Age-related differences in cortical functional connectivity during du al-task walking: a cross-sectional fNIRS study

걷기는 인간이 하는 가장 자동적인 일 중 하나입니다. 우리는 발을 들어 올리거나, 무게 중심을 옮기거나, 뒤꿈치를 내려놓는 것에 대해 생각하지 않습니다. 몸이 알아서 처리하는 동안 마음은 자유롭게 다른 생각을 할 수 있습니다. 그러나 나이가 들면서 이러한 자동적인 과정은 종종 더 의식적인 주의를 필요로 하기 시작합니다. 뇌는 다리를 안전하게 움직이게 하기 위해 더 열심히 노력해야 하며, 특히 마음이 쇼핑 목록을 기억하거나 대화를 나누는 것과 같은 다른 일을 하려고 할 때 더욱 그렇습니다. 몸을 움직이는 것과 생각을 하는 것 사이의 이러한 투쟁은 '이중 과제 수행(dual-tasking)'이라고 알려져 있으며, 이는 노화에 따른 숨겨진 변화가 가장 잘 드러나는 지점입니다. 과학자들은 오랫동안 노화하는 뇌가 이러한 상충하는 요구를 관리하는 방식을 재구성한다고 의심해 왔지만, 사람이 걷는 동안 뇌의 서로 다른 부분들이 정확히 어떻게 서로 소통하는지 관찰하는 것은 어려웠습니다. 이를 이해하기 위해 연구자들은 사람이 거대한 기계 안에 누워 가만히 있지 않고도 뇌의 활동을 관찰할 수 있는 방법이 필요했습니다.

중국의 한 연구팀은 건강한 노인과 건강한 젊은 성인을 비교함으로써 이 과정을 직접 관찰하고자 했습니다. 그들은 안전한 근적외선을 두피를 통해 투사하여 뇌의 바깥층의 혈류를 측정하는 휴대용 장치를 사용했습니다. 기능적 근적외선 분광법(fNIRS)이라고 불리는 이 기술은 사람이 자유롭게 움직이는 동안 뇌의 활동을 들여다보는 창 역할을 합니다. 연구진은 58명의 자원봉사자에게 세 가지 서로 다른 활동을 수행하도록 요청했습니다: 혼자 걷기, 앉아서 단어 게임 하기, 그리고 단어 게임을 하면서 동시에 걷기입니다. 단어 게임은 참가자들이 특정 글자가 포함된 단어를 떠올리도록 요구했는데, 이는 집중력과 기억력을 필요로 하는 작업입니다. 혈류 패턴을 측정함으로써, 연구팀은 신체를 움직이고 정신을 작동시키기 위해 뇌의 서로 다른 영역들이 어떻게 서로 연결되는지를 볼 수 있었습니다.

이 연구에는 중앙값이 67세인 노인 30명과 중앙값이 24세인 젊은 성인 28명이 참여했습니다. 뇌 스캔을 시작하기 전, 연구진은 노인 그룹이 기억력과 사고 속도에 대한 표준 검사에서 약간 낮은 점수를 받았음을 확인했는데, 이는 해당 연령대에서 일반적인 현상이지만, 모든 참가자는 걷고 말하는 데 어려움이 없을 정도로 건강했습니다. 참가자들은 운동 계획과 사고에 관여하는 것으로 알려진 머리의 앞부분과 윗부분을 덮는 센서가 달린 캡을 착용했습니다. 연구진은 자원봉사자들이 직선 경로를 따라 걷고, 숫자를 읊으며 조용히 앉아 있고, 마지막으로 단어를 생성하며 걷는 동안의 뇌 활동을 기록했습니다. 목표는 과제가 더 어려워질 때 뇌 영역 간의 통신 방식이 변하는지, 그리고 그 변화가 젊은 그룹과 비교했을 때 어떻게 다른지를 보는 것이었습니다.

