[전문가칼럼] 뇌를 풍성하게 만든다? 뇌 과학적으로 알아본 운동의 중요성

다양한 나이대 사람들의 뇌 신경계에 운동이 미치는 긍정적 효과

운동은 다양한 나이대 사람들에게 인지기능을 증강하는 효과가 있다는 연구 결과는 풍부하다. 학생의 학습 능력 및 학업 성취도가 운동량에 비례한다는 연구 결과들이 있을 뿐만 아니라, 이는 학령기를 벗어난 건강한 젊은 성인들에게도 운동의 효과는 비슷하다.

2003년 영국 런던대학의 마이클 와즈워스(Michael Wadsworth) 교수 연구팀은 36 세 성인 약 1,900명을 대상으로 신체 활동과 인지능력의 상관관계를 17년 동안 추적 조사했다. 실험 대상자들의 나이가 43세와 53세가 되었을 때 기억력과 운동량을 조사하였는데, 노화에 따른 기억력 감퇴 정도가 주 2회 이상 꾸준히 운동해 온 대상자에게서 현저히 낮았다. 흥미롭게도 운동을 늦게 시작한 사람과 중간에 중단한 사람들을 비교하면, 중년 이후에라도 운동을 다시 시작하여 꾸준하게 이어온 사람들이 운동을 젊었을 때부터 해 오다가 중년에 중단한 사람들보다 기억력 감퇴 정도가 현저히 낮았다.

65세 이상의 노인들에게도 운동은 건강한 뇌를 위해 필수적이다. 일리노이대학 아서 크레머(Arthur Kramer) 교수 연구팀은 1966년부터 2001년까지 18개의 연구 결과를 종합 분석한 결과, 운동을 지속적으로 수행한 노인들은 그렇지 않은 노인들보다 인지능력이 크게 향상되었음을 확인하였다. 또한 지속적 운동은 치매, 우울증, 노화에 따른 신경 퇴행 및 인지감퇴 증상을 완화할 수 있다는 연구 결과들도 지속적으로 발표되고 있는 상황이다.

다양한 과학적 증거에 기반하여 2017년 미국 신경학회(American Academy of Neurology) 학술지 신경학(Neurology) 저널에 메이요 클리닉 소속 로널드 피터슨 박사 등에 의해 발표된 바에 따르면, 치매의 전 단계라 불리는 경도(輕度)인지장애(mild cognitive impairment)의 치료 처방 중 하나로 주 2회 이상 운동 요법을 최초로 포함하였다. 이는 운동 요법이 경도인지장애의 공식적 치료 방법 중 하나로 인정받았다는 뜻이다.

---

뇌를 풍성하게 만든다? 운동에 의한 뇌 속 변화

그렇다면 운동을 한 사람의 뇌는 그렇지 않은 사람의 뇌와 무엇이 다르기에 이러한 효과를 누릴 수 있을까? 한 마디로 운동을 한 사람의 뇌는 그렇지 않은 사람의 뇌보다 훨씬 ‘풍성’하다. 즉, 운동을 한 사람의 뇌 특정 부위는 그렇지 않은 사람보다 그 부피가 크고 구조가 뚜렷하다. 가장 확연한 차이를 보이는 것은 해마(hippocampus)와 백색질(white matter)이다.

해마는 외부 정보를 학습하고 이를 장기 기억으로 저장하는 데 필수적인 역할을 수행하는 뇌 영역인데, 노화 및 퇴행성 뇌 질환이 진행되면 해마의 부피가 크게 감소한다. 백색질은 뇌 부위 간 연결을 중재하는 신경다발들의 집합체이다. 백색질을 통해 뇌 영역들이 연결된 신경회로망이 정상적으로 유지되는 것은 인지기능을 포함한 여러 뇌 기능들이 제대로 구현되는데 필수적이다. 해마와 백색질 모두 다양한 경험과 학습 자극 등에 의해 크기가 증가한다고 알려졌지만, 운동을 한 사람에게서도 같은 효과가 있는 것으로 나타났다.

