전전두피질의 발견
신경과학에서 발견된 많은 경우와 마찬가지로, 특정 뇌 부위가 어떤 기능을 하는지 알고자 할 때 그 부위가 손상된 환자의 행동을 관찰해서 그 정보를 얻을 수 있다. 전전두피질의 발견은 피니어스 게이지(Phineas Gage; 1823~1860)라는 사람이 겪은 사고에서 큰 힌트를 얻었다. 그는 젊고 사려 깊으며 단호하고 목표 지향적인 남성이었으며, 젊은 나이에도 불구하고 미국의 철도 건설 현장 감독으로 승진했다. 그러나 1848년 9월 13일, 그는 폭발사고로 인해 다짐대가 얼굴 왼쪽 눈 밑에서 정수리를 관통하는 사고를 당했다. 이 다짐대는 그의 왼쪽 전전두피질의 많은 부분을 손상시켰다. 놀랍게도, 게이지는 살아남았고, 심지어 사고가 있은 지 몇 분도 되지 않아 말도 했다. 그는 여전히 의식이 있었고 30분 후에 의사와 이야기를 나누었고, 자신을 소개하기까지 했다.
미국 의사 존 할로우(John Harlow; 1819~1907)는 게이지가 회복된 이후 그의 성격 변화를 관찰했다. 게이지는 부상을 당하기 전에는 비록 학교에서 교육을 받지는 않았지만, 균형 잡힌 마음의 소유자였고, 지인들도 그를 빈틈없고 똑똑한 사업가로 평가했으며, 계획 실행 부분에 있어서는 활력이 넘치고 근성이 있는 사람으로 간주되었다. 하지만 그 사고가 있고 난 뒤에는 변덕스럽고 불손하며, 때로는 심한 욕설도 서슴지 않는 사람으로 변해버렸다. 지적 능력과 그 표현에 있어서 아이의 수준으로 떨어지고, 동물적 난폭함을 가지게 되었다. 이렇게 그의 마음은 완전히 바뀌어버려 친구들과 지인들은 그가 더 이상 게이지가 아니라고 말하기까지 했다.
실제로 게이지가 다친 뇌 부위는 전전두피질이었다. 사고 이후 게이지의 이런 성격 변화는 결국 전전두피질의 발달적 특징 때문이다. 전전두피질은 오랫동안 발달하는 뇌의 유일한 부위이다. 전전두피질은 완전히 발달한 뇌의 마지막 부위로서, 22세까지 계속 발달하는 것으로 추정된다. 이는 우리의 뇌가 후부에서 전방으로 발달하기 때문이다. 즉, 뇌의 후부가 먼저 발달하기 시작하고, 그 발달은 후부에서 전방으로 이동한다. 가장 앞쪽에 있는 전전두피질은 마지막에 발달한다. 그래서 10대부터 20대 초까지가 중요한데, 이는 이 시기에 전전두피질이 여전히 발달하고 있으며, 우리의 경험, 사회적 상호작용, 학습이 이 부위의 발달에 영향을 미치기 때문이다. 청소년은 주변 환경에서 점점 더 많은 것을 경험하고 배울수록 전전두피질의 연결이 강화되고 복잡한 기능을 수행하는 능력이 향상된다. 그러나 이는 불균일하거나 역효과를 가져올 수도 있다. 이 나이 때의 구조적 손상이나 정서적 문제 때문에 전전두피질이 불완전하게 발달할 수도 있다. 그래서 심리학자들은 10대들이 밖으로 나가 주변 환경을 탐험하고 사물에 대한 실제 경험을 해야 한다고 제안한다. 그렇게 하면 10대들은 빠르게 성숙하고 일상생활에서 실행 기능을 수행하는 능력이 강화될 것이다.
전전두피질의 구조
전전두피질은 눈과 이마 바로 뒤에 있는 전두엽의 최전방에 위치하고, 대뇌피질 면적의 거의 30%를 차지한다. 전전두피질은 세 개의 하위 영역으로 나뉘는데, 이는 각 영역이 뇌의 다른 부위와 어떻게 연결되고 어떤 기능을 하느냐에 따른 것이다.
