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[강석기의 과학카페]머리 큰 사람 vs 작은 사람, 뇌 구조도 다르다

2018년 06월 05일 15:17

수년 전 연예인들이 병영체험을 하는 예능 프로그램이 있었다. 전날 밤잠을 설치고 입소해 군복과 장비를 지급받을 때 가끔 군모 때문에 해프닝이 벌어진다. 머리가 너무 작아 군모를 쓰면 이마가 안 보일 정도가 되는 여자 출연자가 있는 반면 너무 커 맞는 군모가 없어 당황하는 남자 출연자도 있다. 물론 반응은 대조적이다. 소두(小頭) 연예인은 감탄과 부러움의 대상인 반면 대두(大頭) 연예인은 한바탕 웃음을 선사한다!

 

그런데 생각해보면 이런 반응이 좀 이상하다. 인류의 진화에서 가장 큰 특징이 뇌가 커지는 경향이고 그러려면 뇌를 담고 있는 두개골도 커질 수밖에 없다. 따라서 머리가 크다는 건 뇌가 크다는 말이므로 부러움의 대상이 돼야 하지 않을까. 그런데 호모 에렉투스 수준으로 뇌가 작은 사람들이 오히려 선망의 대상이니 말이다.

 

이미지 확대하기머리가 크다는 건 뇌가 크다는 말이므로 부러움의 대상이 돼야하지 않을까?
머리가 크다는 건 뇌가 크다는 말이므로 부러움의 대상이 돼야하지 않을까?

‘그렇게 따지면 네안데르탈인이 더 똑똑한 것 아닌가?’ 이렇게 반문할 독자도 있을 것이다. 실제 네안데르탈인 남성의 평균 뇌 용량은 1600cc로 호모 사피엔스 남성 평균 1350cc보다 더 크다. 물론 이에 대해 과학자들은 뇌의 크기뿐 아니라 구조도 인지능력에 영향을 미치기 때문이라고 설명한다. 즉 우리의 뇌가 훨씬 효율적으로 조직화된 결과 네안데르탈인보다 지능이 높아졌다는 말이다.

 

 

소두는 뇌용량 1000cc도 안 돼

 

지난해 3월 학술지 ‘사이언스’에는 중국 허난성에서 발굴된 11만 년 전 두개골의 뇌용량을 계산한 결과 1800cc로 나왔다는 연구결과가 실렸다. 함께 나온 다른 두개골은 뼈가 부족해 정확히 계산할 수는 없지만 적어도 네안데르탈인 수준은 된다고 덧붙였다. 한마디로 네안데르탈인을 능가하는 ‘대두인(大頭人)’이 동아시아에 살았다는 말이다. 논문에서 연구자들은 이 인류의 실체에 대해 언급하지 않았지만 두개골 형태를 볼 때 네안데르탈인의 사촌인 데니소바인으로 보는 사람들이 많았다.

 

이미지 확대하기중국 동부 허난성에서 발굴된 약 11만 년 전 인류의 두개골 ‘쉬창 1’은 눈 위 뼈가 튀어나와 있고 납작하면서 좌우 폭이 넓다. 무엇보다도 뇌용량이 1800cc에 이르러 현생인류보다 훨씬 크다. 아래 지도는 화석이 나온 링징(Lingjing site)의 위치를 보여준다. - 사이언스 제공
중국 동부 허난성에서 발굴된 약 11만 년 전 인류의 두개골. 무엇보다도 뇌용량이 1800cc에 이르러 현생인류보다 훨씬 크다. 아래 지도는 화석이 나온 링징(Lingjing site)의 위치를 보여준다. - 사이언스 제공

당시 논문을 보면 네안데르탈인과 현생인류의 상한선이 그 수준이라는 문구가 나온다. 뇌용량 크기의 진화는 평균값을 얘기하는 것임에도 현생인류에서 이 정도로 편차가 클 것이라고는 미처 생각하지 못하고 있던 필자는 좀 놀랐다. 즉 평균이 1350cc인데 상한선이 1800cc라면 평균이 1200cc 내외인 여성 뇌용량의 하한선은 1000cc가 안 될 것이고 그렇다면 그 차이가 두 배에 이를 수도 있기 때문이다.

 

이런 관점에서 보면 대두 연예인을 소두 연예인에 비교하며 “머리가 두 배”라고 말하는 게 과장이 아닐지도 모른다. 즉 길이가 아니라 부피를 크기로 인식한다면 두 배라고 하더라도 막상 1차원(예를 들어 머리 폭)은 26% 더 긴 것에 불과하기 때문이다(머리 형태는 같다고 했을 때). 재 보지는 않았지만 이 정도 차이는 나지 않을까. 만일 그렇다면 소두 연예인 가운데 뇌 무게가 ‘그램’ 단위인 경우도 있다는 말이다. 