또한 운동의 효과는 뇌 속 세포 및 분자 수준에서도 극명하다. 뇌 속 세포 및 분자 변화는 인간을 대상으로 직접 연구할 수 없는 한계가 있으므로, 과학자들을 쥐를 모델 동물로 연구를 해왔다. 실험용 쥐에게 쳇바퀴를 돌리게 하거나 트레드 밀을 달리게 하기도 하고 사다리를 오르내리는 훈련을 시키게 하는데, 인간과 유사하게 운동에 의한 인지기능 향상 및 뇌구조 변화를 동일하게 관찰할 수 있다.

동물을 대상으로 운동에 의한 신경세포 및 분자 변화를 측정한 결과, 해마 내 새로운 신경세포 생성이 증가하고 BDNF(Brain-Derived Neurotrophic Factor)라 불리는 뇌유래신경영양인자 단백질의 양이 많이 증가한 것을 확인할 수 있었다. 사실 해마를 비롯한 여러 뇌 부위에서 신경세포가 지속적으로 생성되는 양은 한창 뇌가 자라는 시기인 유아기-청소년기까지 가장 높으며, 나이가 들수록 점차 그 수가 감소한다. 성인의 해마에서 새로운 신경세포가 지속적으로 생성되는 것이 다양한 정보들을 처리하고 기억하는 데 필수적이기 때문에, 운동에 의해 새로운 신경세포가 생성되는 것은 인지 능력을 증가시키는 효과를 낳을 수 있으며 노화성 인지 저하를 늦출 수 있다.

BDNF는 신경세포의 사멸을 방지하고 분화를 촉진하며 신경회로망이 신경 활성에 의해 잘 변화할 수 있도록 하는 등 영양 인자로써 다양한 역할을 수행한다. BDNF는 다양한 경험이나 학습 자극에 의해 발현량이 증가하여 정상적 학습과 기억 능력에 필수적이다. 따라서 운동에 의해 증가하는 것으로 알려진 BDNF가 인지기능을 높이는데 핵심 역할을 수행할 수 있다.

---

운동을 통해 뇌와 지속적으로 상호작용하는 우리의 신체

운동이 어떤 방식으로 이렇게 다양한 뇌 속 변화를 유도할 수 있을까? 단순히 생각하면 운동은 그저 근육과 뼈를 통해 물리적인 움직임을 구사하고 심장, 폐, 간 등이 에너지를 제공하여 움직임을 유지하게 만드는 것이라 할 수도 있다. 반면에 뇌는 운동과 관련된 정보들을 실시간으로 처리하는 역할 말고 특별히 운동에 관여하는 것 같지 않아 보인다.

그러나 운동 중이나 후에도 신체와 뇌는 지속적으로 상호작용을 한다. 이는 운동에 의해 활성화되는 말초 장기들과 뇌 신경계 간에 어떠한 연결성이 존재하기 때문이다. 최근 많이 관심이 쏟아지고 있는 장-뇌 축(gut-brain axis)처럼 운동을 할 때도 신체 장기들을 뇌와 다양한 방식으로 연결되어 운동 중이나 후에도 지속적으로 신호를 주고받는 것과 비슷한 형태가 존재한다는 것이다.

구체적으로 살펴보면, 운동 중 신체활동에 의해 활성이 증가한 근육, 뼈, 지방, 심장, 간 등의 말초 장기 변화의 일부는 단백질, 호르몬 및 대사체 형태로 각 장기에서 혈액으로 분비된다. 혈액으로 분비된 단백질 및 대사체들은 운동 중이거나 후에도 지속적으로 혈관을 통해 신체 전체를 순환한다. 이들 중 일부는 혈관-뇌 장벽(blood-brain barrier; BBB)이나 다른 알 수 없는 경로를 통해 직접 뇌로 전달될 것으로 생각되고 있다.

