[국내논문]노화 관련 뇌인지 변화와 운동의 긍정적 영향: 인지신경과학적 연구 개관 Age-related neurocognitive changes and exercise-induced benefits: A review of cognitive neuroscientific research원문보기
한국 사회에서 고령 인구가 지속적으로 증가하고 있는 추세에 발맞추어 본 논문은 노화과정에서 일어나는 뇌의 구조, 기능적 변화 및 인지 기능의 저하를 살펴보고, 고령화 대처의 한 방안으로 제안되고 있는 운동의 효과에 관하여 인지신경과학적 연구를 중심으로 개관하였다. 정상 노화 과정에서 일어나는 뇌의 변화는 전전두엽과 측두엽(해마 포함)의 부피변화와 함께 인지 과제 수행 시 과잉활성화와 같은 현상들이다. 이러한 뇌의 변화와 함께 인지 기능의 저하도 관찰되는데 주로 억제 및 기억 기능의 저하가 노화를 특징짓는 인지기능의 변화로 알려져 왔다. 이와 같은 노화 관련 뇌인지의 퇴행적 변화에 대응할 수 있는 보호적 요인 중 하나가 운동이다. 실제 노인을 대상으로 장기간 운동 프로그램을 실시한 연구 결과들은 참가 노인들의 전두엽과 측두엽, 특히 해마의 위축이 개선되고 억제와 기억 기능 역시 향상되었음을 보고하였다. 이러한 결과는 뇌세포 단위에서의 변화로부터 시작하여 노화하는 뇌 역시 변화할 수 있고, 운동이 이러한 긍정적인 변화를 유도할 수 있음을 보여준다.
한국 사회에서 고령 인구가 지속적으로 증가하고 있는 추세에 발맞추어 본 논문은 노화과정에서 일어나는 뇌의 구조, 기능적 변화 및 인지 기능의 저하를 살펴보고, 고령화 대처의 한 방안으로 제안되고 있는 운동의 효과에 관하여 인지신경과학적 연구를 중심으로 개관하였다. 정상 노화 과정에서 일어나는 뇌의 변화는 전전두엽과 측두엽(해마 포함)의 부피변화와 함께 인지 과제 수행 시 과잉활성화와 같은 현상들이다. 이러한 뇌의 변화와 함께 인지 기능의 저하도 관찰되는데 주로 억제 및 기억 기능의 저하가 노화를 특징짓는 인지기능의 변화로 알려져 왔다. 이와 같은 노화 관련 뇌인지의 퇴행적 변화에 대응할 수 있는 보호적 요인 중 하나가 운동이다. 실제 노인을 대상으로 장기간 운동 프로그램을 실시한 연구 결과들은 참가 노인들의 전두엽과 측두엽, 특히 해마의 위축이 개선되고 억제와 기억 기능 역시 향상되었음을 보고하였다. 이러한 결과는 뇌세포 단위에서의 변화로부터 시작하여 노화하는 뇌 역시 변화할 수 있고, 운동이 이러한 긍정적인 변화를 유도할 수 있음을 보여준다.
The elderly population continues to increase in Korea and there has been a growing interest in understanding normal aging. In response to this public interest, the present paper reviewed human aging research focusing on recently published neuroimaging studies. For the first half of the paper, I revi...
The elderly population continues to increase in Korea and there has been a growing interest in understanding normal aging. In response to this public interest, the present paper reviewed human aging research focusing on recently published neuroimaging studies. For the first half of the paper, I reviewed the effects of aging on the brain and cognition. In normal aging, structural changes in the brain include atrophy and volume reduction in the prefrontal and temporal cortices. Functional changes are exhibited in the form of overactivation of the brain. Moreover, age-related cognitive decline is particularly observed in inhibition and memory, which are also associated with the age-related structural changes in the brain. For the second half of the paper, I introduced physical exercise studies showing that exercise played a protective role in the age-related neurocognitive decline. More specifically, engaging in physical exercise (particularly, aerobic exercise) for a relatively long period of time (e. g., > 6 mon.) protected older adults from volume loss in the prefrontal cortex and the hippocampus, and induced better inhibition and memory. These exercise-induced benefits appear to be associated with changes in neuronal levels, indicating that the aging brain is still plastic and this plasticity can be enhanced by physical exercise.