 

 

뇌용량 차이 두 배 넘어

 

학술지 ‘사이언스’ 5월 31일자 온라인판에는 뇌 크기(용량)의 차이와 관련한 연구결과가 실렸다. 논문은 “전형적인 발달과정에서 뇌 크기는 두 배 이상 차이가 벌어질 수 있다”는 문장으로 시작한다. 실제 대두 연예인의 뇌용량이 소두 연예인의 두 배에 이를 수도 있다는 말이다. 논문을 소개하기에 앞서 뇌 크기에 대해 잠깐 살펴보자.

 

먼저 뇌용량은 남녀 사이에 차이가 꽤 있다. 논문에 따라 평균값은 조금씩 다르지만 여자가 남자보다 12% 정도 작다. 대체로 여성이 남성보다 얼굴이 작은 이유다. 참고로 이를 1차원으로 환산하면 여성의 머리 폭이 4%쯤 짧다는 얘기다(역시 머리 형태가 같다고 했을 때). 

 

그렇다면 뇌용량과 키의 관계는 어떨까. 여자의 평균 키가 남자보다 작으므로 비례관계인 것처럼 보인다. 한국인의 경우 여자 평균 키는 162.3cm로 로 남자의 174.9cm에 비해 7% 작다. 이를 부피(몸무게)로 보면 20% 덜 나간다(체형이 같다고 했을 때). 그러나 성별을 나눠 비교하면 얘기가 달라진다. 키가 클수록 뇌용량도 약간 커지기는 하지만 기울기가 완만하다. 사실상 뇌용량과 키는 별 관계가 없다는 말이다. 

 

좀 이상한 것 같지만 성장 과정을 보면 그렇지도 않다. 뇌는 생후 급격히 커지고 10세 무렵에 성장이 완성되지만 키는 사춘기에 훌쩍 큰다. 즉 뇌의 성장과 몸의 성장이 따로 일어나기 때문에 상관관계가 약한 것이다. 남녀에서 평균 뇌용량과 평균 키가 비례관계인 것에 대한 의미는 뒤에서 논한다.

 

이미지 확대하기뇌용량과 키의 관계를 보여주는 그래프. 키가 클수록 뇌용량도 커지지만 증가폭은 미미하다. 반면 모든 키의 범위에서 키가 같을 경우 여성의 평균 뇌용량이 남성보다 작다. 18~22세 이란 여성 452명, 남성 320명의 측정 결과다. 여성 평균은 1163cc로 남성 평균 1343cc보다 14% 작아 다른 데이터보다 차이가 다소 나는 편이다. 뇌용량이 1000cc(ml)에 못 미치는 여성이 몇 명 보인다. 남녀 모두 좌우 말단의 그래프 곡선은 사람 수가 적어 통계적으로 의미가 없다. - ‘임상 신경학 및 신경외과’ 제공
뇌용량과 키의 관계를 보여주는 그래프. 키가 클수록 뇌용량도 커지지만 증가폭은 미미하다. 반면 모든 키의 범위에서 키가 같을 경우 여성의 평균 뇌용량이 남성보다 작다. 18~22세 이란 여성 452명, 남성 320명의 측정 결과다. 여성 평균은 1163cc로 남성 평균 1343cc보다 14% 작아 다른 데이터보다 차이가 다소 나는 편이다. 뇌용량이 1000cc(ml)에 못 미치는 여성이 몇 명 보인다. 남녀 모두 좌우 말단의 그래프 곡선은 사람 수가 적어 통계적으로 의미가 없다. - ‘임상 신경학 및 신경외과’ 제공

많은 경우 키 차이가 실제보다 더 커 보이는 것도 머리와 몸의 비율이 키에 따라 다르기 때문일 것이다. 머리 크기는 비슷한데 몸 크기가 다르므로 키가 작은 사람은 더 작아 보이고 키가 큰 사람은 더 커 보이는 것이다. (키가 작은 필자가 역시 키가 작았던) 미셸 드 몽테뉴의 표현을 빌자면 ‘키가 작은 사람들은 아담하기는 하지만 수려하지는 못하다’는 말이다.

 

남녀 키가 같은 경우 대체로 여자가 더 커 보이는 것도 머리가 작은 게 이유일 것이다. 키 크고 머리 작은 예쁜 여성을 가리켜 ‘8등신 미녀’라고 부르는 이유다. 

