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공부는 전두엽을 키운다
작성자 : 담양학습종합클리닉센터 작성일 : 2021-01-26 AM 11:28:03 조회수 : 435
인간이 다른 동물과 다른 이유는 전두엽이 발달되었기 때문이며, 이 전두엽은 창의성을 담당하는 기관으로 계발하면 계발할수록 발달하는 것이 특징이다.

전두엽은 인간의 뇌에서 중추적인 역할을 한다. 전두엽의 발달은 한 순간에 이루어지는 것이 아니라 어릴 때부터 시작해서 평생에 걸쳐 이루어진다. 갓 태어난 아기도 뉴런의 수는 성인과 비슷하지만 뉴런의 연결은 17%밖에 되지 않는다. 아이는 자라면서 1,000억개 중 나머지 뉴런들의 연결이 이루어진다. 전두엽도 마찬가지여서 유아기인 3-4세부터 7-8세까지 가장 빨리 발달하며, 이 때 아이들의 창의성도 함께 발달한다. 그러다가 전두엽은 이후 10대에 질적 변화가 이루어진다.
이러한 전두엽의 발달에 가장 중요한 요소는 경험이다. “세살 버릇 여든 간다라는 속담이 있는데 이는 전두엽에서 경험의 중요성을 의미한다. 3세부터 시작되는 경험이 10대를 거쳐 청년기, 장년기로 이어지기 때문이다.
아이의 뇌는 성인의 뇌로 성장하기 위해 몇 가지 변화를 거친다. 변화를 통해 아이는 논리적이고, 스스로 통제가 가능하며, 계획을 통해 미래를 예측하기 시작한다. 그런 변화를 일으키기 위해서는 전두엽에서 시냅스의 생성가지치기가 이루어지며, ‘수초화를 통해 연결 기능을 강화시킨다. 이러한 변화는 지속적이어서 전전두엽의 가지치기는 25세 이후까지도 진행된다.
전두엽에서 시냅스의 생성은 여아들의 경우 만 11세 무렵, 남아들의 경우 만 12.1세 무렵에 최고조에 달한다. 문제는 시냅스의 생성도 너무 과하면 좋지 않다는 것이다. 사춘기가 시작하면서 시냅스가 급진적으로 증가하여 시스템 전체에 혼란을 불러와 실행을 잘해내지 못할 수도 있다. 그러나 10대 후반에 이르면 과도한 시냅스를 가지치기 한다. 다시 말해 어떤 시냅스는 유지하고 어떤 시냅스는 가지치기해 실행력이 개선되는 것이다. 더욱이 좌뇌와 우뇌를 연결하는 영역은 더욱 견고해진다. 수초화도 중요한데, 뇌 속 어떤 영역에서의 수초화는 실제로 청소년기가 시작될 무렵부터 끝날 때까지 100% 증가한다. 정서 조절 관련 신경회로의 일부는 10대 동안 수초화 과정이 진행된다.
 