실제로 신체에서 유래한 호르몬들이 뇌로 직접 전달되어 운동에 의한 뇌 속 변화를 유발할 수 있다는 과학적 증거들이 존재한다. 그중 근육 유래 호르몬들이 가장 관심이 집중되고 있는데, 그 이유는 근육들이 운동을 비롯한 모든 신체 활동 중 가장 활발히 활성화되는 신체 장기이기 때문이다.

운동을 수행하게 되면 에너지 대사가 활발해지고 수축과 이완을 반복한 근육에서는 마이오카인(myokine)이라 불리는 무수히 많은 단백질을 분비하여 근세포를 성장시키거나 손상된 근세포를 수리하게 된다. 2016년 미 국립보건원(NIH) 산하 노화연구소(NIA)의 반 프라하(Van Praag) 박사 연구팀은 쥐를 지속적으로 운동시킬 때 근육세포에서 분비되는 물질들을 분석해 이들 중에서 뇌로 직접 전달되는 것이 있는지 탐색하였다. 그 결과 최초로 근육에서 유래하는 ‘카텝신 비’(cathepsin B)라는 단백질이 운동에 의해 혈액으로 분비되고 이들이 뇌로 직접 전달될 수 있다는 것을 발견하였다. 이 단백질은 뇌에서 BDNF 발현 증가와 새로운 신경세포 생성을 유도할 수 있었다.

운동에 의해 근육에서 분비되는 아이리신(irisin)도 뇌로 직접 전달될 수 있었다. 아이리신은 백색 지방을 갈색 지방으로 변환시켜 에너지 생성을 촉진하는 기능이 있는데, 일부의 아이리신은 뇌로 전달되어 BDNF 양을 증가시킬 뿐만 아니라 신경세포 생성 및 신경 보호 효과를 보였다. 그 밖에도 운동을 통해 간에서 분비되는 젖산(lactate), 베타하이드록시부틸레이트(β-hydroxybutyrate) 등의 대사체들도 운동에 의해 혈중 농도가 증가하고 뇌로 전달되면 인지기능과 관련된 뇌 속 유전자 발현을 조절하거나 신경세포 간 신호전달도 변화 및 신경세포 생성 등의 효과를 유발할 수 있었다.

최근에는 운동이 신경염증을 낮추어서 인지기능에 긍정적 효과를 낳을 가능성이 보고됐다. 신체 활동량이 낮은 사람은 복강 지방량이 증가하고, 그 결과 신체 전체에 염증 신호체계들이 과도하게 활성화된다는 것은 이미 잘 알려져 있다. 여기에 신체 활동량이 낮은 사람들은 과도한 염증반응에 따라 제2형 당뇨병, 심혈관계 질환, 대장/유방암, 우울증, 치매 등의 발병률이 올라간다는 사실도 최근에 알려지기 시작하였다. 뇌 속의 만성염증 반응은 신경 세포 사멸을 증가시키고 신경세포 간 연결 구조인 시냅스(synapse)의 숫자를 비정상적으로 낮추어 신경회로망 기능을 저해하며, 새로운 신경세포 생성도 감소시켜 인지기능에 악영향을 미칠 수밖에 없다.

2021년 스탠포드 대학 Tony Wyss-Coray 박사 연구진이 꾸준히 운동한 생쥐들과 그렇지 않은 생쥐들의 혈액들을 비교 분석한 결과, 운동한 생쥐들의 혈액에 클러스터린(clusterin)과 같은 항염증 기능 단백질들이 많이 증가했음을 발견하였다. 클러스터린은 죽은 세포 잔해나 찌꺼기 단백질들을 제거하거나 면역기능 중 하나인 보체(complement)의 작용을 제어하는 항염증 기능이 있다. 운동을 하지 않은 생쥐의 혈액에 합성된 재조합 클러스터린 단백질을 주입하였더니 혈중 클러스터린 일부가 뇌 속으로 이동되었으며, 뇌 속의 염증 관련 유전자 발현이 현저히 낮아지는 효과가 있었다.