첫째는 배외측 전전두피질(dorsolateral prefrontal cortex; dlPFC)이다. dlPFC는 PFC의 최상위 부분으로서, 계획, 인지적 유연성, 작업 기억 등의 인지 과정을 전반적으로 관리한다. 이 부위는 문제해결과 과제에 대한 주의를 지시하고 유지하는 방법을 담당한다. 지금 일어나고 있는 일에 집중할 때, 우리의 작업 기억은 dlPFC와 연계되고 장기 기억을 인출하고 공고화하기 위해 해마와 연결된다. 이 부위가 손상되면 언어 표현과 감정의 통합뿐만 아니라 작업 기억, 해마에서의 처리 및 장기 기억에 문제가 생길 수 있다.
둘째는 안와전두피질(orbitofrontal cortex; OFC)이다. OFC는 dlPFC와 마찬가지로 의사결정의 인지 처리에 관여하지만, 변연계와 밀접한 관련이 있으므로 특히 감정 정보에 기초하여 의사결정을 내리는 능력과 관련이 있다. OFC는 또한 사회적 애착을 형성하고 감정을 조절하는 데 주요한 역할을 한다. 이 부위는 외부 세계와 내부 세계를 효과적으로 통합하면서 감각 정보와 감정 정보를 위한 수렴 구역이다. 사회적 정보는 우리의 지각과 상호작용을 안내하기 위해 처리되고 사용되며, OFC는 가령, 농담을 이해하는 능력 등 복잡한 사회적 상호작용을 해석하는 데 중요한 역할을 한다. OFC는 우리가 다른 사람의 반응을 예측하고 그에 따라 행동을 조정하는 데 도움이 된다. 이 부위가 손상되면 감정 조절 장애로 인해 충동적으로 행동하게 된다.
셋째는 복내측 전전두피질(ventromedial prefrontal cortex; vmPFC)이다. 이 부위는 편도체, 측두엽, 복측피개영역(ventral tegmental area), 후각계, 시상하부와의 연결로부터 수집된 큰 그림에 기초하여 결정을 내릴 수 있도록 도와준다. vmPFC는 편도체를 포함하여 많은 뇌 부위에 영향을 미치는 많은 정보를 매우 잘 주고받고서 연결되어 있다. vmPFC는 특히 사회적 상황에서 우리의 감정을 조절하는 데 있어 OFC와 함께 중요한 역할을 한다. 또한 개인적이고 사회적인 의사결정과 우리의 실수로부터 배우는 능력에 매우 중요하다. 판단을 내리고 감정이 의사결정에 도움이 되도록 하는 우리의 능력은 뇌의 이 부위에서 매개된다. vmPFC의 활성화는 또한 용기와 관련이 있고, 부정적 감정의 억압, 연민, 수치심, 죄책감과 관련이 있다. 전전두피질의 이 부위가 손상되면 충동성, 의사결정 장애, 공감 능력 저하, 사회적 행동의 변경, 도덕적 판단의 변화 등 다양한 행동 및 정서적 변화를 초래할 수 있다.
전전두피질의 기능
전전두피질은 다양한 기능을 수행한다. 전전두피질의 기능은 세 가지 주요 범주로 분류된다.
첫째는 실행 기능(executive function)이다. 실행 기능은 우리에게 계획하고 조직하며 행동을 규제하고 목표를 달성할 수 있도록 하는 인지 과정을 말한다. 실행 기능은 다른 인지 과정을 조정하고 통제하는 고차원의 정신적 기능을 포함한다. 실행 기능의 주요 측면은 다음과 같다.
작업 기억: 작업 기억은 짧은 시간 동안 마음속에 정보를 유지하고 조작하는 능력이다. 작업 기억은 지시사항 따르기, 문제해결, 의사결정과 같은 작업을 수행하는 동안 관련 정보를 마음속에 둘 수 있도록 한다.
억제: 억제는 자동적이거나 충동적인 반응을 억제하거나 통제하는 능력을 말한다. 이는 부적절한 행동, 생각, 충동을 억제하고 필요한 정보나 업무에 집중하는 것을 말한다.