 

한편 인종에 따라서도 뇌용량이 좀 다르다. 주변에서 백인들 얼굴이 작다고 부러워하는 걸 본 적이 있는데, 부러워할 건지는 모르겠지만 제대로 보기는 했다. 백인들의 두개골은 동북아시아인들에 비해 좌우로 짧고 앞뒤로 길어 정면에서 보면 얼굴이 더 작아 보이기도 하지만 실제 평균 뇌용량도 약간 작다. 그리고 흑인의 뇌용량은 백인보다도 더 작다.

 

이미지 확대하기원주민을 대상으로 한 뇌용량 지도로 고위도 지역일수록 뇌가 크다. 1984년 논문을 발표한 인류학자들은 이 현상을 기후로 설명했다. 즉 아프리카에서 퍼져나간 현생인류가 추운 지역에서 체온을 유지하는데 유리한, 부피 대비 표면적의 비율이 낮은 체형으로 진화하는 과정에서 머리도 커졌다는 것이다. 지도를 보면 한국인은 머리가 꽤 크다. - ‘Current Anthropology’ 제공
원주민을 대상으로 한 뇌용량 지도로 고위도 지역일수록 뇌가 크다. 1984년 논문을 발표한 인류학자들은 이 현상을 기후로 설명했다. 즉 아프리카에서 퍼져나간 현생인류가 추운 지역에서 체온을 유지하는데 유리한, 부피 대비 표면적의 비율이 낮은 체형으로 진화하는 과정에서 머리도 커졌다는 것이다. 지도를 보면 한국인은 머리가 꽤 크다. - ‘Current Anthropology’ 제공

 

신피질 차이 더 두드러져

 

인류 진화에서 뇌용량의 팽창을 중요한 요소로 다룬다는 걸 생각하면 뇌용량이 정상범위에서 두 배 이상 차이가 난다는 건 놀라운 일이다. 만일 내부 구조도 비례해 차이를 보인다면 뉴런의 수도 두 배 차이가 난다는 뜻이기 때문이다. 이 경우 뉴런 사이의 연결, 즉 시냅스 숫자의 차이는 더 클 것이다(배선의 조합이 확 늘기 때문에). 

 

뇌가 클수록 더 똑똑하다고 말할 수는 없겠지만(과포화일 수도 있으므로) 적어도 1000cc가 안 되는 사람들은 인지능력에 뭔가 문제가 있지 않을까. 그러나 소두 연예인들의 재치있는 말과 행동을 보면 그런 것 같지는 않다. 아무튼 뇌용량의 큰 편차는 선뜻 이해가 되지 않는 현상이다.

 

미 국립정신건강연구소(NIMH)가 주축이 된 다국적 공동연구팀은 3000명이 넘는 사람들의 뇌를 스캔한 자기공명영상(MRI) 데이터를 분석해 뇌 크기에 따라 구조가 다르다는 놀라운 사실을 발견했다. 즉 뇌의 대뇌피질 표면적을 부위별로 분석한 결과 뇌가 커짐에 따라 일률적으로 비례해서 넓어지는 게 아니라 증가 폭이 더 큰 부분도 있고 덜한 부분도 있었다.

 

이미지 확대하기3000여 명의 뇌 MRI 데이터를 분석한 결과 뇌용량이 커질 때 뇌의 모든 부분이 비례해서 커지는 것은 아니라는 사실이 밝혀졌다. 즉 감정이나 감각, 운동을 관장하는 영역은 완만하게 커진 반면(파란색) 인지와 디폴트모드네트워크에 관여하는 신피질은 가파르게 증가했다(빨간색). 그 결과 뇌를 유지하는데 들어가는 대사 비용이 크게 늘어야 한다. -‘사이언스’ 제공
3000여 명의 뇌 MRI 데이터를 분석한 결과 뇌용량이 커질 때 뇌의 모든 부분이 비례해서 커지는 것은 아니라는 사실이 밝혀졌다. 즉 감정이나 감각, 운동을 관장하는 영역은 완만하게 커진 반면(파란색) 인지와 디폴트모드네트워크에 관여하는 신피질은 가파르게 증가했다(빨간색). 그 결과 뇌를 유지하는데 들어가는 대사 비용이 크게 늘어야 한다. -‘사이언스’ 제공

즉 전전두엽과 외측 측두정엽(temporoparietal), 내측 두정엽은 차이가 더 벌어진 반면 변연계와 1차 시각영역, 1차 감각운동영역은 차이가 덜했다. 즉 상대적으로 최근에 진화한 신피질(neocortical)에서 차이가 더 컸고 피질하(subcortical)이라고 불리는 진화적으로 오래된 부분은 차이가 적었다는 말이다. 