그림. 전두엽

시냅스의 생성
전두엽의 시냅스는 출생 전에 급격히 증가하기 시작해서 출생과 동시에 성인 수준에 이르고 이후 계속 증가한다. 24개월에 성인의 두 배에 도달한다. 그 후엔 몇 년 동안 높은 수준을 유지하다가 서서히 줄어들기 시작해서 시냅스의 거의 절반에 가까운 양이 제거되고 뇌는 다시 성인의 수준으로 되돌아간다.
해리 추거니가 PET스캔(양전자방출단층촬영)을 이용해서 뇌의 활성도를 나타내는 포도당을 측정한 결과, 출생 시의 포도당 사용치가 성인의 약 70%이며, 2-3세 때에는 성인의 두 배에 달한다는 사실을 확인했다. 그는 8세 전후가 되면 뇌의 포도당 사용이 감소하면서 안정되기 시작하고, 16-17세 무렵이 되면 다시 성인 수준에 근접한다고 한다.
이들 결과를 보면 아이의 뇌는 필요한 양보다 많은 시냅스를 만들어서 위험을 방지하고 그 중에서 가장 뛰어나고 강한 시냅스만을 남기고 가지치기 한다. 특히 사춘기를 전후하여 시냅스의 생성과 가지치기가 인간을 인간답게 만들어주는 전두엽에서 급격히 일어난다.
대뇌피질은 회백질로 구성되어 있고 100억개의 뉴런이 포함되어 있다. 그리고 대뇌피질은 큰 주름을 경계로 하여 전두엽, 두정엽, 측두엽, 후두엽으로 나뉜다. 10대들의 뇌를 스캔해 보면 전전두엽에서 눈에 띄는 변화가 있다. 시냅스의 생성과 가지치기로 인하여 전전두엽의 회백질이 극적으로 두꺼워졌다가 얇아지는 현상이 발견된 것이다. 이 같은 변화는 두정엽과 측두엽에서도 관찰되었다.
회백질이나 백질은 모두 뉴런의 각기 다른 부분을 가리키는 용어다. 뇌를 촬영해보면, 뉴런의 신경세포체부분은 회색을 띠고, 뉴런에서 뻗어 나온 축색돌기를 감싼 지방질로 된 수초는 흰색으로 보인다.
회백질은 남자보다 여자가 1, 2년 정도 먼저 양적으로 최고치에 달한다. 10대 초반의 여아들이 또래 남아들을 철없고 바보 같다고 생각하는 이유이다. 회백질은 뇌의 가장 바깥에 있는 약 0.63cm 두께의 부위로 뉴런과 거기서 뻗어 나온 수상돌기가 집중적으로 분포하는 영역이다. 뇌가 두꺼워지는 이유는 뉴런과 수상돌기가 맹렬하게 뻗어나가 무성해지기 때문이다.
아이들의 뇌는 대뇌피질 중에서도 여러 핵심 영역에서 지속적으로 두꺼워지는데, 논리와 공간지각에 관여하는 두정엽, 언어와 관련이 있는 측두엽도 여기에 포함된다. 특히 사전에 계획을 세우고 충동을 억제하는 전두엽에서 복잡하면서도 지속적으로 회백질이 두꺼워져 여아의 경우 11, 남아의 경우 12세 내외인 사춘기 때 정점을 이룬다.
아이들이 성인처럼 충동을 통제하지 못하는 것은 전전두엽 피질이 지속적으로 두꺼워지는 중이기 때문이다. 열심히 공부하고 친절하며 신뢰감을 주는 성격의 아이라고 해도 사춘기가 되면 거칠고 책임감이 없어지며 사람을 불쾌하게 만드는 아이로 변할 수 있다. 가령 아이들은 누군가에게 실망을 느낀 순간 그 사람에게 느낀 감정을 직설적으로 말해버리는 충동을 억제할 수 없다. 특히 배외측 전전두엽피질이 두꺼워지면서 아직 신경회로가 미숙한 아이들은 충동을 억제하고 기억을 잠시 저장시켜야 하는 부분이 제대로 작동하지 않아 친구들의 문자에 답하느라 숙제하는 것을 까맣게 잊는 실수를 저지르기도 한다.
 

