과학관의 뇌 모형 앞에 서면, 겉면을 빽빽하게 덮은 구불구불한 주름부터 눈에 들어온다. 지금 가장 유력한 설명은, 뇌의 겉층이 그 아래 속보다 옆으로 더 많이 자라는데 둘이 붙어 있어서 겉층이 접힌다는 것이다. 태아의 뇌를 본떠 만든 젤도 겉막만 부풀리자 뇌와 닮은 주름이 생겼다. 이렇게 속보다 더 자라 접히는 뇌의 겉층을 대뇌 피질(cerebral cortex)이라고 한다.
생물 교과서의 뇌 사진에는 겉면 곳곳에 골이 패어 있다. 뇌 주름은 둥글게 솟은 곳들 사이로 좁은 골이 깊이 파고 들어간 모양이다. 뇌는 왜 이렇게 주름져 있을까?
지금 가장 유력한 설명은, 뇌의 겉층이 그 아래 속보다 옆으로 더 많이 자란다는 데서 출발한다. 그런데 겉층은 속에 붙어 있어서, 더 자란 만큼 옆에서 눌린다. 눌린 겉층은 접히면서 그 힘을 푼다. 태아의 뇌를 본떠 만든 젤에서도 겉막만 부풀리자 태아 뇌와 닮은 주름이 생겼다.
다만 접힌 모양이 뇌처럼 둥글게 솟고 뾰족하게 파이는 것은 두 층의 단단함이 비슷할 때다. 머리뼈가 바깥에서 눌러서 생기는 주름도 아닌 것으로 보인다. 유전자가 주름 자리를 하나하나 그려 둔다는 증거도 없다. 유전자와 세포는 겉층이 얼마나 자랄지를 조절하고, 그렇게 자란 겉층이 어디에 어떤 꼴로 접힐지는 붙은 두 층이 눌린 힘을 어떻게 푸느냐로 정해진다.
겉층이 속보다 더 자라면
뇌를 가로로 잘라 보면, 겉에는 두께가 몇 밀리미터인 얇은 층이 뇌 전체를 감싸고 그 안쪽을 두툼한 속이 채운다. 뇌를 감싼 이 얇은 겉층을 대뇌 피질이라고 부른다. 주름이 지는 것은 이 겉층이고, 이 글에서는 앞으로도 그냥 겉층이라고 부른다.
주름이 처음부터 있는 것은 아니다. Tallinen 연구팀이 2016년 논문 도입부에 태아 뇌의 발달 기록을 들어 정리한 바로는, 임신 여섯째 달 전까지 태아의 뇌 겉면은 매끈하다. 여섯째 달에 첫 파인 곳들이 짧은 선으로 나타난다. 이 선들은 곧 길어지고 갈라지며, 새 파인 곳이 더해져 태어날 무렵에는 복잡한 주름 무늬가 된다. 주름은 뇌가 자라는 동안 생겨난다.
같은 논문은 겉층이 얼마나 자라는지도 숫자로 적었다. 사람의 뇌는 임신 22주 무렵부터 어른이 될 때까지 부피가 약 20배(약 60 mL에서 1,200 mL로) 커진다. 같은 동안 대뇌 피질의 넓이는 약 30배(약 80 cm²에서 2,400 cm²로) 늘어난다. 그런데 겉층의 두께는 거의 바뀌지 않는다. 늘어나거나 눌리기 전을 기준으로 약 2.5 mm, 변형된 상태로는 약 3 mm다. 부피보다 넓이가 훨씬 더 늘고 두께는 거의 그대로이니, 겉층은 주로 옆으로 자란다.
겉층이 혼자 떠 있다면 넓어지는 만큼 그냥 커지면 된다. 하지만 겉층은 아래 속에 붙어 있고, 속은 겉층만큼 넓어지지 않는다. 그래서 더 넓어지려는 겉층은 옆에서 눌린다. 같은 연구팀의 2014년 논문은 이때 일어나는 일을, 겉층이 접혀서 눌린 힘을 풀고 속이 모양을 바꿔 그 접힘을 받아 준다고 적었다.