인지적 유연성: 인지적 유연성은 다른 작업이나 관점에 적응하고 그 사이에서 전환할 수 있는 능력을 말한다. 이 능력은 상황이 요구하는 대로 주의나 전략, 접근 방식을 바꿀 수 있는 것에도 해당한다.
계획과 조직: 계획과 조직에는 목표를 설정하고, 작업을 관리 가능한 단계로 나누며, 실행 계획을 작성하고, 자원을 효과적으로 할당할 수 있는 능력이 포함된다. 이를 위해서는 장애물을 예측하고, 작업의 우선순위를 지정하며, 원하는 결과를 얻기 위한 체계적인 접근 방식을 유지해야 한다.
문제해결: 문제해결은 복잡한 문제나 과제를 파악하고 분석하고 해결하는 것을 말한다. 여기에는 대안을 만들고 평가하며, 비판적으로 생각하고, 사용 가능한 정보를 기반으로 의사결정을 내릴 수 있는 능력이 포함된다.
작업 모니터링과 자기 조절: 작업 모니터링은 자신의 성과를 모니터링하고, 진행 상황을 평가하며, 필요에 따라 조정할 수 있는 능력을 말한다. 자기 조절은 감정을 관리하고, 동기를 유지하며, 일에 집중하기 위해 자신의 행동과 주의력을 통제하는 것을 말한다.
둘째는 말과 언어(speech and language)이다. 전전두피질에서 수행되는 또 다른 기능은 언어를 이해하고 말하기 전에 반응을 계획하는 것과 관련이 있다. 예를 들어, 전전두피질은 우리에게 상황에 일치하도록 말하기 위해 적절한 단어를 선택하도록 한다. 연구에 따르면, 전전두피질의 좌측은 말하기 전에 단어를 분석하고 의미를 정의하며 반응을 수집함으로써 말과 언어를 처리하는 역할을 한다. 또한 단어를 모으기 위해 우리의 기억을 이용하기도 한다. 따라서 전전두피질은 말과 언어를 이해하는 것을 돕고 다른 사람들과 듣고 말하는 동안 집중력과 일관성을 유지하도록 도와준다.
셋째는 주의와 기억(attention and memory)이다. 전전두피질의 또 다른 주요 기능은 우리의 주의력, 집중력, 기억력을 조절하는 것이다. 전전두피질은 실행 기능만을 다루는 것이 아니라, 시각적 주의의 하향식 제어에도 중요한 역할을 한다. 전전두피질은 우리에게 특정한 것에 주의와 집중을 유지하도록 도와준다. 연구에 따르면, 전전두피질은 복잡한 기능을 수행하기 위해 기억을 저장하고 인출하는 데도 중요한 역할을 한다. 우리의 기억은 뇌의 한 부위에 저장되지 않고 오히려 여러 부위에 저장된다. 전전두피질은 정보를 단기 기억에 저장하는 데 도움이 되며, 기억에서 정보를 인출한 다음 실행 작업과 행동에 사용한다.
전전두피질 관련 정신장애
지난 수십 년간 뇌의 해부학과 신경과학의 연구가 탄력을 받으면서, 많은 연구자가 전전두피질의 임상적 중요성을 옹호하고 나섰다. 인간의 경우 전전두피질의 크기는 다른 동물들과 비교했을 때 더 크고, 인간의 뇌에서 더 많은 공간을 차지한다. 이는 전전두피질이 중요하고 복잡한 기능을 수행하며, 우리의 삶에 큰 영향을 미치도록 설계되었다는 것을 보여준다. 전전두피질은 중요한 여러 기능을 처리하기 때문에 이제 뇌의 가장 중요한 부분 중 하나로 여겨진다. 전전두피질이 손상되면 복잡한 기능 수행, 집중력 유지, 감정 조절 등에 심각한 장애를 초래할 수 있다는 사실이 밝혀지면서 이 부위의 임상적 중요성이 확대되었다. 이에 따라 전전두피질과 뇌 손상의 연관성을 탐구하는 많은 연구가 이루어졌다. 일반적으로 정신병적 성향, 정신장애, 자살 생각, 좋지 못한 정신 건강 등이 전전두피질에 심한 손상을 줄 수 있다는 연구결과도 있다. 이 모두는 정신장애의 흔한 증상인 현실을 잘못 해석하는 현상으로 이어진다. 자살 생각과 전과가 있는 사람들은 전전두피질이 약하고, 무엇이 옳고 무엇이 그른지를 판단하지 못하는 것으로 관찰된다. 운동과 건강한 생활은 건강한 전전두피질과 밀접한 관계가 있다. 건강하게 먹고 잠을 깊이 자며 매일 운동하는 사람들은 강력한 실행 기능 기술을 갖출 수 있다.
