감마파 진동이 뇌 건강에 미치는 영향

1980년대에 fMRI가 처음 등장해서 본격적인 뇌 영상 연구가 시작되었을 때에는 주로 뇌의 어느 특정 부위가 언제 활성화되는가가 뇌과학의 관심사였습니다.
특정 뇌 부위가 특정 기능과 관련된다고 믿었기 때문이지요.
뇌과학이 점차 발전하자 이번에는 여러 부위 간의 기능적-구조적 연결성이 중요하다는 관점이 널리 확산되었습니다.
특정한 부위가 특정한 기능을 담당하는 것이 아니라, 여러 부위들이 복잡하게 얽혀있는 신경망이나 신경회로가 일정한 기능을 담당한다는 생각이 광범위하게 자리를 잡게 된 것입니다.
내면소통 책 자체도 마음근력을 mPFC(내측전전두피질)를 중심으로 한 특정한 신경망의 기능으로 보는 관점을 담고 있습니다.
그런데 최근 연구 동향에서는 뇌 부위 간의 연결이 어떤 방식의 신호로 연결되는지에도 관심을 쏟기 시작했습니다.
특정 부위들이 연결될 때 어떤 주파수의 신호로 소통하는지, 또는 감마파 등의 특정한 주파수로 연결되는 신경망이 어떤 역할을 담당하는지에 대해서 뇌과학자들이 점차 관심을 갖게 된 것입니다.

이번 강의에서는 감마파 진동이 뇌의 건강과 기능 향상에 결정적 도움을 준다는 것을 보여준 연구 결과들을 소개하고자 합니다.
뇌과학자들은 의식의 각성에 시상피질계의 40헤르츠 진동(감마파)이 기반이 된다는 사실을 주목해왔습니다.
뇌간에서 변연계를 거쳐 대뇌피질에 이르는 망상활성계가 감마파로 진동할 때 우리의 의식은 각성상태에 들어가게 됩니다.
망상활성계(reticular activating system: RAS)는 후뇌, 중간뇌, 전뇌를 연결하는 신경망으로 의식의 각성상태를 유지하는데 매우 중요한 역할을 합니다.
의식의 각성 상태는 언제는 움직임을 할 수 있도록 준비된 상태입니다.
고유감각 훈련은 이러한 의미에서 진정 의식을 "깨어있도록" 하고 움직임을 준비시켜주는 훈련입니다.
움직임 명상은 고유감각 훈련의 대표적인 형태라 할 수 있습니다.

(출처: 내면소통 489 - 502)
지나스에 따르면 포유류 중추신경계의 일부 신경세포는 자동리듬의 전기적 진동을 가능하게 하는 특성을 지니고 있다.
시냅스 연결망을 통해서신경세포들은 진동의 네트워크를 만들어낸다.
이러한 진동의 네트워크에서 신경세포들은 페이스메이커로서 특정한 리듬의 진동을 만들어내기도 하고 특정한 진동에 반응하기도 한다.
이러한 진동과 공명은 다양한 기능과 연관되어 있다.
특정한 상태(수면, 각성, 혹은 특정한 주의집중)를 결정하기도 하고, 운동 조절에 관여하기도 하며, 자주 사용하는 신경망을 강화하는 신경가소성과도 관련이 있다.
특히 시상과 대뇌피질 사이의 회로에서 발생하는 진동의 교란은 정신질환과도 관련성이 있을 것으로 본다.
이러한 관점에서 보자면, 뇌의 기능은 어느 부위가 활성화되는가, 또는 어느 부위가 어떻게 연결되는가 하는 것보다, 어떤 주파수로 진동을 주고받는가에 의해 더 많이 결정된다.
다시 말해 뇌의 같은 부위가 활성화된다 해도 그 부위들의 진동 주파수가 달라짐에 따라 뇌는 다양한 기능을 발휘하게 된다.

