학습이 일어나는 '시냅스'

학습이 일어나는 '시냅스'

Brainstory in English

뇌2004년4월호
2010년 12월 07일 (화) 18:23
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플라톤은 ‘지식은 곧 기억해내는 것’이라고 주장했다. 새로운 지식이 형성되는 것은 우리가 이미 알고 있는 사실을 기억해내는 것에 불과하다는 말이다. 그러나 오늘날 현대 신경과학의 발달로 우리는 지식이란 기억해내는 것이 아니고, 지식과 기억 그 모두가 시냅스에 존재한다는 사실을 알게 되었다.

Plato was convinced that ?nowledge is remembering? that is: all of our seemingly new knowledge are nothing but remembrance of what we used to know. Today, modern neurosciences tell us that knowledge is not remembrance, but rather that both the knowledge and our memories are in the synapses.


포유류의 뇌는 우주에서 가장 복잡한 시스템이다. 뇌에 존재하는 1011개의 뉴런들은 얼마나 빡빡하게 밀집되었는지, 진화과정에서 대뇌피질은 두개골 안에서 몇 번이나 주름이 잡히도록 접혀져야만 했다. 뉴런은 뇌에서 정보를 처리하고 저장하는 기본 단위로 세포체, 수상돌기, 축색돌기의 세 요소로 나뉜다.

The mammalian brain is arguably1) one of the most complex systems in the known universe. It consists of about 1011neurons, that are so densely packed that during the evolution the cerebral cortex2) had to be folded several times to fit inside the skull. Neurons are the basic blocks of the brain? information processing and storage. They are made of three basic elements: cell body, dendrites, and axons.


외부의 정보는 수상돌기를 통해 들어오는데 수상돌기는 작은 나무에 비유할 수 있다.(사실 ‘수상돌기’라는 말은 ‘나무’를 뜻하는 그리스 어원에서 비롯되었다.) 즉 나무가 빗방울을 기다리듯 수상돌기는 주변 뉴런들로부터 정보를 기다리는 것이다. 정보는 일단 수상돌기로 들어와 세포체를 통과하여 뉴런의 긴 꼬리 부분인 축색돌기로 전달된다. 뇌의 특정부위에서 입력된 정보는 전선 역할을 하는 축색돌기를 통해 멀리까지 전해진다.

축색돌기의 끝은 다른 뉴런의 수상돌기와 맞닿아 있으며, 이 지점을 시냅스라고 부른다. 각각의 뉴런은 수천 개의 다른 뉴런과 연결되어 있으므로 수상돌기는 수천 개의 시냅스로 뒤덮여있다고 볼 수 있다. 수많은 시냅스에서 신호가 들어올 때, 뉴런은 그 신호량에 따라 특정 분기점을 넘으면 활성화되고 그렇지 않으면 활성화되지 않는다.

Information is received through its dendrites. Dendrites are like little trees (in fact, the name ?endrite?is Greek for ?ree? waiting to receive information from neighboring neurons as if they are raindrops. Once the information is received at the dendrites, they will be passed through the cell body, and then down the long ?ail?of the neuron, called ?xons? Axons are like electrical cables: Information received in one spot of the brain can be transmitted to a far distant place via the axons. The ends of the axons are connected to the dendrites of the other neurons. The point where the end of the previous axon meets the beginning of the next dendrite is called a ?ynapse? Each neuron is connected to several thousands of other neurons, so that the dendrites of neurons are covered with thousands of synapses. After receiving signals through these thousands of synapses, a neuron will turn ?n?if the amount of received signals is above some threshold3); below the threshold, it will remain silent.

예전에는 세상의 모든 사물과 의미에 상응하는 뉴런(또는 작은 뉴런집단)이 있을 거라고 생각했었다. 가령 할머니의 개념을 나타내는 뉴런이 있고, 사랑하는 여자친구를 나타내는 뉴런이 따로 존재할 거라는 식이었다. 그러나 이제는 1011이라는 뉴런의 숫자조차도 인간의 뇌가 평생 인식하고 기억하는 모든 사실들을 나타내기엔 역부족이라는 것이 확연히 밝혀졌다. 그 대신 더욱더 많은 실험 결과들은 감각이나 인지정보를 처리할 때 뇌의 많은 부분이 동시에 활성화된다는 사실을 밝혀내고 있다.