The elderly population continues to increase in Korea and there has been a growing interest in understanding normal aging. In response to this public interest, the present paper reviewed human aging research focusing on recently published neuroimaging studies. For the first half of the paper, I reviewed the effects of aging on the brain and cognition. In normal aging, structural changes in the brain include atrophy and volume reduction in the prefrontal and temporal cortices. Functional changes are exhibited in the form of overactivation of the brain. Moreover, age-related cognitive decline is particularly observed in inhibition and memory, which are also associated with the age-related structural changes in the brain. For the second half of the paper, I introduced physical exercise studies showing that exercise played a protective role in the age-related neurocognitive decline. More specifically, engaging in physical exercise (particularly, aerobic exercise) for a relatively long period of time (e. g., > 6 mon.) protected older adults from volume loss in the prefrontal cortex and the hippocampus, and induced better inhibition and memory. These exercise-induced benefits appear to be associated with changes in neuronal levels, indicating that the aging brain is still plastic and this plasticity can be enhanced by physical exercise.
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문제 정의
p>한국 사회에서 고령 인구가 지속적으로 증가하고 있는 추세에 발맞추어 본 논문은 노화 과정에서 일어나는 뇌의 구조, 기능적 변화 및 인지 기능의 저하를 살펴보고, 고령화 대처의 한 방안으로 제안되고 있는 운동의 효과에 관하여 인지신경과학적 연구를 중심으로 개관하였다. 정상 노화 과정에서 일어나는 뇌의 변화는 전전두엽과 측두엽(해마 포함)의 부피 변화와 함께 인지 과제 수행 시 과잉활성화와 같은 현상들이다.
따라서 요즘에는 개인의 건강관리를 위해 규칙적인 운동을 하는 노인들을 주변에서 쉽게 찾아 볼 수 있다. 노인들이 규칙적인 운동을 함으로써 얻게 되는 이점들에는 여러 가지가 있겠으나, 본 논문에서는 신체 건강관리를 위해 실천하는 운동이 그들의 뇌인지 기능에 어떤 긍정적 영향을 미칠 수 있는지에 관하여 집중적으로 소개하고자 한다. 노화에 수반하는 여러 인지, 신경학적 변화에 대해서는 이미 타 논문에서 자세하게 다뤄진 바 있기 때문에(예, [2, 3]), 본 논문에서는 운동 효과와 밀접한 관련이 있는, 그러나 동시에 노화에 취약하기도 한 뇌 구조와 기능, 그리고 이와 관련된 인지 변화들을 선별하여 정리한 후 노인들을 대상으로 한 운동 효과 연구들을 소개하고자 한다.
노인들이 규칙적인 운동을 함으로써 얻게 되는 이점들에는 여러 가지가 있겠으나, 본 논문에서는 신체 건강관리를 위해 실천하는 운동이 그들의 뇌인지 기능에 어떤 긍정적 영향을 미칠 수 있는지에 관하여 집중적으로 소개하고자 한다. 노화에 수반하는 여러 인지, 신경학적 변화에 대해서는 이미 타 논문에서 자세하게 다뤄진 바 있기 때문에(예, [2, 3]), 본 논문에서는 운동 효과와 밀접한 관련이 있는, 그러나 동시에 노화에 취약하기도 한 뇌 구조와 기능, 그리고 이와 관련된 인지 변화들을 선별하여 정리한 후 노인들을 대상으로 한 운동 효과 연구들을 소개하고자 한다.
과거에는 뇌손상 환자가 아닌 정상인을 대상으로 뇌를 연구하기가 어려웠다. 그러므로 인간의 뇌를 이해하기 위해 행동신경과학 분야에서 행해진 동물 실험 결과들을 바탕으로 인간의 뇌 활동과 기능을 유추하였다. 그러나 기능적 자기공명 영상법(functional magnetic resonance imaging, 이하 fMRI), 양전자 방출 단층 촬영술(positron emission tomography, 이하 PET), 사건관련전위(event-related potential, 이하 ERP)와 같은 뇌영상법이 발달하면서 정상인을 대상으로 그들의 뇌 구조와 활동에 대한 연구가 가능하게 되었다.