뇌의 중요한 부위인 전전두피질의 구조적 손상이나 내부 손상은 여러 심리적·신경학적 질환과 관련이 있다. 질환 외에도 전전두피질이 약하거나 손상된 사람들에게서 실행 기능의 현저한 감소가 관찰된다.
많은 정신질환이 전전두피질의 손상이나 장애와 관련이 있다. 조현병과 조울증(양극성 정동장애) 같은 정신장애는 전전두피질의 부피 감소, 연결성 변화, 기능 장애와 관련이 있으며, 전전두피질의 이러한 변칙성은 인지적 결함과 무질서한 사고를 일으킬 수 있다. 조현병과 조울증을 앓는 사람은 실행 기능의 부족, 충동 조절의 부족, 감정 조절 장애, 그리고 언어 능력의 부족을 경험할 수 있다. 이러한 정신장애는 또한 사람들이 무엇이 진짜인지 아닌지를 구분하지 못하는 정신병으로 이어진다.
전전두피질의 손상은 주의력 결핍 과잉행동장애(attention deficit hyperactivity disorder; ADHD)와도 관련이 있다. 전전두피질이 손상되면 한 가지 일에 오랫동안 집중하는 것이 어려워진다. 그리고 이러한 장애는 또한 사람을 억제하지 못 하게 하여 과잉반응과 압도적인 감정 반응을 초래한다. 외상 후 스트레스 장애 또한 뇌의 전전두피질 손상과 관련이 있다. 전전두피질의 세포 퇴화는 치매와 알츠하이머병과 관련이 있다. 이런 사람들은 일을 기억하지 못하고 어떤 종류의 실행 기능도 수행하지 못한다.
우울증은 다양한 뇌 영역을 포함하는 다면적인 질환이지만, 전전두피질은 이 병리생리학과 관련이 있다. 우울증 환자의 경우 전전두피질, 특히 감정 조절과 의사결정에 관여하는 부위에서 활동량과 부피가 감소할 수 있다. 이러한 이상은 무쾌감증(쾌감 상실), 인지 장애, 감정 조절의 어려움과 같은 증상의 원인이 될 수 있다.
자폐 스펙트럼 장애(autism spectrum disorder; ASD)는 사회적 상호작용, 의사소통, 반복적 행동의 어려움을 특징으로 하는 신경발달장애이다. 연구에 따르면, ASD 환자의 전전두피질에서 특히 사회적 인지 및 실행 기능과 관련된 영역에서 연결성, 부피, 피질 두께의 이상을 포함한 변화가 확인되었다.
충동성, 강박성, 그리고 중독성 행동과 같은 질환은 전전두피질의 기능 장애와 관련이 있다. 예를 들어, 도박 장애, 약물 사용 장애, 폭식 장애와 같은 장애는 의사결정 과정 및 억제 조절과 관련된 전전두피질의 변화를 보여준다.