 

그런데 호모속(屬) 인류 뇌 진화의 가장 큰 특징이 신피질 그 가운데서도 전전두엽의 급격한 팽창 아닌가. 이에 따르면 이번 발견이 ‘머리가 클수록 지능이 높다’는 가설을 적어도 간접적으로 입증했다고 해석할 수 있지 않을까. 물론(!) 연구자들은 논문에서 이런 위험한 주장을 하지는 않았다. 대신 대사의 관점에서 흥미로운 언급을 하고 있다.

 

 

머리 큰 사람은 더 먹어야

 

즉 뇌가 커질수록 신피질이 더 급격히 커지고 그 결과 뉴런 사이의 네트워크도 복잡해져 이를 유지하기 위한 비용도 꽤 늘어날 것이라는 말이다. 게다가 신피질의 상당 부분은 평소에도 정보를 주고받는 ‘디폴트모드네트워크(default mode network)’를 이루고 있기 때문에 다른 뇌 부위보다 대사율이 높다. 즉 포도당을 많이 소모한다는 말이다.

 

소위 ‘비싼 조직(expensive tissue)’으로 불리는 뇌는 무게로는 체중의 2%에 불과하지만 쉬고 있을 때 전체 에너지 소모량의 20%나 차지한다. 따라서 뇌가 클수록 에너지 소모량도 늘어나기 마련인데 상대적으로 에너지를 더 많이 쓰는 신피질이 더 가파르게 늘어나므로 에너지가 더 들어간다는 얘기가 된다. 결국 뇌가 아주 작은 사람은 뇌의 에너지 소모량이 전체 에너지의 15% 수준인 반면 뇌가 아주 큰 사람은 30%에 가까울 수도 있다는 말이다.

 

이미지 확대하기뇌가 아주 큰 사람은 에너지 소모량도 늘어나기 마련이다 -사진 GIB 제공
뇌가 아주 큰 사람은 에너지 소모량도 늘어나기 마련이다 -사진 GIB 제공

앞서 남녀의 평균 뇌 크기 차이와 평균 키 차이가 비례관계에 있는 현상도 대사의 관점에서 설명할 수 있지 않을까. 즉 여성의 덩치(몸무게)가 20% 정도 작은 상태에서 비싼 조직인 뇌의 용량도 12%쯤 작게 진화한 게 아닌가 한다.  

 

설사 뇌가 클수록 IQ가 높다고 하더라도 그 차이는 그리 크지 않을 것이다. 요즘 젊은 사람들에게 ‘IQ가 약간 더 높은 대두와 약간 낮은 소두 가운데 어떤 쪽을 원하냐?’라는 질문을 한다면 열에 아홉은 후자를 택할 것 같다는 생각이 든다.

 

이미지 확대하기뇌용량이 클수록 IQ가 높다는 연구결과가 많지만 증가 폭이 미미해 큰 의미가 없다는 반론도 있다. 20세기 최고 천재 아인슈타인은 머리가 작았다. 1955년 아인슈타인이 76세로 사망한 뒤 꺼내 측정한 뇌의 무게는 1230g으로 부피로 환산하면 1190cc 내외다. 노화로 뇌가 약간 줄어들 수 있음을 감안하더라도 남성 평균에 못 미치는 크기다.
뇌용량이 클수록 IQ가 높다는 연구결과가 많지만 증가 폭이 미미해 큰 의미가 없다는 반론도 있다. 20세기 최고 천재 아인슈타인은 머리가 작았다. 1955년 아인슈타인이 76세로 사망한 뒤 꺼내 측정한 뇌의 무게는 1230g으로 부피로 환산하면 1190cc 내외다. 노화로 뇌가 약간 줄어들 수 있음을 감안하더라도 남성 평균에 못 미치는 크기다.

 

 

※ 필자소개
강석기 과학칼럼니스트 (kangsukki@gmail.com)

LG생활건강연구소에서 연구원으로 근무했으며, 2000년부터 2012년까지 동아사이언스에서 기자로 일했다. 2012년 9월부터 프리랜서 작가로 지내고 있다. 지은 책으로 『강석기의 과학카페』(1~6권),『생명과학의 기원을 찾아서』 등이 있고, 옮긴 책으로 『반물질』, 『가슴이야기』, 『프루프: 술의 과학』 등이 있다

 

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