이러한 인지신경과학적 연구 방법의 발달에 힘입어 이전 동물 연구에서 밝혀진 결과들을 재확인하기도 하고, 동물 연구에서는 불가능했던 방식의 연구들을 실시하게 되었다. 따라서 본 논문은 인간의 노화 관련 뇌 구조, 기능 변화에 대해 소개하고 이와 관련된 인지 변화 그리고 이러한 뇌인지적 변화와 맞물려 운동에서 얻는 이득에 관하여 최근 10여 년간 발표된 인지신경과학적 노화 연구를 중심으로 개관하였다.
즉 운동의 개별성, 경제성, 간편성 등을 감안할 때 이것이 노화에 주는 효과를 집중적으로 조명해 볼 필요가 있다. 이 두 가지 이유로, 저자는 노화와 관련하여 운동에서 얻는 이점을 앞서 논의한 뇌인지적 변화와 연계하여 지난 10여 년간 보고된 인지신경과학적 연구 성과들을 모아 정리하고자 한다.
지속적인 운동이 위축되는 뇌의 구조적 향상과 더불어 인지 기능에도 긍정적인 효과를 불러 올 수 있다는 사실을 살펴보았다. 이 고무적인 결과는 곧 운동이 뇌의 가소성(plasticity)을 증진시킨다는 점을 지적하는 것인데, 그렇다면 유산소 운동이 왜 이러한 효과를 가져 올 수 있는 것인가? 이 질문에 답하기 위해서는 신경계의 기본 단위인 뉴런 수준에서의 변화에 주목할 필요가 있다.
이 일련의 결과들은 테스토스테론으로 유도된 혈관발생이 BDNF의 증가에 의해 뉴런발생으로 이어졌음을 보여준다. 지금까지 소개된 인간 대상의 운동 효과도 운동이 혈관계의 긍정적 변화를 유도하고 신경영양인자 증가를 매개로하는 신경계의 긍정적 변화로 이어지는 일련의 생물학적 변화를 야기하기 때문에 나타난 것이 아닌가 추측해 본다.
그림 1에 요약되어 있듯이, 저자는 본 논문을 통해서 정상 노화와 관련되어 퇴행적으로 나타나는 뇌의 구조적, 기능적 변화, 그리고 이 변화와 관련된 인지 기능의 쇠퇴에 대하여 소개하였다. 나아가 이러한 노화 과정을 극복할 수 있는 하나의 대응책으로 운동의 효과에 대해서도 살펴보았다.
그림 1에 요약되어 있듯이, 저자는 본 논문을 통해서 정상 노화와 관련되어 퇴행적으로 나타나는 뇌의 구조적, 기능적 변화, 그리고 이 변화와 관련된 인지 기능의 쇠퇴에 대하여 소개하였다. 나아가 이러한 노화 과정을 극복할 수 있는 하나의 대응책으로 운동의 효과에 대해서도 살펴보았다. 구체적으로, 노화 과정에서 전두엽과 측두엽은 위축되고 그 활성화에 있어서도 과잉활성화와 같은 특이 반응 양식이 나타나기도 한다.
연령 증가에 대한 개인적 대책 마련과 함께 사회적 대책 마련이 필요한 이 시점에서 삶의 질을 고려하고 성공적인 노화를 위해서 노화의 생물학적 변화뿐만 아니라 인지신경과학적 변화에 대한 이해 역시 필요하다. 이런 취지에서, 본 논문은 성공적 노화, 나아가 삶의 질을 향상시키기 위해 우리 스스로가 어떤 노력을 기울일 수 있는지에 관한 방안을 제시하는 인지신경과학적 연구의 좋은 사례를 제공한다.
제안 방법
시작에 앞서 본 논문 구성에 중점이 되었던 사항들을 밝히면 다음과 같다. 첫째, 임상적 문제없이 정상 노화 과정에 있는 노인들에게서 관찰되는 뇌와 인지 기능의 변화를 정리하였다. 둘째, 행동 자료를 넘어 뇌의 해부적, 기능적 활동의 변화를 보여주는 연구들을 개관하되 동물이 아닌 사람을 대상으로 한 연구들만을 모아 정리하였다.
