[운동생리학] 규칙적인 운동이 뇌 기능에 미치는 영향

규칙적인 운동은 뇌 성장인자 신호를 증진하여 두뇌 건강을 향상시킨다. 특히 유산소 운동은 심장이 다른 신체 부위 뿐만 아니라 뇌에도 많은 혈액을 공급하게끔 한다. 혈액량이 많아지면 산소량도 많아져서 뇌세포에 영양 공급이 잘 된다. 따라서 규칙적으로 운동을 하면 뇌에서 생기는 신경성장유발물질인 BDNF 수치가 높아진다. BDNF는 신경 세포의 생성과 성장을 돕고, 신경전달물질의 분비를 촉진시킨다. 특히 학습과 기억을 관장하는 해마에서는 운동을 통한 새로운 신경세포의 생성이 두드러져 뇌의 학습과 기억 능력을 향상시킨다. 다시 말해 BDNF가 많은 뇌일수록 더 많은 지식을 수용할 능력이 있는 반면 BDNF가 낮은 뇌는 새로운 정보가 들어와도 스스로 차단한다는 것이다. 또한 앞서 명시한 것처럼 BDNF는 신경전달물질의 분비를 촉진시킴으로써 우울증상을 낮춘다. 전두피질과 특히 변연계의 노르에피네프린이나 세로토닌의 분비를 증가(정상화) 시키기 때문이다.

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원인에 상관없이 우울증은 뇌에 있는 신경전달물질들(neurotransmitters)의 불균형과 관계가 있다. 신경전달물질은 기분, 즐거움, 합리적 사고를 통제하는 뇌세포들의 활동에 영향을 미치는 화학물질들이다. 우울증에 관련된 두 개의 주요한 신경전달물질인 노레피네프린(norepinephrine)과 세로토닌(serotonin)은 스트레스에 대처하기 위해 필요한 행동적(동기유발), 생리적(심박수, 혈압, 호르몬) 반응들을 자극하는 다른 세포들의 신경활동을 조절한다. 계속적으로 스트레스를 받으면 노레피네프린과 세로토닌을 만들고 분비하는 신경들이 필요한 만큼 빠르게 대처하는 능력을 잃게 된다. 치료약을 복용하면 이러한 신경세포들이 2~3주내에 정상적인 기능을 되찾도록 도와준다. 규칙적인 운동은 약물요법과 비슷한 작용을 통하여 그러한 기능장애를 예방하고 상실된 기능을 되찾게 도와준다는 가설이다.
장기간 운동을 하면 전두피질(frontal cortex)과 특히 변연계(limbic system)에 노레피네프린이나 세로토닌의 분비가 증가(정상화)됨으로써 우울증상을 낮출 수 있다. 변연계는 피질 아래에서 뇌간을 둘러싸고 있는 뇌구조인데 감정, 기억, 집중, 성욕 등의 원초적 정서를 담당한다. 심장박동, 혈류량, 혈압, 각성의 증가 같은 교감신경 활동에 관여하는 노레피네프린이 부족하면 에너지, 흥미, 동기 등에 감소가 나타날 수 있고, 부교감신경 활동에 관련된 세로토닌은 변연계에서 인간의 정서안정에 관여하며 부족하면 불안이나 우울증이 발생한다.
이 가설은 Ransford(1982)에 의하여 처음 제안되었고 신경과학(neuroscience)적 접근을 선호하는 연구자들의 많은 관심을 불러일으켰다. 최근 지적 활동이 아닌 신체적 운동이 뇌를 좋게 한다와 같은 맥락의 과학적 사실이 많이 밝혀지고 있다. 특히 운동을 통해 분비되는 뇌 성장인자(Brain-Derived Neurotrophic Fator: BDNF)는 신경세포의 생성과 성장을 돕고 신경전달물질의 분비를 촉진시키는 역할을 한다. 이 인자는 스트레스, 우울증 또는 운동부족이 있을 때는 더 이상 분비되지 않는다.

<스포츠심리학>, 류호상 외, 페가수스, 2020

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장기간의 규칙적인 운동은 뇌 조직의 소실을 방지하고, 인지기능을 향상시킨다고 여러 연구에서 밝히고 있다. 지속적인 운동을 통해 다양한 성장인자(BDNF, IGF-1, VEGF, NGF)의 발현을 증가시켜 뇌의 해마, 대뇌피질, 후각망울, 뇌실하층 영역에서 새로운 신경세포의 생성이 증가한다는 것이다. 특히 BDNF는 신경세포의 성장, 생존을 조절하고 시냅스 가소성을 증가시키는 역할을 하는 것으로 알려져있다.

<복합 운동 프로그램이 초등학생의 기초체력, 뇌 신경영양인자 및 작업기억에 미치는 영향>, 김훈태 외 5명, 2015

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유산소운동을 하면 심장이 신체 다른 부위뿐만 아니라 뇌에도 많은 혈액을 공급한다. 혈액량이 많아지면 산소량도 많아져서 뇌세포에 영양 공급이 잘된다. 따라서 규칙적으로 운동을 하면 뇌에서 생기는 BDNF(Brain-Derived Neurotrophic Factor)의 수치가 높아진다. BDNF는 ‘신경세포 영양인자, 뇌유래 신경성장인자’라고 불린다. 뇌에서 만들어져 새로운 신경세포를 만들고 기존의 세포 기능을 개선하는 일을 한다. BDNF가 많을수록 기억을 하는 데도 유리해지는 것이다. 특히 기억에 관련된 핵심부위인 ‘해마’에서 BDNF의 역할을 매우 중요하다. 즉, 운동은 BDNF 생성을 촉진시킨다. 존 레이티 교수는 BDNF를 ‘뇌 기능을 높이는 획기적인 물질’이라고 부른다. 고차원적 사고에 이르는 거의 모든 활동을 촉진하기 때문이다. 규칙적으로 운동하면 BDNF 수치가 높아진다. 그러면 뇌 신경세포가 가지를 뻗어 서로 결합해 새로운 방식으로 신호를 주고받는다. 이것이 바로 학습이 진행되는 과정이다. 뇌세포 간의 결합점에서 일어나는 모든 변화는 새로 익혀 앞으로 다시 사용될 때를 대비해 저장되는 새로운 사실이나 기술을 의미한다. 즉, BDNF가 많은 뇌일수록 더 많은 지식을 수용할 능력이 있는 반면 BDNF가 낮은 뇌는 새로운 정보가 들어와도 스스로 차단한다.

<“운동을 하는 것은 뇌를 향상시키는 것” : 운동시키는 정신과 의사, 하버드대 존 레이티 교수>, 한국뇌과학연구원 편집부, 2019

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규칙적인 운동은 뇌 성장인자 신호를 증진하여 두뇌 건강을 향상 시킨다. 운동을 통해 분비되는 뇌 성장인자는 신경세포의 생성과 성장을 돕고 신경전달물질(노레피네프린, 세로토닌)의 분비를 촉진시키는 역할을 한다. 첫째, 해마에 긍정적인 영향을 미쳐 학습과 기억을 향상시킨다. 둘째, 신경 발생을 자극시켜 새로운 신경원을 형성한다. 셋째, 뇌 혈관 기능과 혈류를 향상시킨다. 마지막으로, 전두피질과 특히 변연계에 노레피네프린이나 세로토닌의 분비가 증가(정상화)됨으로써 우울증상을 낮출 수 있다.