[심리학] 학습에 대한 신경학적 설명

생물학적 관점을 가진 과학자들은, 학습은 환경적 사건에 대한 노출의 결과며, 뇌에서의 비교적 영구적인 변화를 일으킨다고 오랫동안 믿어 왔다. 이러한 생각의 근원은 과거의 과학자들로 거슬러 올라가게 된다. 독일의 과학자 리하르트 세몬은 1904년에 기억은 신경계의 변화를 통해 저장된다고 제안하였는데, 학습된 자료의 저장을 엔 그램이라고 하였다. 이 용어는 나중에 유명한 심리학자인 칼 래슐리에 의해 공식화되었다. 1948년 캐나다의 심리학자인 도널드 햅은 학습이 시냅스 연결의 변경에서 기인한다고 제안했다. 그에 따르면 하나의 뉴런이 나른 뉴런을 자극할 때 두 뉴런의 시냅스가 강화되는 변화가 나타난다. 결과적으로 한 뉴런의 흥분은 다른 뉴런 흥분의 원인이 된다. 햅의 가정에 대한 상이한 해석이 많을지라도 해석의 대부분은 '같이 발화하는 세포들은 하나로 연결된다. 귀결될 수 있다. 햅은 그 당시 그의 가설이 사실인지 아닌지를 확인할 기술을 갖고 있지 못했었지만 구의 기본 이론이 옳았음이 밝혀졌다.

1. 학습의 단순한 모형인 습관화와 민감화 

학습을 유도하는 시냅스에서는 무슨 일이 일어나는 것일까? 하나의 해답은 해초를 먹고사는 작은 바다 달팽이인 군소 같은 단순한 무척추동물을 사용한 연구에서 찾을 수 있다. 이 군소는 학습을 연구하기에 좋은 종인데, 이것은 상대적으로 적은 수의 뉴런을 가지고 있을 뿐만 아니라 그 뉴런은 현미경 없이도 볼 수 있을 정도로 크기 때문이다. 신경생물학자인 에릭 캔 델과 그의 동료들은 단순한 학습의 두 유형인 습관화와 민감화의 신경적 근거를 연구하기 위해 군소를 사용해 왔다. 이러한 연구 결과로 캔 델은 2000년에 노벨 의학상을 받았다.
습관화는 위협적이지 않은 자극에 대한 반복 노출에 따른 행동반응의 감소를 의미한다. 동물이 낯선 자극을 받으면 그 자극으로 주의를 기울이는데, 이러한 행동을 정 위 반응이라고 한다. 만약 그 자극이 위험하지도 않고 보상적이지 않다면 그 동물은 그것을 무시하도록 학습된다. 우리도 우리 주위에 있는 의미 없는 사건에 대해 지속해서 습관화하고 있다. 예를 들어, 등을 기대어 앉아서 들어 보아라. 아마도 당신은 시계 소리, 컴퓨터 팬 소리 혹은 당신의 룸메이트가 옆방에서 노래하는 소리 등을 들을 수 있을 것이다. 그러나 이전에는 당신이 주위에 있는 그 소리를 인식하지 못하였을 것이다. 그 이유는 당신이 그 소리에 습관화되어 있었기 때문이다. 군소에서 습관화는 쉽게 확인될 수 있는데, 단순히 그것을 반복적으로 건드리면 된다. 처음 몇 번의 건드림은 군소가 아가미를 수축하게 만들지만 약 10번의 건드린 후에는 그 반응이 사라지고 이러한 반응의 감소는 2시간에서 3시간 동안 지속된다. 이러한 습관화의 시행을 반복하면 습관화 상태가 몇 주. 동안 지속되게 된다. 
민감화는 위협적인 자극에 노출됨에 따라 행동반응이 증가함을 의미한다. 예를 들어, 당신이 공부하는 중에 무엇인가 타는 냄새를 맡았다고 상상해 보라. 당신은 그 냄새에 습관화가 되어 있지 않을 것이다. 당신은 화재 위험의 가능성을 확인하기 위해 많은 주의를 후각에 두고 연기나 화염의 징후에 대한 경계심을 높일 것이다. 일반적으로 민감화는 다른 자극에 대한 높은 반응성을 유도한다. 군소의 꼬리에 강한 전기충격을 제시하면 민감화가 유도된다. 이러한 충격 후에 그 신체의 어느 부위든 상관없이 부드러운 접촉은 군소가 아가미를 크게 위축시킨다.
군소에 대한 캔 델의 연구는 시냅스 기능에서의 변경이 습관화와 민감화를 유도함을 보여 주었다. 단순한 두 유형의 이 학습에서 시냅스 전 뉴런은 신경전달물질의 분비를 변경시켰다. 신경전달물질 분비의 감소는 습관화를 유도하고 증가는 민감화를 유도한다. 단순한 학습의 신경적 기초에 대한 지식은 더 복잡한 학습 과정을 이해하는 데 디딤돌이 된다.