첫째, 임상적 문제없이 정상 노화 과정에 있는 노인들에게서 관찰되는 뇌와 인지 기능의 변화를 정리하였다. 둘째, 행동 자료를 넘어 뇌의 해부적, 기능적 활동의 변화를 보여주는 연구들을 개관하되 동물이 아닌 사람을 대상으로 한 연구들만을 모아 정리하였다. 과거에는 뇌손상 환자가 아닌 정상인을 대상으로 뇌를 연구하기가 어려웠다.
이러한 하향세가 두드러지는 부분은 인지 처리의 속도, 억제, 작업 기억과 같은 집행적 통제 기능, 그리고 장기 기억 능력이다[18, 19, 29-36]. 노화에 수반하는 광범위한 뇌인지적 변화에 대해서는 박태진[2], 정혜선[3] 등의 논문에서 이미 자세하게 다뤘기 때문에, 여기에서는 앞서 소개했던 노화에 취약한 뇌 구조, 기능과 관련하여 자주 논의되는 인지 변화만을 추출하여, 그 인지 기능의 저하와 이에 수반되어 나타나는 뇌반응을 중심으로 간략히 정리하였다.
Fabiani 등[30]은 실험 참가자 자신이 선택한 책을 실험실에서 읽도록 하고 그 시간 동안 이들에게 반복적인 소리 자극을 제시하여 ERP가 각 소리 제시 때마다 어떻게 나타나는지 관찰하였다. 특히 소리 자극 제시 후 100ms 이내에 나타나는 N100의 진폭에 초점을 두어 ERP 반응을 관찰하였다. 그 결과, 청년 참가자들은 같은 소리가 반복 제시되면서 N100가 감소한 반면, 노인 참가자들(65세 이상)은 반복되는 소리에도 N100가 가장 처음에 제시되었을 때와 비슷한 진폭으로 지속적인 반응을 보인다는 사실을 발견하였다.
지금까지 연령 증가에 따른 뇌인지의 퇴행적 변화들을 살펴보았다. 그렇다면 이런 변화들을 극복하기 위해 어떤 일들을 할 수 있는가? 뇌인지 기능 저하의 속도를 늦추고 그 심각성을 완화시켜 줄 수 있는 것들로 몇 가지(예, 운동, 인지 구성 요소 훈련, 생활 스타일에 대한 접근)가 대두되어 왔다.
그러므로 기존의 많은 연구들은 개인의 심폐기능을 측정한 후 그 수치에 따라 신체적 건강(fitness) 지수가 높은 집단과 낮은 집단으로 나눠 비교하는 횡단적 연구 방식을 채택해왔다(예, [42, 43]). 보통 VO2로 나타내는 최대 산소 섭취량(maximal oxygen uptake)을 신체적 건강 상태를 나타내는 기준으로 삼아 VO2 수치가 높은 집단을 상위 건강 집단으로 VO2 수치가 낮은 집단을 하위 건강 집단으로 나누어 연구해왔다. 그러나 몇몇 연구자들이 장기적 운동 프로그램을 실시하기 시작하면서 그 효과에 대한 종합적인 평가가 시작된 것이다[44-47].
Colcombe 등[44]은 60-79세 노인들을 대상으로 빨리 걷기 유산소 운동과 근육단련 비유산소 운동 두 집단으로 나누어 6개월간 실시하였다. 두 집단 모두 일주일에 1시간씩 세 번 전문 훈련가의 도움을 받아 운동하였다. 유산소 운동 참가자들은 빨리 걷기 훈련을 통하여 심장 박동 예비력(heart rate reserve)을 점차 증가시켰고, 비유산소 운동 참가자들은 근육을 긴장시키거나(toning) 신장시키는(stretching) 훈련으로 유연성을 증가시켰다.
유산소 운동 참가자들은 빨리 걷기 훈련을 통하여 심장 박동 예비력(heart rate reserve)을 점차 증가시켰고, 비유산소 운동 참가자들은 근육을 긴장시키거나(toning) 신장시키는(stretching) 훈련으로 유연성을 증가시켰다. 운동 전과 후의 뇌 구조 변화는 MRI를 이용한 형태 계측술을 통해서 분석하였다. 운동 시작 6개월 후 유산소 운동 집단이 고무적인 운동 효과를 보였는데, 구체적으로 전측 백질에서의 부피 증가뿐만 아니라 전측 대상회, 보조 운동 영역(supplementary motor cortex), 우측 하전두회(inferior frontal gyrus)와 같은 전두엽 영역의 백질에서 비유산소 운동 집단과 비교하여 유의미한 부피 증가를 보였다.