인간의 뇌는 외부자극에 대해 수동적인 반응만 하는 게 아니라 다양한 방법으로 능동적으로 반응할 수 있는 능력을 갖추고 있다.
외부 환경에 대해 주관적인 해석을 하는 내적 맥락을 만들어낼 수 있는 셈인데, 이러한 능력은 중추신경계가 자발적으로 특정 주파수의 진동을 만들어낼 수 있다는 사실에서 기인한다.
의식은 외부로부터 주어지는 감각정보에 대한 반응으로서 구성된다기보다는 오히려 내적모델에 의해 만들어지는 자기완결적 시스템이다.
의식에 대한 전통적 관점은 의식의 본질을 외부로부터 주어지는 여러 감각정보를 처리하기 위한 수동적인 장치로 파악하는 것이었다.
지나스는 이러한 전통적인 관점을 단호히 비판한다.
의식은 근본적으로 ‘닫힌 루프’다.
외부자극 없이도 얼마든지 다양한 기능을 내재적으로 구성해낼 수 있으며 시공간적인 매핑까지 해낼 수 있는 기능을 지닌다.
뇌는 프리스턴식으로 말하자면 능동적 추론을 해내는 기관이며, 봄(Bohm)식으로 말하자면 생성질서를 만들어내는 기관이다.
마코프 블랭킷 모델의 관점에서 보자면, 우리 의식이 깨어 있다는 의미는 뇌가 활발하게 내적모델을 외부세계에 투사하고 있다는 뜻이다.
이때가 바로 시상을 중심으로 하는 망상활성계가 40헤르츠로 진동하는 때다.
잠을 자는 동안에도 인간의 뇌는 40헤르츠로 진동할 수 있는데, 이때가 바로 꿈을 꾸는 상태다.
지나스에 따르면 깨어 있는 상태나 꿈을 꾸는 상태나 모두 동일하게 ‘의식이 깨어 있는 상태’다.
따라서 뇌의 작동방식이라는 관점에서 보자면 꿈과 현실은 동일한 상태다.
의식의 관점에서 보자면 인간은 경험하는 환경에 대해 적극적으로 추론함으로써 깨어 있는 동안뿐 아니라 꿈꾸는 동안에도 대상을 실체로서 경험한다.

우리 뇌는 크게 깨어 있는 각성(wakefulness)상태, 깊이 잠든 수면상태(델타파 등 느린 뇌파를 보이는 깊은 수면), 꿈꾸는 상태(렘수면) 등 세 가지 상태를 오간다.
이러한 세 가지 상태는 망상활성계에 의해서 결정된다.
대부분 마취제는 망상활성계를 억제함으로써 혼수상태에 빠지게 한다.
뇌간 등 뇌의 아랫부분에서 시상을 거쳐 대뇌피질 쪽으로 올라가는 상향망상활성계는 대뇌피질 전체를 활성화함으로써 잠에서 깨게 한다.
이때 주로 작동하는 신경회로는 노르아드레날린이나 도파민에 반응하는 신경망이고, 망상활성계는 40헤르츠 전후의 감마파 진동을 보인다.

차이 교수팀은 또한 소리 자극을 통해 쥐의 청각피질과 해마체에 40헤르츠의 감마파 진동을 일으키는 실험도 진행했다.
일주일간 소리 자극을 받은 쥐들은 공간기억과 인지기억 능력이 향상되었다.
또 아밀로이드베타 농도가 낮아졌으며, 최근 치매의 지표로 여겨지고 있는 인산화된 타우단백질의 농도 역시 낮아졌다.

쥐를 대상으로 한 실험에서처럼 살아 있는 인간의 뇌에 직접 40헤르츠의 전기자극을 주거나 빛을 쏘이거나 할 수는 없다.
멀쩡한 사람의 뇌에 구멍을 뚫어 깊은 곳에 광섬유를 박아 넣는 것은 상상하기 어렵다.
그렇기에 신경세포 수용체에 유전자 조작을 하고 직접 빛 자극을 주는 옵토제네틱스 실험들은 쥐나 원숭이 등의 동물을 대상으로 할 수밖에 없다.
다행히 이렇게 직접적인 방법을 사용하지 않고도 인간의 뇌에 감마파 진동과 동기화를 강화하는 방법이 있다.
바로 명상이다.

