인체 내 작은 우주, 뇌

천문학적인 미세단위로 기능하는, 뇌

뉴런·시냅스·신경전달물질이 만드는, 통신네트워크

연수부터 대뇌까지 진화한, 계층적 뇌구조

뇌의 탁월한 능력, 신경가소성·피드백루프

[Shorts] https://www.youtube.com/shorts/oOPYyHc46vw

 

대체 내 머리 속의 뇌는 무슨 일을 하는 것일까. 항상 느끼지만, 이 생각은 우주의 탄생과 진화를 고민할 때와 같이 신비로운 기분을 준다. 그래서 사람들이 뇌를 인체 내 작은 우주와 같다고 표현하곤 한다. 인간의 뇌는 감각정보·학습·기억·감정 등을 처리하고 통합하는 것 뿐만 아니라, 신체의 모든 기능을 통제하고 조정하는 역할을 하는 매우 복잡한 기관이다. 그럼 뇌는 어떻게 구성되고 작동하는지에 대해서 알아보자.

 

천문학적인 미세단위로 기능하는, 뇌

구성 1) 뉴런과 시냅스

 

인간의 뇌에는 1,000억개 가량의 뉴런이 있고, 1개의 뉴런은 약 1,000개의 시냅스를 가지고 있다고 한다. 즉 뇌에는 약 100조개의 시냅스가 있다. 뉴런(neuron)은 전기·화학적 신호를 전달하는 특수한 신경세포로, 뉴런 간의 접합인 시냅스(synapse)를 통해 서로 통신한다. 구체적으로 전기적 신호를 받아들여 화학적 신호로 변환함으로써, 다른 뉴론·세포들과 통신하는 것이다. 시냅스틈(synaptic cleft)은 한 뉴런의 축삭말단와 다른 뉴런의 수상돌기가 이루는 작은 공간으로, 이 곳에서 신경전달물질이 분출된다. 뉴런들은 정보처리·특정기능을 수행하기 위해 네트워크로 작동하고, 뉴런의 네트워크는 학습·경험을 통해 변경·강화될 수 있다.

일반적인 신경세포와 시냅스 구조 [출처:한겨레]

구성 2) 신경전달물질

뉴런들은 시냅스라는 특수한 구조를 통해 서로 정보를 나눈다. 시냅스에서는 축삭말단·가지돌기 간의 직접적인 접촉은 없고, 신경전달물질(화학적 메신저)를 통해 간접적으로 통신한다. 신경계가 사용하는 신경전달물질은 50개 이상이며 계속 새로운 것이 발견되고 있다. 신경계가 정상적으로 활동하기 위해서는 신경전달물질이 시냅스틈에 일정시간 이상 머무르지 못하게 하는 일도 중요한데, 어떤 신경전달물질은 시냅스전세포막으로 재흡수되고 또 어떤 것들은 효소에 의해 시냅스틈에서 분해된다. 신경전달물질의 3가지 계열에서 대표적인 물질은 다음과 같다.

 

아미노산 계열 : GABA, 글리신, 글루타메이트(글루탐산)

모노아민 계열 : 아세틸콜린, 에피네프린, 노르에피네프린, 도파민, 세로토닌, 히스타민

뉴로펩타이드 계열 : 엔돌핀, 물질-P, 뉴로펩타이드-Y

 

아미노산(amino acid) 계열은 체내비중이 가장 큰 신경전달물질로, 주로 중추신경계(CNS, Central nervous system)의 원시뇌에서 생존·신체통제 및 항상성을 유지하는 역할을 한다. 이전 글 <프로포폴에 이어, 해리성 약물>에서 언급한 GABA는 CNS의 약 30~40%를 차지하는 가장 비중이 큰 억제성 신경전달물질로, 포유류의 뇌에서만 존재하는 것으로 알려져 있다. 글리신(Gly, Glycine)도 GABA와 같은 억제성 신경전달물질이지만, GABA와 달리 뇌를 제외한 CNS에서만 작용한다. 

 

글루타메이트(Glu, Glutamate)는 CNS의 약 15~20%를 차지하는 흥분성 신경전달물질로, 해마에 다량 분포한다. Glu는 글루탐산탈탄산효소(GAD, Glutamic Acid Decarboxylase) 반응을 통해 억제성 GABA로 전향되기도 한다. 신체·정신의 균형을 위해서는 Glu와 GABA의 균형이 매우 중요하다. 화학조미료인 글루탐산나트륨(MSG, Monosodium Glutamate)는 Glu의 한 유형으로, 과거 인체에 해롭다는 부정적인 인식이 강했다. 하지만 MSG 과다섭취에도 인체에 무해하다고 알려지면서, 안전한 조미료로 인식이 변하고 있다. 다만 과다섭취가 일시적인 신경과민(흥분)을 유발할 가능성도 있다는 점에 유의해야 한다. 