Erickson 등[45]은 유산소 운동이 해마에도 구조적 변화를 일으킨다는 사실을 발견하였다. 평균 연령 66세의 노인 참가자들을 대상으로 유산소 운동과 비유산소 운동 집단으로 나눠 Colcombe 등[44]의 훈련과 비슷한 방식으로 1년 동안 프로그램을 실시하였다. 운동 처치 전, 처치 시작 6개월, 처치 종료 후로 나누어 MRI를 이용한 해마 부피 측정을 하였다.
평균 연령 66세의 노인 참가자들을 대상으로 유산소 운동과 비유산소 운동 집단으로 나눠 Colcombe 등[44]의 훈련과 비슷한 방식으로 1년 동안 프로그램을 실시하였다. 운동 처치 전, 처치 시작 6개월, 처치 종료 후로 나누어 MRI를 이용한 해마 부피 측정을 하였다. 결과는 비유산소 운동 참가 노인들의 전측 해마 부피가 운동 전 수준에 비하여 오히려 감소한데 반해, 유산소 운동에 참가한 노인들의 전측 해마 부피는 운동 전과 비교하여 6개월, 1년에 걸쳐 지속적으로 증가한 것으로 나타났다.
뇌의 구조적 측면에서의 향상은 기능적 측면에서의 향상과도 그 맥을 같이 하고 있듯이 위에 소개한 Colcombe 등[44]의 유산소 운동 프로그램 실시는 뇌의 기능적 변화도 함께 가져왔다[46]. 이들은 플랭커 과제를 이용하여 컴퓨터 모니터 한가운데에 제시되는 화살표에 대한 반응이 그 양 옆에 제시되는 자극들에 의해서 방해 받는 정도를 운동 프로그램 실시 전과 후로 나누어 비교하였다. 반응 속도에서 유산소 운동 집단이 운동 전과 비교하여 방해받는 정도가 유의미하게 저하되었으나 비유산소 운동 집단은 유의미한 저하를 보이지 않았다.
성능/효과
이 방법을 이용한 연구 역시 후측에서 전측으로 갈수록 뇌량의 통합성이 떨어지고, 전두엽의 백질 특히 복내측(ventromedial)의 통합성이 크게 떨어진다고 보고하였다[10]. 이상의 연구 결과들은 노화 과정에서 전측 부위가 후측 부위보다 더 부정적으로 영향을 받는다는 것을 일관되게 지적해 주고 있다.
Cabeza 등[14]은 PET을 이용하여 단어 회상시 노인 참가자들(평균 나이 70세)이 청년 참가자들(평균 나이 26세)과 비교하여 뇌의 활성화가 어떻게 나타나는지 관찰하였다. 그 결과 청년 참가자들은 우측 전전두엽 영역에서 활성화를 보인 반면, 노인 참가자들은 이 영역뿐만 아니라 이에 상응하는 좌측 영역에서도 활성화를 보였다. 이러한 양측 반구의 활성화는 실험 과제의 특정성보다는 노인들에게서 일반적으로 나타나는 뇌 반응인 것으로 추측되고 있는데 이 이유에 관하여 보상(compensation)이나 탈차별화(dedifferentiation)와 같은 이론이 제안되어 왔다[15, 17-24].
한 예로, Scheneider-Garces 등[19]은 기억의 부하량을 2부터 6까지 늘리면서 노인 참가자들의 뇌의 활성화 정도가 청년 참가자의 활성화 패턴과 어떤 차이가 있는지 연구하였다. CRUNCH 모형에서 예측하듯이, 작업 기억의 부하량이 4, 5, 6으로 증가할 때 청년 참가자들이 보인 뇌 활성화가, 부하량 2, 3, 4로 증가할 때 노인 참가자들이 보인 활성화와 비슷한 양상으로 나타났다. 이는 곧 부하량 2, 3, 4, 조건에서 노인 피험자들의 과도한 신경적 자원 수집이 일어났고 이러한 패턴의 뇌 활동은 비효율적인 보상적 활성화로 간주된다.