It was believed for some time that for each object and content in the world, there would be a single (or a small number of) neuron that will turn ?n? So for example, there would be a neuron representing the concept of ?randmother? and another one for ?ovely girlfriend? It is now clear, however, that even 1011 neurons would be insufficient to represent all the facts a human brain has to recognize and remember during her lifespan. Instead: more and more experimental results point to the fact that large areas of the brain are activated whenever we perform a sensory or cognitive task.

아주 간단한 예로 ‘보는 것’에 대해 살펴보자. 물체로부터 나온 빛이 눈의 뒤쪽 벽(망막)에 닿으면 망막의 뉴런은 활성화된다. 그러고 나서 이 정보는 긴 축색돌기를 통해 대뇌 피질, 그 중에서도 머리 뒤쪽 피질에 도달한다. 그래서 소위 ‘일차시각피질’이라 불리는 이 곳의 뉴런들은 망막이 자극될 때마다 활성화되어 ‘불이 들어오는 것’이다. 이 정보는 이후로도 뇌의 다양한 곳으로 전달되는데, 뇌의 특정 부위는 보이는 사물의 장소를 파악하는데 쓰이며(“여자친구의 얼굴은 어디 있지?”), 또 다른 부위는 사물의 특성을 파악하는데 관여하게 된다.(“무슨 색이지? 어떤 모양이지?”)

Let? take the simple example of ?eeing? if light from objects hits the back walls of your eyes (called retina), neurons in the retina will be activated. This activity is then carried through long axons to the cerebral cortex, arriving in the back part of your brain. Here, the so called ?rimary visual cortex? neurons will ?urn on? whenever the retina is stimulated. This information is then carried to a great number of other areas in the brain. Some of these areas code for the ?ocation?information of the visual object (?here is the face of your girlfriend??, while other areas are interested in the particular attribute4) of the object.(?hat color? What shape??

여기서 가장 흥미로운 점은 감각이나 인지정보를 처리할 때 뇌의 다양한 영역에 산재한 수십억 개의 뉴런들이 함께 활성화된다는 사실이다. 뉴런들은 시냅스 네트워크로 연결되어 있기 때문에, 말하자면 뇌가 감각·인지정보를 처리할 때마다 두뇌 활성화의 ‘파도’가 뇌 전체를 휩쓸고 지나가는 것이다. 이런 파도는 저마다 뇌의 다른 부위에서 발생하며 각각은 세상의 서로 다른 면들을 이해하는데 쓰인다. (어떤 색깔일까? 무슨 모양일까?)  

What is so exciting about this idea is the fact that for each perceptual5) and cognitive task, a great number of brain areas with billions of neurons are activated. And because these neurons are inter-connected through a network of synaptic connections, ?aves?of activations will travel across the brain, whenever the brain performs a perceptual or cognitive task. These waves will originate from different areas of the brain that are processing different aspect of the world.(what color? What shape?)


그렇다면 뇌의 다른 부위에서 발생한 두 개의 활성화 파도가 서로 만나서 ‘부딪치면’ 과연 어떤 일이 벌어질까? 실로 놀라운 일이 생기는데, 두 개의 활성화 파도가 만나는 지점의 시냅스 연결점들이 아주 거대한 변화를 겪게 된다. 시냅스는 고정되어 있지 않아서 그 크기와 모양은 변화무쌍하다. 이런 변화에 대한 정확한 분자 메커니즘이 아직 완전히 밝혀지지는 않았지만, 지금까지의 연구결과로 보면 시냅스에서 활성화 파도가 마주치면 그 시냅스는 더 효율적으로 변한다고 한다. 마치 두 개의 방 사이를 연결하는 난 문의 크기가 커지는 것과 같다. 문이 확대되기 전까지는 동시에 오직 한 명만이 지나다닐 수 있었지만, 문이 커지고 난 후에는 두 사람이 한꺼번에 드나들 수 있게 되는 것이다. 이것이 시냅스가 효율적이 되었다는 뜻이다. 즉, 시냅스가 효율적이 되어 더 많은 정보(사람)가 같은 시냅스(문)를 통해 유통되게 된다.