그림. 뉴런의 구조

가지치기
바버라 스트로치는 냅스가 더 많다고 해서 그만큼 더 현명하다고 할 수는 없다고 하였다. 사실 정신지체와 학습장애의 일반적인 원인으로 꼽히는 취약X염색체 증후군의 경우 뇌의 시냅스가 지나치게 많아 그것이 얽히고 꼬이면서 혼란을 일으킨다. 10대 이전의 아이나 성인은 뇌에서 1-2% 정도의 시냅스를 가지치기 한다. 하지만 10대들의 뇌는 시냅스의 15% 정도를 가지치기로 잘라 낸다. 따라서 엄청난 양의 정보를 받아들임과 동시에 잃어버리기도 하는 것이다. 하루는 갑자기 어른스러운 말을 하다가도 다음날은 그 생각을 잊고 다시 어린아이가 되는 것은 뇌의 시냅스 변화 때문이다. 소웰(Sowell)과 톰슨(Thomson)에 의하면 뇌는 16세 이후에 특히 전두엽에서 회백질의 감소가 두드러진다. 12세에서 20세 사이에 회백질은 평균 7-10% 감소하고, 크기가 작은 영역에서는 감소 정도가 많게는 50%에 이른다.
운동을 조절하는 미상핵의 경우, 8세에서 11세에 이르는 청소년 전기에 20%에 달하는 회백질을 제거하고 13세를 전후하여 막대한 양의 조직을 상실한 후 성인의 수준에 이른다. 그렇기 때문에 13세 이전에 근육을 다양한 방식으로 사용하는 운동을 되도록 많이 경험하는 것이 좋다. 미상핵은 무의식적이고 기계적인 운동을 관장하는 곳으로, 피아노나 자전거, 체조처럼 한번 배우면 자동적으로 나오는 그런 종류의 동작들이 해당된다. 이런 것들을 일찍 배워서 이 영역의 뉴런을 자극할 경우 나이가 들어서도 기술을 그대로 간직하게 된다.
배외측전전두엽피질은 114에서 전화번호를 듣고 전화를 걸기까지 숫자를 기억하는 데 필요한 부위로서 시냅스의 증가로 두꺼워졌던 전전두엽이 차츰 정리되어감에 따라 선의의 거짓말을 한다든지, 대여섯 가지를 머릿속에서 동시에 비교해보면서 그 상관관계를 연관 짓는 등의 새로운 능력을 갖게 된다.
 
수초화
아이들에게 나타나는 변화의 원인 가운데 하나가 수초화(myelination)이다. 뇌의 백질을 이루는 수초는 뉴런에서 길게 뻗은 축색을 폭신한 담요처럼 감싸고 있는 지방막이다. 전깃줄에 플라스틱가피와 같은 역할을 하는데, 뇌의 활동전위가 축색을 따라 전달될 수 있게 하며, 활동전위의 속도를 높여준다. 수초화는 뉴런보다 열배 많은 신경아교세포에서 생산하는 것으로 아인시타인의 뇌에서 논리와 공간추론에 해당되는 영역에서 정상치보다 많은 신경아교세포가 있음이 밝혀진 바 있다. 수초화된 축색은 그렇지 않은 것에 비해 전기신호를 100배나 빠르게 전달하고, 그 속도는 시속 320km에 달한다. 뇌가 수초화되면 모호한 상황을 이해하고 추상적인 생각을 하며 의미의 미묘한 차이를 알아차리는 능력도 갖추게 된다. 이전 시기보다 뇌에서 정보를 전달하는 속도가 빨라지기 때문에 정보를 기억하고 논리적으로 생각하는 능력이 향상된다. 최근 밝혀진 바에 따르면 이 백질은 활동전위 전달의 속도를 향상시킬 뿐만 아니라 활동전위의 타이밍을 조절해주기도 한다. 그러므로 나이가 들어가면서 효율적으로 일할 수 있는 시스템이 발달하여 현명해지는 것이다.
언어 기능에 관여하는 베르니케 영역의 좌우를 연결하는 뇌량의 뉴런은 13~14세 무렵에 수초화가 대부분 진행된다. 일기를 써도 간단한 단문만 쓰던 10세 아이가 차츰 자신의 감정을 표현하고 구성도 풍부한 글을 쓸 수 있는 13세가 되는 것이다.
논리와 관련이 있는 두정엽피질과 연결된 뇌량 역시 7세가 되어야 비로소 수초화가 시작된다. 두정엽피질은 수학이나 논리적인 사고, 또는 십자말풀이 등을 할 때 특히 활성화된다. 그리고 사춘기 때 이 영역의 백질이 두꺼워진다. 따라서 어린아이들에게 대수를 가르치는 것은 비효율적이다.
궁형속(arcuate fasciculus)의 수초화도 이 때 이루어지는데 브로카영역과 베르니케 영역 사이의 고리를 형성하고, 자판을 보지 않고 치거나 신발 끈을 빠르게 묶는 것처럼 정교한 근육운동을 담당하는 영역들을 함께 연결한다.
하지만 발달중인 아이의 뇌에서 진행되는 수초화엔 일장일단이 있다. 뉴런이 수초로 완전히 덮이면 훨씬 효율적으로 변하고, 속도가 빨라진다. 하지만 그만큼 잃는 것도 있다. 뉴런은 전에 비해 더 경직된다. 아이의 나이가 어릴수록 성인에 비해 외국어를 훨씬 쉽게 모국어 억양의 영향을 받지 않고 받아들이는 이유도 여기에 있다. 수초화가 완료되면 뇌의 언어 영역은 더 전문화되면서 자주 듣는 언어에 훨씬 더 민감해지고 다른 외국어에는 덜 민감해지는데, 따라서 12세 이후에 외국어를 배운다는 것은 어려움이 많다.
수초화는 해마와 뇌회에서도 이루어지는데, 해마는 새로운 기억을 처리하는 역할을 하며, 뇌회는 감정과 관련이 있다. 뇌회의 신경섬유는 뇌줄기와 척수로 이어지는데, 바로 여기서 문을 사정없이 쾅 소리 나게 닫고 싶은 충동을 조절한다. 대상회와 해마를 연결해주는 상수질판은 순간적인 반응을 전후 맥락과 연결해주는 회로의 핵심 부분이다. 이 부분이 수초화되면서 아이들은 좀 더 성숙한 행동을 하고, 충동을 잘 조절하고, 집중력이 향상된다.
여아의 뇌는 남아에 비해 수초화가 빨리 진행되는데 여아들이 종종 남아에 비해 감정적으로 성숙해 보이는 이유도 여기에 있다.
 