특히 소리 자극 제시 후 100ms 이내에 나타나는 N100의 진폭에 초점을 두어 ERP 반응을 관찰하였다. 그 결과, 청년 참가자들은 같은 소리가 반복 제시되면서 N100가 감소한 반면, 노인 참가자들(65세 이상)은 반복되는 소리에도 N100가 가장 처음에 제시되었을 때와 비슷한 진폭으로 지속적인 반응을 보인다는 사실을 발견하였다. 이 실험에서 제시되었던 소리는 실험 과제인 책 읽기와 아무 관계가 없으므로 소리에 대한 반응을 억제하는 것이 과제 수행에 도움이 되는 것이다.
이 연구의 참가자들은 부호화 시간 동안 제시되는 그림이나 글자가 생물인지 무생물인지를 판단하였고, 인출 과제로 제시되는 자극이 이전에 제시되었던 것인지 아닌지를 재인하였다. 나이에 따른 차이를 비교한 결과, 청년 집단은 기억 자극 부호화시 해마의 활성화가 복측(ventral) 전전두엽과 선조외피질(extrastriate) 영역에서의 활성화와 관계가 있는 반면, 노인 집단은 배측(dorsal) 전전두엽과 두정엽 영역에서의 활성화와 관계가 있는 것으로 나타났다. 나아가 두 연령 집단 모두 기능적으로 연결성이 높은 영역들에서 활성화가 증가할수록 높은 재인 점수를 보였다.
나이에 따른 차이를 비교한 결과, 청년 집단은 기억 자극 부호화시 해마의 활성화가 복측(ventral) 전전두엽과 선조외피질(extrastriate) 영역에서의 활성화와 관계가 있는 반면, 노인 집단은 배측(dorsal) 전전두엽과 두정엽 영역에서의 활성화와 관계가 있는 것으로 나타났다. 나아가 두 연령 집단 모두 기능적으로 연결성이 높은 영역들에서 활성화가 증가할수록 높은 재인 점수를 보였다. 흥미롭게도, 연령에 따른 기능적 연결성의 상이한 패턴에도 불구하고 두 집단 사이의 기억 점수에는 유의미한 차이가 없었다.
운동 전과 후의 뇌 구조 변화는 MRI를 이용한 형태 계측술을 통해서 분석하였다. 운동 시작 6개월 후 유산소 운동 집단이 고무적인 운동 효과를 보였는데, 구체적으로 전측 백질에서의 부피 증가뿐만 아니라 전측 대상회, 보조 운동 영역(supplementary motor cortex), 우측 하전두회(inferior frontal gyrus)와 같은 전두엽 영역의 백질에서 비유산소 운동 집단과 비교하여 유의미한 부피 증가를 보였다.
그러나 위 단락에 소개한 Colcombe 등[44]은 좌측 상측두회(superior temproal gyrus)에서 유의미한 유산소 운동 효과가 있었음을 보고하였다. 즉 운동 시작 6개월 이후 이 영역에서 유산소 운동 집단이 비유산소 운동 집단보다 유의미한 부피 증가를 보인 것이다. Erickson 등[45]은 유산소 운동이 해마에도 구조적 변화를 일으킨다는 사실을 발견하였다.
운동 처치 전, 처치 시작 6개월, 처치 종료 후로 나누어 MRI를 이용한 해마 부피 측정을 하였다. 결과는 비유산소 운동 참가 노인들의 전측 해마 부피가 운동 전 수준에 비하여 오히려 감소한데 반해, 유산소 운동에 참가한 노인들의 전측 해마 부피는 운동 전과 비교하여 6개월, 1년에 걸쳐 지속적으로 증가한 것으로 나타났다. 이 결과는 VO2를 이용하여 상위 건강 집단과 하위 건강 집단으로 나누어 관찰한 해마 부피 차이[42, 45]와도 일치하는 것으로 운동이 해마와 기억에 긍정적인 효과를 가져 온다는 사실을 더욱 공고히 한다.
뇌 활동에서도 간섭의 효율적 처리를 시사하는 증거가 발견되었다. 전두엽의 중전두회(middle frontal gyrus), 상전두회(superior frontal gyrus)와 두정엽의 상두정소엽(superior parietal lobule)과 같은 주의 관련 네트워크에서 유산소 운동 집단이 비유산소 운동 집단보다 큰 활성화를 보였다. 반면 방해받는 정도가 클수록 더 활성화가 되는 전측 대상회(anterior cingulate)에서는 비유산소 운동 집단이 유산소 운동 집단 보다 더 큰 활성화를 보였다.