결과는 두 연령 그룹이 걷기와 생각하기라는 도전을 처리하는 방식에서 명확한 차이를 보여주었습니다. 젊은 성인의 경우, 뇌의 통신 패턴은 놀라울 정도로 안정적이었습니다. 혼자 걷든 단어 퍼즐을 풀며 걷든, 뇌의 서로 다른 부분들 사이의 연결은 크게 변하지 않았습니다. 그들의 뇌는 내부 네트워크를 재구성할 필요 없이 추가적인 정신적 부하를 처리하는 것처럼 보였습니다. 그러나 노인들은 매우 다른 양상을 보였습니다. 걷는 동안 생각을 할 때, 특히 움직임을 계획하고 조정하는 데 책임이 있는 뇌의 오른쪽 특정 영역 내의 연결이 약해졌습니다. 동시에, 앞부분의 사고 영역과 언어 및 소리를 돕는 귀 근처의 영역 사이의 연결은 더 강해졌습니다.

이러한 변화는 과제가 어려워질 때 뇌의 통신 네트워크가 그 형태를 바꾼다는 것을 시사합니다. 움직임 계획 영역에서의 연결 약화는 뇌가 단어 게임으로 인해 바쁠 때 이 영역들이 평소의 조정 수준을 유지하는 데 어려움을 겪고 있음을 나타낼 수 있습니다. 반대로, 사고 영역과 언어 영역 사이의 더 강한 연결은 노인의 뇌가 요구에 대처하기 위해 네트워크의 다른 부분으로부터 추가적인 도움을 끌어 쓰고 있음을 시사합니다. 연구진은 이러한 변화가 무작위가 아니라는 것을 발견했습니다. 이러한 연결의 강도는 참가자들이 기억력 테스트를 얼마나 잘 수행했는지, 그리고 의자에서 얼마나 빨리 일어나 걸을 수 있는지와 관련이 있었습니다. 움직임 영역에서 더 강한 연결을 가진 사람들은 인지 테스트에서 더 높은 점수를 받는 경향이 있었던 반면, 사고와 언어 영역 사이의 더 강한 연결을 가진 사람들은 약간 다른 수행 패턴을 보이는 경한이 있었습니다.

연구는 또한 참가자들이 실제로 과제를 얼마나 잘 수행했는지도 살펴보았습니다. 이중 과제 걷기 동안 노인들은 젊은 성인보다 적은 수의 올바른 단어를 생성했는데, 이는 정신적 부하가 실제로 그들에게 더 힘들었음을 확인시켜 줍니다. 그러나 연구진은 단어 게임 중에 걷기 속도나 안정성이 정확히 어떻게 변했는지는 측정할 수 없었으므로, 노인들이 더 잘 생각하기 위해 걷기의 안전성을 희생했는지, 혹은 그 반대였는지를 확실히 말할 수는 없다고 언급했습니다. 이러한 발견은 걷기와 생각하기가 일어나는 순간에 국한되었습니다. 노인들이 단순히 걷거나 단순히 생각만 할 때는 뇌 연결이 젊은 그룹과 매우 유사했습니다. 이는 그들의 뇌가 어떻게 조직되어 있는지에 대한 독특한 차이점이 두 가지 일을 동시에 해야 할 때만 분명하게 드러난다는 것을 의미합니다.

이러한 관찰은 복잡한 일상 활동 중에 노화하는 뇌 내부에서 어떤 일이 일어나는지에 대한 더 명확한 시각을 제공합니다. 노화하는 뇌가 압박을 받을 때만 다른 연결 패턴을 보인다는 사실은, 뇌가 과제에 대처하기 위해 아마도 다른 경로를 사용하여 일을 완수하려는 적응의 과정임을 시사합니다. 이 연구가 이러한 변화가 좋은 것인지 나쁜 것인지를 증명하는 것은 아니지만, 뇌의 네트워크가 유연하고 순간의 요구에 반응한다는 것을 보여줍니다. 연구진은 표본 크기가 적절하지 않았고 이 연구가 특정 시점의 스냅샷이기에 시간이 흐름에 따라 이러한 패턴이 어떻게 변하는지는 보여줄 수 없다는 점을 인정했습니다. 또한 단어 게임의 설계 방식이 결과에 영향을 미쳤을 수 있으며, 사용된 기술이 뇌의 표면만을 본다는 점도 언급했습니다. 그럼에도 불구하고, 이 연구는 우리가 움직이고 생각하게 만드는 보이지 않는 조정을 수행하는 뇌의 모습을 구체적으로 보여주며, 노화하는 뇌가 단순히 느려지는 것이 아니라 주변 환경에 반응하여 스스로를 재배선한다는 것을 밝혀냈습니다.