그림. 언어의 뇌

더 수려하고, 차분하고, 조용해진 뇌
과학자들의 연구에 따르면 10대에 제거되는 시냅스의 상당 부분은 뇌를 자극하고 흥분시키는 것들이다. 신경전달물질은 인접한 뉴런에 다양한 영향을 미칠 수 있어서, 흥분시킬 수도 있고 차분하게 만들 수도 있다. 인접한 뉴런을 자극하는 데에는 글루타메이트라는 신경전달물질이 작용할 때가 많다. 그런데 대다수의 신경학자들이 생각하듯이 글루타메이트를 방출하는 시냅스가 10대 동안 제거되면 이후에는 아이가 근본적으로 침착해진다.
따라서 아이는 10대를 지나면서 인지력이 점차 증가한다.

첫째, 억압기제가 증가한다.
뇌는 기본적으로 억압 기제이고, 뇌가 발달한다는 것은 억제 기능이 점진적으로 향상되는 것을 뜻한다. 앞에 있는 사람이 커피를 마시면 성인의 뇌는 이를 보고 머릿속에서 이미 그 행동을 따라 하지만 실제로 행동하지는 않도록 억압 기제가 작동한다. 이 덕분에 커피 잔이 없는 빈손을 들어 올리는 민망한 행동을 하지 않을 수 있는 것이다.
영유아기에는 무작정 따라 하기를 통해 학습을 하고, 그 이후에는 억압 기제를 통해 차츰 조절하면서 성인으로 성장해간다. 10대 아이는 성인이 되기 전 마지막 단계로 판단, 예측, 계획 같은 통합적인 조절 기능을 하는 전전두엽의 발달이 가장 절실한 시기다. 이때 제거되는 시냅스의 상당 부분은 뇌를 자극하고 흥분시키는 종류다. 연구에 따르면 흥분성 시냅스와 억제성 시냅스의 비율이 10대를 거치면서 7 1에서 4 1로 변한다고 한다. 글루타메이트를 방출하는 흥분성 시냅스가 10대에 적절히 제거된다면 아이의 뇌도 차분해질 수 있다.