이들은 작업 기억 과제를 이용하여 시공간 기억 능력을 측정하였는데, 부하량을 1, 2, 3으로 하여 점(들)을 기억 화면에 제시하고 3초 후 점 하나를 제시하여 참가자들이 제시된 하나의 점이 이전 기억 화면에서 제시되었던 점(들)의 위치와 일치하는지를 판단하도록 하였다. 유산소 운동 집단과 비유산소 운동 집단 모두 처치 1년 후 향상된 기억 능력을 보였으나, 유산소 운동 집단에서만 유의미한 해마 부피 증가가 관찰되었고 이 부피 증가는 참가자들의 향상된 시공간 기억 능력과 유의미한 상관관계가 있었다. 이것은 해마 부피와 기억 능력 간의 밀접한 관계를 보여줌과 동시에 해마 부피를 증가시키는데 유산소 운동이 기여하였음을 제안한다.
이들은 초기 양식 망(default mode network), 전두 집행 망(frontal executive network), 전두 두정 망(frontal parietal network)에서의 변화를 관찰하였다. 유산소 운동 집단은 운동 시작 1년 후 초기 양식 망 중 전두와 측두 영역 간의 연결성과 전두 집행 망에서 변화가 나타난 반면, 비유산소 운동 집단은 운동 시작 6개월 후에는 초기 양식 망에서 1년 후에는 전두 두정 망에서 변화를 보였다. 두 집단이 다소 다른 양상의 변화를 보였음에도 불구하고 공통적으로 두 집단 모두 젊은 참가자들에게서 관찰된 기능적 연결성에 가까운 연결 패턴으로 변화하였다.
두 집단이 다소 다른 양상의 변화를 보였음에도 불구하고 공통적으로 두 집단 모두 젊은 참가자들에게서 관찰된 기능적 연결성에 가까운 연결 패턴으로 변화하였다. 이 변화들을 종합적으로 볼 때 운동 프로그램의 처치가 고등적 인지 기능을 담당하는 영역들의 효율적인 상호작용을 증진시킨 것으로 평가된다. 이 기능적 연결성에서의 변화가 집행적 기능을 측정하는 행동 과제에서 관찰된 향상된 수행결과와 상관관계가 있음은 이러한 평가를 지지한다.
이 점을 이용하여 Erickson 등[45]은 1년간 운동 프로그램에 참가한 노인들의 혈청 BDNF의 변화를 관찰하였다. 그 결과 유산소 운동 참가 노인들의 해마 부피가 증가하였고 이 증가한 부피가 혈청 BDNF의 변화와 유의한 상관이 있음을 발견하였다.
이들은 테스토스테론을 명금의 상위 음성 중추에 주입하였는데 혈관내피성장인자(vascular endothelial growth factor)와 그 수용기가 증가하면서 내피 세포가 빠른 속도로 분열하고 새로운 뉴런들이 출현하는 것을 관찰하였다. 또한 테스토스테론 수준에 따라서 BDNF의 증가 정도가 다르다는 것을 발견하였다. 이 일련의 결과들은 테스토스테론으로 유도된 혈관발생이 BDNF의 증가에 의해 뉴런발생으로 이어졌음을 보여준다.
또한 테스토스테론 수준에 따라서 BDNF의 증가 정도가 다르다는 것을 발견하였다. 이 일련의 결과들은 테스토스테론으로 유도된 혈관발생이 BDNF의 증가에 의해 뉴런발생으로 이어졌음을 보여준다. 지금까지 소개된 인간 대상의 운동 효과도 운동이 혈관계의 긍정적 변화를 유도하고 신경영양인자 증가를 매개로하는 신경계의 긍정적 변화로 이어지는 일련의 생물학적 변화를 야기하기 때문에 나타난 것이 아닌가 추측해 본다.