 

모노아민(monoamin) 계열은 아미노산 계열보다 고도화된 역할을 하는데, 신경조정자(뉴로모듈레이터) 역할도 수행한다.  펩타이드(peptide)는 상대적으로 짧은 아미노산 사슬로 이뤄진 성분을 말하며, 전구단백질이 작게 잘려서 만들어진다. 

 

작지만 복잡한 구조의, 뇌

뇌의 단면은 회백질·백질·뇌실·뇌혈관계로 구분된다. 회백질(gray mater)에는 뉴런들이 모여 있으며, 백질(white mater)은 축삭돌기들이 다발을 형성하고 있으며, 뇌실은 뇌척수액을 채워져 있다. 또한 뇌는 계층적 구조로 이뤄져 있다. 뇌의 가장 아래에 있는 연수는 척수와 연결되어 있으며, 연수 위로 교뇌가 있다. 교뇌를 기준으로 위로는 중뇌, 뒤로는 소뇌가 있다. 중뇌 위에 위치한 간뇌는 시상·시상하부·뇌하수체로 구성되어 있다. 뇌의 대부분을 차지하는 대뇌는 간뇌를 둘러싸고 있으며, 기저핵·변연계·대뇌피질로 구성된다. 

뇌의 회백질과 백질 [출처:교육을바꾸는사람들]

구조 1) 뇌간 (연수·교뇌·중뇌)

 

뇌간(brainstem)은 척수·뇌를 연결하는 부분으로, 연수·교뇌·중뇌를 포함하는 개념이다. 가장 오래된 뇌인 만큼 가장 기본적인 기능(생명유지·의식각성·운동 등)을 수행한다. 뇌간 전체에서 말초신경 중 하나인 뇌신경 12쌍이 얼굴·내장을 향해 뻗어 나온다. 망상체(reticular formation)는 뇌간의 중심부에 위치하는 그물형의 구조물로, 많은 신경(핵)들이 서로 연결망을 이루고 있다. 확산조절계는 망상체가 뇌 전반에 뻗친 신경망을 말한다. 망상체가 분비한 신경전달물질(세로토닌·도파민·아세틸콜린·노어에피네프린·에피네프린 등)이 뇌 전체로 전달되면서, 의식각성·수면조절·감정(정서)·수의운동·학습·기억 등의 조절작용을 한다.

연수는 생명유지기능(호흡·맥박, 내장운동 등)을 하고, 교뇌는 신경섬유의 소뇌와의 연결을 한다. 중뇌는 의식각성·안구운동·수의운동 조절을 담당한다. 중뇌의 흑질(신경핵)에서는 도파민이 분비되는데, 흑질이 파괴되면서 파킨슨병이 발병한다.

 

구조 2) 소뇌

교뇌 등 쪽에 붙은 소뇌는 운동·균형·자세를 담당하며, 주름진 겉은 좌우로 나누어져 있다. 대뇌와 달리, 좌소뇌는 인체의 좌측과 우소뇌는 인체의 우측과 연결되어 있다.

 

구조 3) 간뇌 (시상·시상하부·뇌하수체)

 

간뇌는 뇌의 가운데에 위치하여, 뇌간과 대뇌 간에 감각신경신호와 운동신경신호의 중계를 하면서 자율신경과 내분비계 조절 등의 기능을 수행한다. 시상은 신경섬유들의 중계체이고, 시상하부는 자율신경 중추, 욕구(식욕, 색욕, 수면욕)의 조절, 항상성 조절, 내분비 조절을 담당한다. 뇌하수체도 내분비 및 내분비계 조절하는 역할을 한다.

 

구조 4) 대뇌 (기저핵·변연계·대뇌피질)

 

대뇌는 가장 늦게 발달한 뇌로, 주로 고등정신작용(수의운동·기억·감정조절·언어·감각·사고·판단 등)을 수행한다. 기저핵(basal ganglia)은 수의운동을 조절하고, 변연계(limbic system)는 기억(해마)과 감정조절(편도체)을 담당한다. 대뇌피질은 가장 바깥 표면으로서 주름져 있으며, 여기서 언어, 감각, 운동, 판단, 기억, 공간지각 등 고등정신작용이 이뤄진다. 그리고 대뇌피질은 4개의 엽(전두엽·두정엽·측두엽·후두엽)으로 구분된다.

