일 운동선수가 평균적으로 다른 사람들에 비해 뇌기능이 더 활발하다면 왜 운동선수에겐 머리가 나쁘다는 불공정한 딱지가 붙게 됐을까?

고대 그리스인에겐 그토록 존경받았을 ‘공부도 잘하는 운동선수’라는 말이 왜 요즘엔 놀림거리가 될까? 힐먼은 그 이유를 과학이 아닌 상식 탓으로 돌린다. 다시 말해 일부 학교가 운동선수의 학업 성적에 지나치게 관대한 태도를 보여 어린 선수들을 망쳐놨기 때문이다.

“그렇게 된 이유는 학교 측이 그들에게 손쉬운 길을 제공했기 때문”이라고 힐먼은 지적했다. “아이들에게 전적으로 잘못된 딱지가 붙은 이유는 운동에서 뛰어나기 때문에 그들의 정신적 능력을 희생시켜 가면서까지 육체적 능력을 지나치게 강조하기 때문이다. ”

물론 크고, 멋지고, 건강한 뇌만으론 충분하지 않다. 뇌는 풍부한 지식으로 가득 차야 한다. 그러려면 아이들은 체육관뿐 아니라 도서관도 찾아야 한다. “뇌의 학습능력을 최적화하기란 가능하다. 그러나 그러려면 환경이 갖춰져야 하며 본인 스스로 그런 환경을 원해야 한다”고 레이티는 말했다. “운동선수”보다 “학자”가 더 중요할 때도 있으니까.

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