그러나 운동 특히 유산소 운동의 장기적 실시는 세포 단위의 변화를 이끌어 내어 뇌와 인지의 퇴행적 변화로부터 보호한다. 연구 결과들을 종합해 보면, 유산소 운동으로 전두엽의 위축은 감소하고 그 기능은 오히려 활성화되어 보다 효율적인 억제 반응을 유도하고, 해마의 부피를 증가시켜 기억력 향상에도 기여한다. 유산소 운동이 가져오는 뇌와 인지기능에 대한 이로움은 노화의 영향을 가장 크게 받는 뇌 영역과 관련 인지 기능들이라는 사실은 매우 흥미롭다.
후속연구
따라서 해마가 손상되어 기억 장애가 있다면 항목(item) 기억 과제 보다는 연합(association) 기억 과제에서 더욱 저하된 수행 결과를 보일 것이다. 그리고 사건의 유무에 대한 막연한 느낌의 친숙성에 기초한 인출 보다는 구체적인 맥락 정보까지 인출되어야 하는 회상 과제에서 더욱 저하된 수행 결과를 보일 것이다. 이러한 가설은 노화에 그대로 적용된다.
여기에 소개되는 연구들은 인간을 대상으로 실제 운동 프로그램을 실시하여 그 효과를 뇌반응과 행동에서 확인한 연구들로 제한되어 있다. 이유는 이러한 방식의 연구들이 정상적인 뇌인지 노화에 미치는 운동의 효과를 가장 직접적으로 그리고 다차원적으로 보여준다고 판단했기 때문이다.
Colcombe 등[46]의 연구에 사용된 fMRI는 뉴런의 직접적인 활동을 측정하기보다는 혈류역학의 원리에 의해서 나타나는 신호를 측정한다. 그러므로 ERP와 같이 직접적인 뇌 활동 측정치를 이용한 연구에서도 일치하는 결과가 나온다면 유산소 운동이 뇌 기능에 가져오는 긍정적 효과가 더욱 설득력을 얻을 것이다. 이에 Themanson 등[48]은 플랭커 과제 수행시 노인들에게서 나타나는 에러관련부적파(error-related negativity, 이하 ERN)[49, 50]의 반응을 관찰하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
정상 노화 과정에서 일어나는 뇌의 변화는?
한국 사회에서 고령 인구가 지속적으로 증가하고 있는 추세에 발맞추어 본 논문은 노화 과정에서 일어나는 뇌의 구조, 기능적 변화 및 인지 기능의 저하를 살펴보고, 고령화 대처의 한 방안으로 제안되고 있는 운동의 효과에 관하여 인지신경과학적 연구를 중심으로 개관하였다. 정상 노화 과정에서 일어나는 뇌의 변화는 전전두엽과 측두엽(해마 포함)의 부피 변화와 함께 인지 과제 수행 시 과잉활성화와 같은 현상들이다. 이러한 뇌의 변화와 함께 인지 기능의 저하도 관찰되는데 주로 억제 및 기억 기능의 저하가 노화를 특징짓는 인지기능의 변화로 알려져 왔다.
노화를 특징짓는 인지기능의 변화는 무엇인가?
정상 노화 과정에서 일어나는 뇌의 변화는 전전두엽과 측두엽(해마 포함)의 부피 변화와 함께 인지 과제 수행 시 과잉활성화와 같은 현상들이다. 이러한 뇌의 변화와 함께 인지 기능의 저하도 관찰되는데 주로 억제 및 기억 기능의 저하가 노화를 특징짓는 인지기능의 변화로 알려져 왔다. 이와 같은 노화 관련 뇌인지의 퇴행적 변화에 대응할 수 있는 보호적 요인 중 하나가 운동이다.
노화 관련 뇌인지의 퇴행적 변화에 대응하기 위한 운동의 효과는?
이와 같은 노화 관련 뇌인지의 퇴행적 변화에 대응할 수 있는 보호적 요인 중 하나가 운동이다. 실제 노인을 대상으로 장기간 운동 프로그램을 실시한 연구 결과들은 참가 노인들의 전두엽과 측두엽, 특히 해마의 위축이 개선되고 억제와 기억 기능 역시 향상되었음을 보고하였다. 이러한 결과는 뇌세포 단위에서의 변화로부터 시작하여 노화하는 뇌 역시 변화할 수 있고, 운동이 이러한 긍정적인 변화를 유도할 수 있음을 보여준다.
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