부모들은 아기와 눈을 맞추면서 어르고 달래고 같이 놀 때 무한한 일체감과 행복을 맛본다. 자녀를 키워 본 부모들은 “어릴 때 자녀가 일생 동안 부모에게 할 효도를 다 한다”고 평가할 정도이다.

아기와 어른 사이의 이 친밀한 교감의 비밀이 뇌 과학자들에 의해 일부 밝혀졌다. 프린스턴 대학 연구팀은 아기와 어른이 자연스럽게 노는 동안 두뇌가 어떻게 상호작용하는지에 대한 첫 번째 연구를 수행했다.

과학자들은 아기와 어른의 신경세포 활동에서 측정 가능한 유사점을 발견했다. 즉, 장난감을 가지고 함께 놀거나, 눈을 마주칠 때 아기와 성인의 뇌 활동이 함께 발생했다가 중단되었다. 프린스턴 대학 아기 실험실(Princeton Baby Lab)에서 수행한 이번 연구는 아기들이 어떻게 세상을 보고, 이야기하고, 이해하는지를 잘 설명한다.

프린스턴 신경과학연구소(PNI)의 엘리스 피아자(Elise Piazza) 박사는 심리과학(Psychological Science) 저널에 발표한 논문에서 "이전 연구에서는 성인의 뇌가 영화를 보거나 이야기를 들을 때 동기화하는 것으로 나타났지만, 이 '신경세포 동기'가 어떻게 생후 첫해에 발달하는지에 대해서는 거의 알려져 있지 않다"고 말했다.

혈액 산소 측정으로 뇌 활성도 분석

연구팀은 신경세포 동기화가 사회성 개발과 언어 학습에 중요한 영향을 미친다고 주장했다. 아기와 어른 사이에서 일어나는 대면 커뮤니케이션을 실제로 연구하는 것은 꽤 어렵다.

대부분 유리 하슨(Uri Hasson) 교수 연구실에서 실시된 신경세포 커플링에 대한 과거 연구들은 기능성자기공명영상(fMRI) 장치를 이용해서, 어른들이 누워서 영화를 보거나 이야기를 들을 때 두뇌를 스캔하는 방식으로 이뤄졌다.

실시간 커뮤니케이션을 연구하기 위해서는 아기와 어른 뇌에서 동시에 뇌 활동을 기록하는 안전한 장치가 필요하다. 연구팀은 기능성 근적외선 분광학(fNIRS)을 이용한 새로운 쌍둥이 신경세포 영상 시스템을 개발했다. 이 장치는 신경세포 활동을 측정하기 위해 혈액 내 산소를 기록하기 때문에 매우 안전하다.

연구원들은 어른과 아이에게 fNIRS 센서가 촘촘하게 박힌 모자를 씌웠다. 어른과 아이가 장난감을 가지고 놀고, 노래 부르고, 책을 읽는 동안 발생하는 어른과 아이의 두뇌 신경세포 변화를 기록할 수 있었다.

실험은 두 부분으로 나누어져 진행됐다. 한 실험에서 어른 실험자는 아이가 부모 무릎에 앉아 있는 5분 동안 아이와 장난감을 가지고 놀거나, 동요를 부르거나, 영어 동화책 굿나이트 문(Goodnight Moon)을 읽어 주는 등 아이와 직접 소통했다. 다른 실험에서는 아이가 부모와 조용히 노는 동안, 어른 실험자는 옆으로 돌아서 다른 어른에게 이야기를 들려주었다.

연구팀은 아이의 머리에 씌운 모자로 예측, 언어 처리, 타인의 관점을 이해하는 데 관여하는 것으로 알려진 57개 뇌 채널에서 데이터를 수집하고 분석했다.

아이와 어른 실험자가 대면하는 동안 아이 뇌는 세상에 대한 높은 수준의 이해에 관여하는 것으로 알려진 여러 뇌 영역에서 어른의 뇌와 동기화되는 것을 발견했다. 아마도 이 같은 동기화가 아이가 이야기의 전체 의미를 해독하거나 어른의 독서를 분석하는 데 도움을 줄 것으로 추측된다.

아이 두뇌가 어른 두뇌 리드하기도    

어른과 아기를 서로 외면하고 다른 사람과 소통하자, 아이-성인 사이의 동기화는 사라졌다. 이 같은 결과는 연구팀의 예상과 맞아떨어졌지만, 예상하지 못한 놀라운 결과도 나타났다. 예를 들어, 가장 강력한 결합은 학습, 계획 및 실행 기능에 관여하는 전두엽 피질에서 발생했다. 이전 연구에서 이런 기능은 유아기에는 상당히 덜 개발된다고 생각하던 부분이었다.

프린스턴 아기 실험실의 르-윌리엄스(Lew-Williams) 소장은 "아기들이 수동적으로 정보의 입력을 받아들이는 대신, 어른의 뇌를 몇 초 앞서 이끌어 가는 것을 발견하고 놀랐다"고 말했다. 예를 들어 아기들은 어른 실험자가 어떤 장난감을 집어 들지, 어떤 말을 할 것인지 같은 내용을 어른에 앞서 집중하는 것이었다.

피아자는 "소통하면서 어른과 아이가 피드백 고리(loop)를 형성하는 것 같다"고 덧붙였다.

즉, 어른의 뇌는 아기가 언제 웃을지를 예측하고, 아기 뇌는 언제 어른이 더 많은 '아기 이야기'를 할지를 예측한다는 것. 피아자는 “아기와 어른이 함께 놀 때, 두 사람의 뇌는 역동적인 방식으로 서로 영향을 미친다.”고 말했다.

신경과학에 관한 이 두 가지 뇌 접근 방식은 간병인이 자폐증으로 진단된 어린이를 다루거나, 교육자들이 아이들의 다양한 두뇌를 수용하기 위해 어떻게 교수법을 최적화할 것인지를 이해하는 도움이 될 것으로 기대된다.