---

몰아서 하기 보다는 꾸준하게…효과적인 유산소 운동 TIP

운동이 뇌를 ‘풍부’하게 만든다는 과학적 증거들은 확실하다. 누구나 운동의 긍정적 효과들을 실생활에서 구현하고 싶지만, 어떤 운동, 어떻게 시작해야 할지 막막할 수 있다. 운동은 ‘체력 개선 또는 유지를 목적으로 계획적, 구조적, 반복적으로 하는 신체활동의 한 종류’라 정의할 수 있다. 그러므로 자신의 신체 조건 및 생활 조건들에 부합하는 신체활동들을 꾸준하게 수행하여 체력 개선 및 유지를 달성할 수 있다면 ‘운동’을 하고 있다고 볼 수 있다.

일상생활 속에서 가장 쉽게 수행할 수 있으면서도 신체 건강 증진에 긍정적 효과가 가장 잘 알려진 운동은 유산소 운동(aerobic exercise)이다. 유산소 운동은 근육을 일정 시간 동안 규칙적으로 움직이는 활동이며 심폐지구력 향상에 도움이 된다. 시속 6km 이상으로 빠르게 걷기, 달리기, 자전거, 줄넘기, 수영, 테니스, 배드민턴 등이 이에 속하며, 최대 심박수 대비 70% 정도를 유지할 수 있는 수준의 운동 강도라고 보면 된다.

하지만 1시간 동안 빠르게 걷는 운동이 같은 시간 동안 달리기 하는 것과 같은 효과를 낼 수는 없다. 여러 연구결과에 공통으로 보고된 바에 따르면 운동량이 많을수록 뇌 속 변화는 이에 비례하여 증가한다고 한다. 즉, 평소의 운동량이 많을수록 인지 증강 효과가 크다는 것이다.

그리고 한 번에 몰아서 하고 불규칙적으로 하는 것보다 적절한 강도의 운동을 규칙적으로 오래 하는 것이 더 효율적이다. 실험용 쥐들을 대상으로 한 연구에 따르면 유산소 운동에 의한 뇌 속 변화가 확연히 나타나는 운동 기간은 매일 달리는 운동을 수행하는 기준 최소 2~4주 이상이다. 운동을 멈추게 되면 1~2주 안에 뇌 속에서 벌어졌던 유의미한 효과들은 점차 감소하게 된다. 앞서 언급한 인간 대상 추적 연구에서도 운동을 꾸준히 한 사람이 이를 중단했을 때, 늦은 나이에 운동을 시작한 사람보다 노화성 기억 감퇴 정도가 더 높았다는 발견과 일맥상통하는 면이 있다.

실험 쥐들의 수명이 2년 정도이고 대사 속도가 인간들보다 훨씬 빠르다는 점 등을 감안한다면, 우리는 수 개월 이상 지속적인 기간을 유지할 수 있는 운동들을 고민하는 것이 필요하다. 미국 신경학회 등에서 경도인지장애 치료 효과를 위해서 주 2회 이상 운동하는 것을 추천한 것처럼 한 번에 몰아서 하는 것보다는 주 2회의 규칙성을 갖고, 자신의 신체 조건에 맞는 운동량은 개인별로 탐색하여 오랫동안 지속적으로 수행할 수 있는 유산소 운동이 좋을 것이다. 자신의 생활 패턴 및 업무 환경에 맞게 부상의 위험을 피할 수 있는 최대 심박수 60~70% 수준을 사용하는 중강도 이상의 활동을 주당 150~300분 정도를 지키는 것을 추천한다.