2. 세포 수준에서 학습의 기초 

복잡한 포유류 뇌에서의 학습을 이해하기 위해서 연구자들은 장기 증강이라는 현상을 연구해 왔다. 장기 증강은 시냅스 연결을 강하게 하여 시냅스 후 뉴런이 더 쉽게 활성화되도록 한다. 장기 증강을 증명하기 위해 연구자들은 처음에는 전기 자극에 의해 하나의 뉴런이 두 번째 뉴런에서 활동전위를 유도하는 범위를 확인한다. 그 후에 첫 번째 뉴런에 강한 전기자극을 주는데 아마도 5초 동안 수백 번의 전기펄스가 주어질 것이다. 마지막으로 두 번째 뉴런의 활성화 범위를 알기 위해 한 번의 전기펄스로 첫 번째 뉴런을 자극한다. 강한 전기자극에 의해 첫 번째 뉴런 자극이 두 번째 뉴런에 활동전위를 유도할 가능성이 증가할 때 장기 증강이 나타난 것이다. 군소에서 습관화와 민감화가 시냅스 전 뉴런에서 신경전달물질 분비의 변화에 기인하는 반면에 장기 증강은 시냅스 후 뉴런이 더욱 쉽게 활성화될 수 있도록 한 시냅스 후 뉴런의 변화에 기인한다. 이와 유사한 과정이 시냅스 연결을 약화할 수 있음을 보여 준 증거들이 있는데, 이러한 상태를 장기 저하라고 한다. 장기 저하는 전기자극이 주어지더라도 그 펄스가 초당 1~4회의 낮은 빈도로 제시될 때 나타난다.
많은 증거는 장기 증강이 세포 수준에서 학습과 기억의 기초가 될 수 있음을 지지한다. 예를 들어, 장기 증강 효과들은 해마와 같이 학습과 기억에 관여하는 뇌 영역에서 쉽게 관찰될 수 있다. 나아가 기억을 증진하게 시키는 약물들은 장기 증강의 증가를 유도하고 기억을 차단하는 약물들은 장기 증강을 차단한다. 마지막으로 행동적 조건화는 장기 증강과 거의 동일한 신경 화학적 효과들을 일으킨다. 
장기 증강과정은 학습이 함께 발화하는 시냅스 연결의 강화에서 비롯된다는 햅의 주장을 또한 지지한다. 햅의 법칙은 고전적 조건형성을 포함한 다양한 학습 현상을 설명하는 데 사용될 수 있다. 무조건자극을 신호화하는 뉴런은 조건자극을 신호화하는 뉴런과 동시에 활성화된다. 반복된 시행에서 이 두 사건을 연결 짓는 시냅스가 강화되어 한 뉴런이 발화할 때 자동으로 다른 뉴런이 발화하여 조건반응을 일으킨다.

 

 

[출처] 현대심리학의 이해