뇌파란 무엇인가?
뇌파는 두뇌의 신경세포들이 활동할 때 발생하는 전기신호다. 흔히 뇌전도(electroencephalogram: EEG)라고 불린다. 인간의 뇌는 약 1000억 개 정도의 신경세포로 이뤄졌는데, 각 신경세포가 정보를 전달할 때는 축삭돌기를 통해 전류를 흘려보낸다. 전기신호가 축삭돌기 말단에 도달하면 단백질로 이루어진 다양한 종류의 신경전달물질을 쏟아내고 그 신경전달물질에 반응한 다음 신경세포가 다시 전기신호를 만들어내 축삭돌기를 통해 흘려보낸다. 그리고 이것을 반복한다. 이것이 신경세포가 ‘활성화’된다는 뜻이다. 하나의 신경세포가 한 번 전기신호를 발생시키고 나서 또다시 발생시키는 것을 한 주기라고 하고, 이러한 주기적 전기신호를 측정해내는 것이 곧 뇌파다.

전기신호의 파동 주기는 보통 헤르츠(Hz)로 나타낸다. 1초에 1번 움직이는 파동을 1헤르츠라고 한다. 만약 1초에 10번 신경세포가 전기신호를 발산한다면 그것은 10헤르츠의 주기를 갖는 것이 된다. 각 채널이 나타내는 주파수가 대략 어느 정도 범위인가 혹은 어느 범위의 주파수가 많이 나타나는가에 따라 편의상 델타파(4Hz 미만), 세타파(4~7Hz), 알파파(8~12Hz), 베타파(13~25Hz), 감마파(30Hz 이상)의 다섯 가지 뇌파로 분류된다. 이러한 구분은 어디까지나 대략적인 것이다. 특정한 채널에서 알파파의 특성이 나타난다고 해서 계속 10헤르츠 내외에서 움직이는 법은 없다. 더 빨라지기도 하고 느려지기도 하는데, 일정한 시간 동안 평균적으로 10헤르츠 내외가 많이 나타나면 그 채널에서 잡히는 신호는 알파파라 보는 것이다. 주파수 분류도 가지각색이다. 감마파를 25헤르츠 이상으로 보는 사람도 있고 30헤르츠 이상으로 보는 사람도 있다. 아무튼 40헤르츠 내외라면 감마파라 할 수 있다.
정상인이 일상생활을 할 때 보이는 주파수는 알파파나 베타파다. 어떤 대상에 긴장해서 의식을 집중하거나 집중적으로 일을 처리할 때에는 베타파가 많이 나타나지만, 편안하게 이완하거나 차분해지면 알파파가 많이 나타난다. 명상 상태에서 평정심을 유지할 때도 알파파가 많이 나타난다. 한 가지 주의할 점은 마음이 차분해졌을 때 상대적으로 알파파가 많이 나타나는 것은 사실이지만, 어떤 사람의 뇌파에서 알파파가 많이 나타난다고 해서 그 사람이 지금 차분한 마음 상태라고 속단해서는 안 된다는 것이다. 알파파보다 더 느린 세타파는 더 긴장이 이완되고 잠이들 때 나타난다.
한편 꿈도 꾸지 않는 깊은 수면 상태에서 나타나는 뇌파는 파동이 훨씬 더 느려진다. 이때 2~3헤르츠 미만으로 나타나는 델타파는 특이하게도 뇌의 거의 전 영역에 걸쳐서 동시적으로 나타난다. 느려지지만 동시에 신호가 동기화되어서 측정되는 신호의 크기(amplitude)는 커진다. 비유적으로 말하자면, 실내 경기장 관중이 동시에 천천히 일제히 박수를 치기 시작해서 커다란 박수 소리가 나는 상황이라 할 수 있다. 실제 경기장에서 관중이 동시에 박수를 치는 것은 별로 신기한 일이 아니다. 치어리더 손짓에 맞추든지 아니면 다른 사람의 박수 소리를 듣고 따라 하면 되기 때문이다. 그러나 두개골에 들어 있는 신경세포는 바로 인접한 신경세포들의 박수 소리(활성화 정보)만 알 수 있다. 이러한 상황에서 전체 신경세포에 명령을 내리는 치어리더나 컨트롤타워도 없는데 어떻게 수백억 개의 신경세포들이 동시성(synchronicity)을 이뤄낼 수 있는지는 정말 수학적으로도 풀기 어려운 신비로운 일이라 할 수 있다.

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