---

근육량 많을 수록 인지기능 유지에 유리해

근력 운동의 중요성도 빼먹을 수는 없다. 근육은 모든 신체활동의 필수적인 요소이므로 이를 유지하거나 성장시키는 것은 더 많은 신체활동을 효율적으로 수행하는 데 도움이 된다. 그뿐만 아니라 근육량은 인지기능 향상에 영향을 준다.

2015년 영국 킹스칼리지 대학의 팀 스펙터(Tim Spector) 교수 연구팀은 일란성 쌍둥이 여성들을 대상으로 한 10년간 추적 조사에서 각각의 다리 근력과 인지능력, 두뇌 부피 등의 상관관계를 조사했다. 그 결과, 쌍둥이 중에서 근력이 좋은 쪽이 그렇지 않은 쪽보다 노화에 따른 인지 감퇴 속도가 늦었고 두뇌 부피 및 백색질 감소도 훨씬 적었던 것으로 나타났다.

이는 운동에 의해 분비되는 마이오카인 양이 근육량에 비례하여 더 많이 분비되기 때문에 근육량이 많은 사람들이 인지기능 유지에 더 유리한 것으로 추측된다. 반대로 적은 활동량 또는 노화 및 질병 등에 의해 근육량이 감소하면 인터루킨6과 같은 일부 마이오카인들이 분비되어 염증반응을 촉진하거나 마이오스태틴(myostatin)과 같은 근육 감소 마이오카인 분비량이 증가하여 근육 감소가 가속화되는 것으로 알려져 있다. 따라서 근육의 성장을 외면한다면 결국 인지기능에 긍정적 역할을 담당하는 마이오카인의 효과들도 감소하게 될 것이다.

그러므로, 꾸준한 유산소 운동과 더불어 근력 운동도 일부 수행한다면 근육량 증가 또는 유지에 도움이 되어 운동수행 능력도 올라가고 인지 건강도 챙길 수 있을 것이다. 참고로 보건복지부가 발간한 ‘한국인의 신체활동 지침서(2023) 개정판‘에서 권장하는 근력 운동권장량은 일주일에 2회 이상이다.

꾸준한 운동은 인지기능을 높여 직장에서도 업무를 창의적이고 효율적으로 수행하는 데 큰 도움이 될 수 있다. 뿐만 아니라 비인지적 업무 능력 향상에도 중요한 요소가 될 수 있다. 최근 미시간 대학 웨이윤 첸 (Weiyun Chen) 교수 연구팀이 520명의 회사원을 대상으로 연구한 결과에 따르면, 평소에 적절한 운동량을 갖고 있는 회사 직원들이 신체 활동량이 낮은 직원들에 비해 ‘번아웃’이라 불리는 감정적 피로도가 유의미하게 낮고 개인적 업무 성취감이 훨씬 높다는 것을 발견할 수 있었다. 해당 연구에서는 운동량이 많다고 해서 정서적 피로의 감소 또는 업무 성취감이 비례해서 올라가지는 않았다는 점도 발견됐다. 이는 적절한 강도의 운동을 지속적으로 유지하는 것이 비인지적 업무 능률을 위해 가장 효과적이라는 것을 의미한다.

이처럼 운동은 개인의 건강과 조직의 건강을 위해서도 필수적인 활동으로 주목받아야 한다고 생각한다. 개인 차원에서는 무더위에 지쳐 여름 동안 활동량을 줄였었다면, 날씨가 선선해지는 만큼 자신만의 운동 루틴을 만들어 업무 내외적으로 건강을 챙겨보기를 바란다. 조직 차원에서는 임직원들이 업무와 운동을 병행할 수 있는 환경을 조성하는 것은 생산성을 개선하고 비용 절감 및 이직률 감소 등의 효과를 가져올 수 있다는 점에 주목하여 이와 관련한 변화를 만들어 보길 바란다.

※ 본 콘텐츠는 한국뇌연구원 박형주 책임연구원의 기고를 받아 작성되었습니다.