정신장애가 여러 뇌 영역과 신경전달계 사이의 복잡한 상호작용을 포함한다는 것에 주목해야 한다. 이러한 정신장애에 대한 전전두피질의 관여는 변연계(limbic system), 기저핵(basal ganglia), 전대상피질(anterior cingulate cortex) 등의 다른 영역과 종종 상호 연관된다. 특히 인지 제어에 관해 전전두피질의 중요한 동맹자 중 하나는 전대상피질이다. 전대상피질은 일종의 운동장 감시 장치로 기능한다. 즉, 세계에서 우리의 행위를 지켜보면서 우리가 현재 하는 것이 무엇이든 중단해야 한다는 것을 암시하는 실수나 다른 음(－)의 피드백을 찾고 있다. 겨울 아침에 사무실에 가려고 문을 나섰다가 빙판길에서 미끄러지기 시작할 때, 이 비틀거림을 알아채고, 보통 자동 조종장치 모드로, 즉 무의식적으로 작동하는 당신의 운동계를 전전두피질이 넘겨받도록 신호를 보내는 것이 바로 이 전대상피질이다. 전전두피질이 제어할 경우, 우리의 걸음걸이가 어색하고 부자연스러운 것은 운동계가 그 자체의 장치에 맡겨둘 때 가장 잘 작동하기 때문이다. 사무실까지 가는 데 시간이 더 걸리긴 하지만, 적어도 미끄러져서 앞으로 넘어지지는 않는다.
전전두피질 손상의 치료
전전두피질 손상을 치료하는 것은 쉬운 일이 아니다. 이런 경우에는 신경심리학자, 인지행동치료사, 작업치료사, 언어치료사 등 인지 및 행동을 전문으로 하는 전문가의 도움을 받으면 환자의 회복을 개선할 수 있다. 이런 전문가는 전전두피질 손상 환자가 실행 기능 장애를 관리하고 다양한 상황에서 적절하게 행동할 수 있는 구체적인 기술을 배우도록 돕고, 또는 환자와 그 가족들이 뇌 손상 후 발생하는 다양한 변화에 적응할 수 있는 대처 메커니즘과 기술을 탐색하도록 도울 수 있다.
전전두피질이 손상된 환자는 고도로 구조화되고 조직화된 환경에서는 잘 지내는 경우가 많지만, 창의성이나 자기 주도성이 필요한 작업은 수행하는 것을 어려워한다. 여기서는 환자가 새로운 상황에 적응하고 자신만의 구조를 만드는 방법을 소개한다.
첫째는 루틴 만들기이다. 전전두피질 손상 환자는 종종 스스로 활동을 계획하거나 시작하는 데 어려움을 겪는다. 이는 비활동성을 유발하여 결국 인지 및 신체 기능 저하로 이어질 수 있다. 구조화된 루틴을 개발하면 환자가 이를 극복하는 데 도움이 된다. 일관된 일과를 따르면 환자는 매일 일정을 계획하고 정리할 필요 없이 하루에 어떤 활동을 해야 할지 알 수 있다. 가능하면 환자의 일과에 뇌손상 전의 일과와 유사한 활동을 포함하는 것이 좋다. 예를 들어, 매일 아침 정기적으로 헬스장에 갔던 사람이라면 현재 혼자서 헬스장에 갈 수 없더라도 새로운 일과에 어떤 형태의 아침 운동을 포함하는 것이 효율적이다.
둘째는 인지행동치료(cognitive behavioral therapy; CBT)를 시도하는 것이다. CBT는 환자가 전전두피질 손상으로 인한 정서적·행동적 영향을 해결하는 데 도움이 된다. 특히 CBT는 개인이 행동에 영향을 미칠 수 있는 부정적인 신념을 긍정적인 신념으로 전환하는 방법을 배우도록 해 준다. 예를 들어, 전전두피질 손상이 있는 사람은 어떤 작업을 처음부터 끝까지 수행할 수 없는 것처럼 느낄 수 있다. 이로 인해 무언가를 시작할 이유조차 없다고 믿게 된다. 인지행동치료사는 다양한 전략을 통해 이런 환자의 사고 패턴을 재훈련하도록 도울 수 있다. 환자가 부정적인 신념을 긍정적인 신념으로 대체하는 방법을 배우면 감정과 행동 반응이 개선되는 경우가 많다. 부정적인 신념에 계속 도전하면서 뇌는 신경가소성이라는 과정을 통해 계속해서 변화하고 새로운 신경 경로를 만들어낸다.