이 설명을 젤로 시험한 실험도 있다. 연구팀은 2016년 논문에서 아직 주름이 없는 임신 22주 태아의 뇌 MRI 영상을 본으로 삼아, 그 모양을 3D 프린터로 뽑은 뒤 틀을 떠서 실리콘 젤로 같은 모양의 뇌를 만들었다. 이 젤 뇌 위에 얇은 젤 막을 한 겹 입혔다. 이 실험에서 부푸는 겉막은 겉층을, 그 아래 젤 뇌는 속을 맡는다.
이것을 액체에 짧게 담그자 겉막에만 액체가 스며 겉막이 부풀었고, 겉면에 태아 뇌와 닮은 파인 곳과 솟은 곳이 생겼다. 같은 젤 뇌로 실험을 여러 번 되풀이해도 거의 같은 주름 무늬가 다시 나왔다. 다만 젤은 실제 태아 뇌처럼 부피를 20배까지 키우지 못해, 임신 30~34주 무렵의 모양까지만 따라갔다.
머리뼈가 겉에서 눌러 주름이 생긴다고 생각하기 쉽다. 2014년 논문은 실험 증거로 보아 머리뼈나 뇌를 싼 막의 압박이 주름에 꼭 필요하지는 않은 것으로 보인다고 적었다. 머리뼈는 솟은 곳 꼭대기를 납작하게 하는 정도로 생김새에 영향을 줄 수 있다는 것이다.
2016년 논문은 주름 무늬와 맞아떨어지는 화학적 밑그림이 겉층에 미리 깔려 있다는 증거는 없다고 적는다. 그렇다고 유전자가 하는 일이 없는 것은 아니다. 같은 논문은 요약의 마지막 문장에서 유전자의 몫과 역학(힘이 모양을 만드는 이치)의 몫을 이렇게 나눴다.
All together, our results show that although many molecular determinants control the tangential expansion of the cortex, the size, shape, placement and orientation of the folds arise through iterations and variations of an elementary mechanical instability modulated by early fetal brain geometry.
(종합하면, 우리 결과는 많은 분자 요인이 대뇌 피질이 옆으로 넓어지는 것을 조절하지만, 주름의 크기·모양·자리·방향은 초기 태아 뇌의 모양에 따라 달라지는 기본적인 역학적 불안정이 되풀이되고 변주되며 생긴다는 것을 보여 준다.)
Tallinen 외, 「On the growth and form of cortical convolutions」, Nature Physics 12, 588–593 (2016)분자 요인이 맡는 몫은 겉층이 옆으로 얼마나 넓어지는지다. 주름의 크기·모양·자리·방향은 그다음, 넓어진 겉층이 붙은 속에 눌리며 생기는 역학에서 나온다. 주름은 겉과 속이 다르게 자란 채로 붙어 있어서 생기는 모양이다.
겉층만 키워 보면
겉과 속이 다르게 자라 접히는 모습을 화면에서 볼 수 있게, 이 글은 뇌를 가로로 자른 단면을 아주 단순하게 줄인 두 겹 고리를 계산했다. 실제 뇌의 단면에서도 겉층은 속을 빙 둘러싼 띠라서, 평평한 띠 대신 닫힌 고리를 골랐다. 고리의 반지름은 겉층 두께의 10배이고, 반지름 절반보다 안쪽은 비워 둔 채 그 경계를 움직이지 않게 붙들어 두었다. 속은 자라지 않고, 겉층만 둘레 방향으로 자란다.
겉층이 처음 둘레 길이의 몇 배로 자라는지를 이 글에서는 성장비라고 부른다. 성장비를 1.0부터 0.05씩 올리며, 단계마다 바로 앞 모양에서 출발해 힘이 가장 적게 드는 모양을 찾았다. 파인 곳의 개수는 미리 정하지 않았고, 계산 결과로 정해진다.
그림 1의 입력 칸 하나는 성장비이고, 다른 하나는 겉층의 단단함이다. 단단함 1은 겉층이 속보다 10배 무르고, 2는 둘이 같으며, 3은 겉층이 10배 단단하다. 고리에서 회갈색 띠가 겉층, 그 안쪽 옅은 면이 속이다. 한가운데 점선 원은 붙들어 둔 안쪽 경계이고, 겉면 가까이 지나가는 옅은 점선 원은 겉면이 처음 있던 자리다.