 

전두엽은 앞부분에 있는 피질 영역으로 운동, 사고, 판단, 기억, 사회성, 이성, 감성 등을 조절한다. 특히 이마 부위인 전전두엽은 학습, 주의집중, 사회성, 이성적 판단, 이성적 감정조절 등의 중요한 작용을 한다. 감각기관을 통해 정보가 들어오면 해당부위로 정보가 분산되는 동시에 병렬처리된 다음 전두엽에서 통합되어 최종적인 결론이 내려지고 어떤 행동을 하라는 명령이 이루어지게 된다. 따라서 전두엽을 집행 뇌라고도 부른다. 두정엽은 입력받은 체감각정보를 병합하여 공간지각력을 조절한다. 측두엽은 귀로부터 들어오는 청각정보를 처리하는데, 특히 언어영역이 있는 좌측 측두엽은 듣고 말하는 기능을 담당하며, 미각 정보를 처리하는 뇌섬엽이 있으며 기억과 감정 등을 조절하는 기능도 한다. 후두엽은 시각적 정보를 처리한다.

뇌의 구조

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위와 같은 구성·구조를 지닌 뇌 덕분에, 인간은 여러 복잡한 상황에 대처할 수 있는 능력을 만들어 낸다.

능력 1) 신경 가소성(Neuroplasticity)

새로운 경험·학습에 반응하여 일생 동안 변화하고 적응하는 뇌의 능력을 말하는데, 이런 뇌세포 모양과 기능의 변화는 뇌세포가 가지고 있는 특유의 성질인 플라스틱 성질 때문이다. 새로운 신경 연결을 형성하여 스스로를 재구성하는 것은 뇌의 능력이며, 뇌 손상으로부터의 회복, 학습, 기억의 기초가 되는 근본적인 과정이다. 신경가소성에는 구조적 가소성과 기능적 가소성의 두 가지 주요 유형이 있다. 구조적 가소성은 새로운 시냅스의 성장이나 미사용 시냅스의 가지치기 등 뇌에서 일어나는 물리적 변화를 말한다. 기능성 가소성은 시냅스의 강도 변화나 신경활동 패턴의 변화 등 뉴런이 서로 소통하는 방식의 변화를 말한다.

새로운 기술, 연주 및 언어를 배우게 되면 뇌는 새로운 신경 연결이 형성되고, 기존 연결이 강화되어 시간이 지남에 따라 능숙해질 수 있다. 그리고 뇌 손상의 경우에도 그 손상에 적응하려고 노력하면서 뇌의 다른 부분이 손상부분의 기능을 이어 받거나 손상을 우회하기 위해 새로운 신경 연결이 형성될 수 있다. 연구에 따르면, 뇌는 명상수행이 요구하는 것에 적응할 수 있어서 규칙적인 명상이 주의력, 자기 인식, 감정 조절에 도움을 줄 수 있다고도 한다. 신경가소성을 촉진하는 성장인자의 생산을 촉진시키는 것이 운동인데, 규칙적인 운동은 인지기능, 기억력, 그리고 기분전환을 향상시킨다.

능력 2) 피드백루프

 

피드백루프(Feedback Loop)는 뇌가 정보를 처리하고 반응하는 방식으로, 양의 피드백루프와 음의 피드백루프가 있다. 뇌의 한 영역이 다른 영역으로 신호(출력신호)를 전송하면, 반응을 수정·조절하기 위해 원래의 영역으로 다시 신호(입력신호)를 보낸다. 피드백루프는 항상성을 조절하고 유지하며, 복잡한 행동·반응을 조정하는데 필수적며, 이는 결국 뇌가 환경의 변화에 적응하고 반응할 수 있게 한다.

 

양의 피드백루프에서 출력신호는 입력신호를 강화하여 반응을 증폭시킨다. 가령 출산 중에 시상하부에서 옥시토신이 분비되면 자궁수축이 일어나 더 많은 옥시토신이 분비되도록 자극하는데, 이는 분만시까지 계속된다. 반면에 음의 피드백루프에서 출력신호는 입력신호를 억제하는 작용을 하여 반응을 감소시킨다. 예를 들어 더운 날에는 피부세포에 있는 열수용체들이 시상하부로 신호를 보낸 후, 땀 배출과 혈관확장을 촉발하여 몸을 시원하게 한다. 체온이 정상으로 돌아오면서 시상하부로 전달되는 신호가 줄어들어 땀을 흘리고 혈관이 확장되는 현상이 줄어든다. 

 

앞서 설명한 바와 같이 뇌는 독특한 신경세포들과 화학적 매개를 하는 신경전달물질로 구성되며, 뇌라는 작은 공간을 더 작은 공간들로 구분하여 역할 처리의 분화를 이루고 있다. 뇌가 어떻게 작동하는지에 대해서는 아직 많이 알려져 있지 않지만, 신경과학 분야에서 새로운 발견과 발전은 계속해서 놀라움을 제공할 것이다. 우주의 개척처럼.

 

[Music] 시냅스의 전기파편

https://www.youtube.com/watch?v=5lxAge1EgBo

Electrical Shred of Synapses #시냅스의 전기파편