셋째는 주의력 및 작업 수행 능력 향상을 위한 전략을 사용하는 것이다. 전전두피질 손상 환자는 주의력과 조직화에 어려움을 겪어 과제를 완수하는 데 어려움을 겪는다. 이를 개선하기 위한 전략이 있다. 하나는 작업 순서 정하기(task sequencing)를 연습하는 것이다. 계획, 순서 정하기, 조직화 능력의 향상을 촉진하기 위한 활동 중 하나가 작업 순서 정하기이다. 먼저, 누군가에게 어떤 활동을 완료하는 데 필요한 각 단계를 메모해 달라고 해야 한다. 예를 들어, 커피를 만드는 경우 커피포트 꺼내기, 포트에 물 채우기, 커피 메이커에 물 붓기, 커피포트 제자리에 놓기, 커피 필터 삽입하기, 커피 가루의 계량 및 붓기, 시작 버튼 누르기 등의 단계가 포함될 수 있다. 그런 다음 환자는 올바른 순서대로 단계를 수행하면 된다. 순서 정하기 기술이 향상되면 환자는 식사 준비와 같은 더 복잡한 작업을 수행할 수 있다. 이러한 능력이 계속 향상되면 활동의 단계를 순서대로 적는 연습을 독립적으로 할 수 있다. 이 연습을 통해 환자는 생각을 정리하고 상황을 명확하게 파악하는 방법을 배울 수 있다. 다음은 산만함을 최소화하는 것이다. 전전두피질 손상은 주의력에도 문제를 일으킬 수 있으므로 가능한 한 산만함을 최소화하는 것이 중요하다. 예를 들어, 소음으로 인해 주의가 산만해지면 조용한 방에서 작업해야 한다. 음악이나 텔레비전과 같은 배경 자극을 최소화하는 것도 도움이 된다. 마지막은 마음챙김 연습하기이다. 전전두피질 손상을 입은 사람에게는 순간에 집중하기 위해 의식적으로 노력하는 것이 어려울 수 있다. 자신의 내면(생각과 감정)과 주변 환경에 대한 마음챙김을 연습하면 환자의 주의력, 감정 조절, 정신적 유연성을 향상하는 데 도움이 된다. 환자는 매일 단 몇 분 동안 마음챙김을 연습하는 것부터 시작하여 집중력과 주의력이 향상되면 점차 연습 시간을 늘리면 된다.
넷째는 지원 환경을 조성하는 것이다. 전전두피질 손상을 입은 사람은 회복에 어려움을 겪는 경우가 많으므로 지원 그룹을 확보하는 것이 특히 중요하다. 가족, 친한 친구, 의료진 외에도, 지원 환경을 조성하는 데 도움이 되는 다른 방법이 있다. 하나는 뇌손상 지원 그룹에 가입하는 것이다. 환자와 그 가족 모두 지원 그룹을 통해 자신의 어려움을 공유하고 다른 사람의 경험에서 배울 수 있다. 또한 회복 일기를 적는 것도 도움이 된다. 회복 일기를 작성하는 것은 시간이 지남에 따라 자신의 진행 상황을 확인할 수 있는 좋은 방법이다.
다섯째는 약물에 대해 문의하는 것이다. 약물을 사용하면 전전두피질 손상의 부작용을 줄이는 데 도움이 된다. 뇌손상 환자에게 일반적으로 처방되는 약물 중 하나는 리탈린(ritalin)이다. 리탈린은 뇌의 도파민 수치를 증가시킨다. 이는 많은 뇌손상 환자가 어려움을 겪는 두 가지 기술인 동기부여와 집중력을 높이는 데 도움이 된다. 약물 치료가 다른 치료법을 대체해서는 안 되지만, 도움이 되는 보조제 역할을 할 수는 있다. 실제로 많은 환자가 리탈린과 같은 약물이 다른 치료를 계속하는 데 필요한 동기를 회복하는 데 도움이 된다는 사실을 발견했다. 따라서 치료를 통해 증상이 개선되지 않는다면 의사에게 리탈린이나 다른 약물이 도움이 될 수 있는지 문의하면 된다.