오른쪽에는 맨 위에 지금 고른 단단함이 큰 글자로 적히고, 그 아래 회색 상자들이 성장비, 파인 곳의 수, 가장 깊이 파인 곳의 깊이를 차례로 보여 준다. 가장 깊은 곳은 고리 위에도 보라색 점으로 표시된다. 맨 아래 상자는 겉면 길이가 겉을 팽팽히 감싼 둘레의 몇 배인지를 재는데, 겉면이 매끈한 원이면 1.00이다. 겉을 팽팽히 감싼 둘레는 고리 바깥에 실을 팽팽하게 둘렀을 때의 길이로, 파인 곳 안으로는 들어가지 않는다. 계산은 성장비 0.05 간격으로 했다. 그림에는 0.25 간격의 여섯 칸만 실었고, 칸 사이의 모양은 이어 그리지 않는다.
- 겉층 단단함을 2(같음)에 두고, 성장비를 1.0부터 한 칸씩 올린다. 겉면에 파인 곳이 처음 나타나는 칸과, 그때 오른쪽 상자에 뜬 파인 곳의 수와 깊이, 맨 아래 상자의 값을 적는다.
- 성장비를 2.25에 둔 채 단단함을 1·2·3으로 바꿔 본다. 단단함마다 파인 곳의 폭과, 겉층의 아랫면(회갈색 띠의 안쪽 선)이 겉면을 따라 휘는지를 견준다.
- 손바닥을 편 채 다섯 손가락 끝을 천천히 한데 모아 오므리며, 손바닥 살갗에 주름이 생기는 자리를 본다.
1·2단계에서 적은 것은 다음 절에서 풀이한다. 2단계에서 본 세 가지 꼴은 값이 아니라 생김새로 2014년 논문의 그림과 견준다. 3단계의 손바닥은 마지막 절에서 다시 펴 본다.
단단함을 입력 칸으로 둔 것은 2014년 논문의 젤 실험과 견주기 위해서다. 그 실험도 겉막의 단단함을 세 가지로 바꿔 가며 접힌 모양을 견주었다. 같은 고리에서 바꾸는 것은 성장비와 단단함 두 가지뿐이어서, 꼴이 달라지면 그 까닭도 둘 가운데 하나에 있다.
두 층의 단단함이 다르면
두 층의 단단함이 같은 고리는 성장비 1.75 칸에서 얕게 파이기 시작한다. 이때 파인 곳은 4곳이고, 가장 깊은 곳도 겉층 두께의 0.5배에 그친다. 2.0 칸에 이르면 파인 곳이 15곳으로 늘고, 가장 깊은 곳이 겉층 두께의 2.0배가 되어 주름이 뚜렷해진다. 겉층이 눌리기 시작해도 매끈한 모양이 한동안 무너지지 않고 버티기 때문에, 그만큼 자라야 파이기 시작한다. 계산에서 성장비를 거꾸로 내려 보면, 이 고리는 1.6까지 접힌 채로 남는다.
단단함을 바꾸면 접히는 꼴이 갈린다. 성장비 2.25에서 겉층이 속보다 10배 단단하면, 고리 전체가 꽃잎 일곱 장처럼 넓게 물결치고 속까지 함께 휜다. 겉층이 10배 무르면 겉면만 좁고 뾰족하게 22곳이 파이고, 겉층의 아랫면은 거의 평평하게 남는다. 두 층이 같으면 솟은 곳은 둥글고 파인 곳은 뾰족하며, 아랫면도 겉면을 일부 따라 휜다. 뇌의 단면과 닮은 것은 이 세 번째 꼴이다.
눈으로 본 차이를 숫자로도 확인하려고, 이 글은 두 가지 잣대를 따로 쟀다. 하나는 파인 곳의 폭이고, 다른 하나는 겉층의 아랫면이 겉면을 얼마나 따라 휘는지다. 파인 곳의 폭은 단단한 갈래에서만 넓고, 아랫면은 단단할수록 겉면을 더 따라 휜다.
단단함은 언제 접히는지도 바꾼다. 이 고리에서 처음 접히는 성장비는 겉층이 단단한 고리 1.3, 같은 고리 1.75, 무른 고리 2.15였다. 겉층이 단단할수록 일찍, 무를수록 늦게 접힌다.