What happens if these waves of activity from two different brain areas ?it?t each other? Here, something truly extraordinary happens: synaptic connections where the activation waves meet together, undergo a dramatic change. The synapses that are connecting the axons of one neuron with the dendrite of the other neuron are not static6). The size and shape of the synapses can be changed. The exact molecular mechanisms of such changes are not fully understood, but it appears to be the case that whenever waves of neuronal activity meet at the synapses, then the corresponding synapses will become more efficient. It is like making the size of a door between two rooms larger. Before enlargement, only one person could pass through the door at the same time. After making the door larger, suddenly 2 people can walk through the same door. This is what we mean by making the synapse more ?fficient? The same thing happens at those synapses: the synapses will become more efficient, and hence more information (more ?eople? will be able to pass through the same synapse (door).

시냅스가 효율적이 된다는 사실은(‘문이 커지는 것’) 시냅스의 가소성을 의미한다. 주지하듯이 이런 시냅스의 가소성은 서로 다른 두뇌활동의 파도가 만나거나 모일 때 발현되는데, 이 때에도 조건이 있다. 그것은 두 개의 파도가 거의 동시에 시냅스에 도달하거나, 같은 파도가 같은 시냅스에 여러 번에 걸쳐 도달해야 한다는 점이다.

Whenever a synapse becomes more efficient (?oor becomes larger?, we speak of a synaptic plasticity7). Such synaptic plasticity occurs if waves of different activities meet or converge8). Here, the waves of activity have to meet certain criteria9): The waves will have to arrive either more or less simultaneously at the synapse, or the same wave has to arrive at the same synapse multiple times.

신경활동파장의 마주침으로 인해 이루어지는 시냅스의 가소성은 뇌에서 일어나는 모든 학습, 기억과 지식의 기본이 된다. 우리에게 있는 과거의 기억들은 뇌의 어느 한 군데 저장된 것이 아니다. 다만 직·간접 체험들이 시냅스들의 거대한 네트워크에 영향을 미치는 것이다. 당신의 할머니에 대한 기억은 두뇌의 수많은 영역에 산재한 10억 개의 뉴런에 형성된 1조개의 시냅스에 두루 퍼져있다. 이처럼 학습이란 단지 뇌활동 파장이 서로 만나서 이루어지는 시냅스의 효율성이 커지는 것을 의미한다.

It is now widely believed that the synaptic plasticity as the result of converging waves of neuronal activity is the basis of every learning, memory, and knowledge represented in the brain. Our memories of the things past, do not sit in singular locations of the brain. Rather, each experience, whether real or simply confabulated10), imposes11) itself on the vast network of synaptic connections. The memory of your grandmother is distributed across trillions12) of synapses sitting on billions of neurons in many scores of brain areas. And learning is simply the improvement of the efficiency of these synapses as the result of converging waves of brain activity.

 글│김대식 dskim@bu.edu , 김윤이 yoonyi01@kaist.ac.kr
김대식 박사는 독일 막스플랑크 뇌연구소에서 인지심리학 석사와 신경생물학 박사를 받았으며, 현재 미 보스턴 대학 신경생물학 교수로 재직 중이며 보스턴 의대 생물의학영상 연구소장을 맡고 있다 (
www.bumc.bu.edu/mri). 저서로는 대중뇌과학서인 <공부혁명>이 있다.
김윤이는 한국과학기술원 (KAIST) 바이오시스템 학과 (BioSystems) 학생이며 현재 뇌과학과 fMRI를 연구하고있다.

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