둘째, 작업기억이 증가한다.
단기기억은 기본적으로 전두엽에서 담당한다. 전두엽이 성숙하면서 작업기억도 개선된다. 아이들의 작업기억 저장소에는 하나 내지 두 개항목만 담긴다. 그러다가 약 12세 이후로는 비로소 다섯 개 항목을 담을 수 있으며 15세에 직업기억이 최대가 된다.
작업기억을 연마하는 데 가장 좋은 방법은 독서다. 페이지를 넘기기 전에 힘들여서 약 3분간 한 페이지에 집중해야 하며 인물, 장소, 줄거리의 연관을 중간 저장해야 하기 때문이다. 반면 작업기억 용량이 커지는 것은 전두엽의 특정부분의 성숙과 더불어 이루어진다. 이 부분의 성숙은 아주 서서히 이루어져 사춘기까지 계속된다. 작업기억의 용량이 커지면 아이들은. 감정 통제나 장기적인 목표 추구가 가능해진다.

그림. 작업기억의 뇌

셋째, 계산능력이 빨라진다.
축색돌기들이 수초화 덕분에 절연이 잘 될수록 뇌의 신경전달속도가 높아지고 뇌의 계산 능력이 빨라진다. 속도가 가장 중요하다. 따라서 신경아교세포의 역할이 아주 중요하다. 인간의 경우 동물과 달리 진화과정에서 뉴런의 수가 늘어났을 뿐 아니라, 신경아교세포와 뉴런 간의 비율도 커졌다. 대부분의 동물의 신경아교세포와 뉴런 간의 비율이 1:1에서 3:1 정도인데, 인간은 10:1에 이른다. 뇌가 성숙하면 필요 없는 축색돌기와 수상돌기가 퇴화하고 축색돌기가 지방질막인 수초로 싸인다. 이렇게 절연하면 무엇보다 처리 속도가 높아진다. 영아의 경우 뇌가 작아 활동전위가 아주 짧은 길만을 통과하면 되는데도 불구하고, 하나의 자극이 처리되는 데 성인의 세 배 정도의 시간이 걸린다. 성인이 되면서 몸집이 커지는 것을 생각하면, 성인의 처리시간이니 세 배 더 빠르다는 것은 전도속도가 아기 때 비해 16배 증가한다는 의미이다.
넷째, 융통성이 좋아진다.
바버라 스트로치는 10대를 거치는 동안 아이들은 글짓기, 늦는다고 집에 전화하기, 숙제를 제때 제출하고, 숙제를 컴퓨터로 작성하는 법을 배우는 것에 이르기까지 다양한 분야에서 조금씩 능숙해지고 점점 더 수월하게 해낸다고 하였다. 아이들의 약 50% 정도가 초등학교 6학년을 마칠 무렵이면 융통성 없이 단단한 구상적 개념에서 추상적이고 상징적인 사고의 단계로 접어들기 시작한다. 따라서 중학교 2학년쯤 되면 꼭 구체적인 사례를 동원할 필요가 줄어든다. 그때쯤에는 거의 80%정도는 수학의 추상적인 개념을 제법 확실하게 이해한다.
다섯째, 농담을 알아듣는다.
피셔(Fishe)11-12세의 아이는 정직함을 대체로 진실한 성품으로 이해하지만, 14-16세 정도가 되면 더욱 추상적이면서 이분법적 경향이 감소된 논리를 갖추게 되고, 그러면서 사회적인 거짓말의 가치도 이해하게 된다. 부모가 상반된 두 시각을 보일 때 10대 초반의 아이라면 위선자라고 생각할지도 모르지만, 10대 후반 정도 되면 두 의견이 동시에 진실일 수도 있다는 걸 이해하고 각각의 근거를 저울질해보기 시작한다. 사고가 성숙해지는 가장 큰 변화는 중학교 2학년에서 고등학교 1학년 사이에 생겨난다. 그리고 대개 여아가 남아보다 훨씬 빨리 성숙하는데, 그런 차이는 중학교 2학년부터 고등학교 2학년까지 일정하게 유지되었다. 하지만 18세부터 25세 사이에 남아들이 그 차이는 따라 잡는다.

김영훈(가톨릭대학교 의정부성모병원 소아청소년과 교수)

출처: 네이버 블로그 https://post.naver.com/viewer/postView.nhn?volumeNo=30348389&memberNo=16265963


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