이 세 갈래는 2014년 논문이 첫 그림에 그린 세 경우와 짝이 맞는다. 그 그림에서 겉층이 훨씬 단단하면 매끈한 물결 주름이 생기고, 훨씬 무르면 겉면이 뾰족하게 파고든다. 단단함이 비슷하면 둥근 솟은 곳과 뾰족한 파인 곳이 함께 생긴다. 연구팀은 세 경우를 두 겹 젤로 만들어 이 그림을 확인했다. 또 무른 쪽에서 평평하게 남는 겉층 아랫면은 실제 뇌에서 보이지 않으며, 뇌의 겉층과 속은 실제로 단단함이 아주 비슷하다고 적었다. 세 갈래 모두 접히기는 하지만, 뇌처럼 생긴 주름은 두 층이 비슷하게 단단할 때 나온다.
같은 만큼 자라도 고리가 크면
단단함이 같고 성장비도 2.25로 같은 고리에서, 이번에는 고리 크기만 바꿨다. 고리 반지름을 겉층 두께의 5배, 10배, 15배, 20배로 키우자 파인 곳은 9곳, 15곳, 21곳, 33곳이 되었다(그림 2). 파인 곳 사이 간격은 처음 둘레로 재어 겉층 두께의 3.5~4.5배 사이였다. 간격이 크게 바뀌지 않으니, 둘레가 긴 고리일수록 파인 곳이 더 많이 들어간다.
2014년 논문의 계산도 많이 자란 뒤에는 간격이 겉층 두께의 약 4배에 머문다고 적었다. 두 계산은 조건이 달라 정확한 값을 견줄 수는 없지만, 간격은 둘 다 겉층 두께의 4배 안팎이다. 그림의 점선은 간격이 겉층 두께의 4배일 때 들어갈 개수로, 논문 식이 아니라 이 글의 어림이다.
실제 뇌에서도 비슷한 경향이 보고됐다. Mota와 Herculano-Houzel의 2015년 논문은 요약 첫 문장에서, 큰 뇌일수록 겉층이 더 많이 접혀 있는 경향이 있다고 적었다. 2014년 논문은 주름의 생김새가 겉층이 속보다 얼마나 더 자랐는지와, 뇌 크기에 비해 겉층이 얼마나 얇은지 두 가지로 정해진다고 보았다. 같은 만큼 자라도, 겉층 두께에 견줘 큰 뇌일수록 접힐 자리가 많다.
뇌 주름을 동물끼리, 사람끼리 견주면
페럿, 붉은털원숭이, 사람은 뇌 주름의 생김새가 서로 다르다. Yin 외(2025)는 세 종의 뇌 모양에서 출발한 계산과 젤 실험으로 이 차이를 따져 보았다. 논문에 붙은 쉬운 요약은 종 사이의 차이를 다른 접힘 규칙이 아니라, 처음 뇌 모양과 겉층이 자라는 빠르기의 차이로 설명했다고 적는다. 여기까지는 요약의 표현이다. 논문의 계산 값 표에서 겉층과 속의 성장비는 측정값이 아니라, 세 종 모두 같은 값으로 둔 가정이다. 종마다 다른 주름이 한 원리에서 나온다는 생각은, 앞에서 본 2016년 논문의 결론과도 맞닿는다.
젤이 아닌 살아 있는 세포로 해 본 실험도 있다. Karzbrun 외(2018)가 사람 줄기세포로 만든 작은 뇌 조직을 좁은 칸 안에서 기르자, 세포가 어느 밀도를 넘을 무렵 겉에 주름이 생겼다. 저자들은 이 조직이 실제 태아 뇌와 세포 구성도, 접히는 시기도 다르다고 밝혔다. 그래서 이 조직은 태아 뇌가 접히는 과정의 대역이 아니라, 살아 있는 세포에서도 접힘이 생긴다는 예다.
