기억 형성과 뇌가소성의 역동적 관계: 해마를 중심으로

기억은 인간 인지 기능의 핵심이며, 학습·의사결정·정체성 형성에 이르기까지 전반적인 삶의 질을 좌우하는 복합적 뇌 기능이다. 이처럼 고차원적인 기억은 단순한 정보 저장이 아닌, 신경세포 간의 동적 재배치와 회로 적응이라는 생물학적 기전 위에 기반을 둔다. 이때 핵심적인 역할을 수행하는 것이 바로 뇌가소성(neuroplasticity)이며, 특히 기억을 중추적으로 담당하는 해마(hippocampus)는 이 가소성 메커니즘이 가장 뚜렷하게 작동하는 영역이다. 뇌가소성은 경험과 자극에 따라 시냅스의 강도를 조절하거나 새로운 신경망을 형성함으로써, 기억의 저장, 강화, 수정, 망각이라는 일련의 과정을 유기적으로 가능하게 한다. 이 글에서는 기억이 어떻게 해마의 신경가소성을 통해 형성되고 유지되며, 나아가 장기적 변형으로 이어지는지를 신경과학의 최신 이론을 중심으로 살펴본다.

 

해마의 시냅스 가소성과 기억 암호화

기억은 단순히 ‘뇌 어딘가에 저장되는 정보’가 아니다. 신경과학에서는 기억을 정보에 대한 신경 회로의 지속적인 변화로 본다. 특히 해마는 단기 기억의 처리 및 인코딩 과정에 핵심적인 역할을 하며, 시냅스 수준에서 이와 관련된 가소성이 매우 역동적으로 나타난다. 대표적인 메커니즘으로는 장기 강화(long-term potentiation, LTP)와 장기 억제(long-term depression, LTD)가 있다.

LTP는 특정 시냅스가 반복 자극을 받을 때 해당 연결의 전도 효율이 향상되는 현상으로, 해마의 CA1 및 CA3 영역에서 주로 관찰된다. 이 과정에서는 NMDA 수용체의 활성화, Ca2+ 유입, 그리고 AMPA 수용체의 재배치와 단백질 합성이 연쇄적으로 일어난다. 이러한 분자 수준의 변화는 시냅스의 구조 자체를 강화함으로써, 입력된 정보가 ‘기억’으로 전환되는 생물학적 기반을 제공한다. 반대로 LTD는 불필요하거나 약화된 정보에 대한 연결을 제거하는 메커니즘으로, 기억의 선택적 저장과 잊힘에 기여한다. 이처럼 해마 내의 시냅스 가소성은 기억의 정확성, 선별성, 장기 저장 가능성을 결정짓는 핵심 요소이다.

단기 기억과 장기 기억의 회로 이행

단기 기억은 해마에서 일차적으로 인코딩되고 저장되지만, 시간이 지남에 따라 전전두엽, 측두엽 등의 대뇌 피질로 이전(consolidation)되어 장기 기억으로 정착한다. 이 과정은 시스템 수준의 뇌가소성이 작동하는 대표적인 예다. 즉, 시냅스 수준의 변화뿐만 아니라 뇌 영역 간 연결성의 재구성이 동시에 일어나는 것이다.

이러한 전이 과정은 수면, 반복 학습, 감정의 개입 등에 따라 촉진되거나 억제될 수 있다. 특히 수면 중에는 해마와 피질 간 신경 발화 패턴의 ‘재연(replay)’이 일어나며, 이는 초기 기억 회로를 강화하고 피질 네트워크에 통합시키는 데 결정적인 역할을 한다. PET 및 fMRI 연구에서도 학습 직후보다 수면 후에 전두엽 및 측두엽의 활성도가 증가한 것으로 나타나며, 이는 장기 기억으로의 전이가 이뤄졌음을 뒷받침한다. 요컨대, 기억은 고정된 저장이 아니라 동적인 전이와 재구성의 산물이며, 이 과정 전반에 뇌가소성이 작동하고 있다는 점에서 해마의 중요성은 대단히 크다.

감정과 뇌가소성: 편도체와 해마의 상호작용

기억 형성과정에서 감정은 단순한 배경 요인이 아니다. 강한 감정적 자극은 해마의 시냅스 가소성을 증폭시키고, 이를 통해 정보가 더욱 선명하고 오래 기억된다. 이는 편도체(amygdala)와 해마 간의 기능적 상호작용을 통해 설명된다. 편도체는 공포, 불안, 기쁨 등의 감정 정보를 처리하는 구조로, 감정적으로 유의미한 자극이 주어졌을 때 해마의 LTP가 촉진된다는 연구 결과가 다수 존재한다.

예컨대 생존과 관련된 위험한 상황에서의 경험은 해마 회로에서 강력한 시냅스 강화가 유도되며, 이는 트라우마 기억의 장기 저장으로 이어질 수 있다. 이와 같은 감정 기반 기억은 뇌의 생존 전략의 일환으로, 유사한 위협 상황에서 빠른 대처를 가능하게 한다. 그러나 반대로 PTSD 환자처럼 감정 자극이 과도하게 해마 회로를 자극할 경우, 기억이 병리적으로 고정되고 왜곡될 수도 있다. 이처럼 감정과 기억, 뇌가소성은 상호 밀접하게 연결되어 있으며, 특히 편도체와 해마의 협조적 작용은 기억 강화 및 변형에 있어 결정적인 촉매제 역할을 한다.

인지 훈련과 해마의 회복적 가소성

기억력은 노화, 스트레스, 수면 부족, 신경퇴행성 질환 등의 영향으로 점차 저하될 수 있다. 그러나 해마는 성인기 이후에도 신경 생성(neurogenesis)이 가능한 몇 안 되는 뇌 영역 중 하나이며, 이를 통해 회복적 뇌가소성이 가능하다는 점에서 주목받고 있다. 특히 인지 훈련, 신체 운동, 명상, 음악 감상 등은 해마 내 신경 생성과 시냅스 강화에 긍정적인 영향을 준다.

예를 들어, 하루 30분의 유산소 운동을 3개월간 지속한 실험군에서 해마 부피의 증가와 기억력 향상이 동시에 보고된 바 있으며, 이는 BDNF의 증가 및 혈류 개선과도 연관된다. 또, 언어 암기 과제나 공간 기억 훈련은 해마의 활성 패턴을 변화시켜 시냅스 가소성을 촉진하는 데 기여한다. 이처럼 환경 자극과 행동 개입을 통해 해마 회로를 재조직할 수 있다는 사실은, 학습 효율 향상은 물론, 경도 인지 장애(MCI)나 알츠하이머병 초기 환자에게도 유용한 비약물적 개입 전략이 될 수 있다. 결국 기억은 고정된 능력이 아니라, 계속해서 재설계되고 보강될 수 있는 생물학적 과정이며, 이 점에서 뇌가소성은 가장 중요한 이론적 도구라 할 수 있다.