그렇다면 주름이 많으면 더 똑똑할까? 이 물음에 가까운 자료는 사람끼리 견준 연구다. Gregory 외(2016)는 성인 440명과 아동 662명에서, 일부 영역의 주름진 정도가 클수록 일반 인지능력 점수도 함께 높은 경향을 보고했다. 상관이 뚜렷한 영역들의 값을 골라 평균한 값은 사람마다 다른 점수 차이의 11.5%(성인)와 5.2%(아동)를 설명했다. 뇌 부피로 설명되는 몫을 먼저 넣으면, 주름이 더 보태는 몫은 6.4%와 1.5%였다. 상관이지 원인이 아니며, 저자들도 사람을 대상으로 한 몇 안 되는 앞선 연구들의 결과가 뚜렷이 엇갈렸다고 적었다.
같은 논문은 주름이 뇌 크기를 따라 는다는 점도 적었다. 앞 절의 「큰 뇌일수록 주름이 많다」와 같은 관찰이다. 지능과는 사람끼리 견준 상관만 보고됐고, 그 크기는 점수 차이의 5.2~11.5%를 설명하는 정도다. 역학 논문들은 주름의 개수와 꼴을 크기·자람·단단함으로 풀고, 그 풀이에 지능은 들어가지 않는다.
더 자란 겉층은 어디로 갈까
앞에서 3단계로 오므려 본 손바닥을 다시 펴 보면, 접혀 들어갔던 살갗이 도로 펴진다. 손바닥 살갗의 넓이는 그대로인데, 손을 오므리면 살갗이 덮을 자리가 좁아져 남는 살갗이 주름으로 접힌다. 이 설명은 이 글이 든 비유다. Yin 외 논문의 쉬운 요약도 뇌의 파인 곳을 손바닥에 생기는 날카로운 주름에 빗댔지만, 그 요약이 견준 것은 둘의 모양이다.
뇌의 겉층도 속보다 더 자란 만큼을 접어서 담는다. 그림 1의 고리에서 단단함이 같고 성장비가 2.25인 칸의 겉면 길이는, 겉을 팽팽히 감싼 둘레의 1.59배였다. 이것은 단면에서 잰 길이의 비라서, 넓이가 몇 배인지와는 다른 자다. 넓이로는, 2016년 논문의 계산에서 다 자란 뇌의 겉층 넓이가 밖에서 보이는 겉넓이의 약 4배였다.
같은 논문은 도입부에서, 주름이 넓은 겉층을 비교적 작은 머리뼈 안에 담는 효율적인 방식으로 진화해 왔다고 소개한다. 그 논문이 검증한 결론이 아니라 배경으로 적은 설명이다. 겉이 속보다 더 자라는데 둘이 붙어 있으면, 겉은 접혀서 남는 길이를 담는다.
더 읽기
- Tuomas Tallinen, Jun Young Chung, François Rousseau, Nadine Girard, Julien Lefèvre, L. Mahadevan, 「On the growth and form of cortical convolutions」, Nature Physics 12, 588–593 (2016) — https://doi.org/10.1038/nphys3632 · 저자 연구실 사본 https://softmath.seas.harvard.edu/wp-content/uploads/2019/10/Brain-morph.pdf
- Tuomas Tallinen, Jun Young Chung, John S. Biggins, L. Mahadevan, 「Gyrification from constrained cortical expansion」, PNAS 111(35), 12667–12672 (2014) — https://doi.org/10.1073/pnas.1406015111 · 공개 사본 https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC4156754/
- Bruno Mota, Suzana Herculano-Houzel, 「Cortical folding scales universally with surface area and thickness, not number of neurons」, Science 349(6243), 74–77 (2015) — https://doi.org/10.1126/science.aaa9101
- Sifan Yin 외, 「Morphogenesis and morphometry of brain folding patterns across species」, eLife 14:RP107138 (2025) — https://doi.org/10.7554/eLife.107138
- Eyal Karzbrun, Aditya Kshirsagar, Sidney R. Cohen, Jacob H. Hanna, Orly Reiner, 「Human Brain Organoids on a Chip Reveal the Physics of Folding」, Nature Physics 14(5), 515–522 (2018) — https://doi.org/10.1038/s41567-018-0046-7 · 저자 원고판 https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC5947782/
- Michael D. Gregory 외, 「Regional Variations in Brain Gyrification Are Associated with General Cognitive Ability in Humans」, Current Biology 26(10), 1301–1305 (2016) — https://doi.org/10.1016/j.cub.2016.03.021