뇌과학 총론

신경과학은 뇌와 척수, 말초신경 등 모든 신경계를 연구하는 과학을 말한다. 그러나 실질적으로 신경과학의 연구대상은 주로 뇌이다. 이는 신경계에서 가장 중요한 기능을 하는 것이 뇌이며, 우리의 정신이 바로 뇌에서 오기 때문이다. 뇌과학은 가히 신경과학의 알파이자 오메가라고 할 수 있다.

 

전뇌

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전뇌(forebrain)는 뇌의 가장 앞쪽과 위쪽에 위치한 뇌이며 동시에 뇌의 가장 선진적이고 상위 수준의 기능을 처리한다. 복잡한 인지적 처리와 정서, 감각, 운동을 전뇌에서 담당한다. 위에서 말했듯이 전뇌는 맨 위쪽의 대뇌피질과 밑에서 변연계를 구성하는 피질하 구조(subcortical structures)로 나뉜다.

 

신경인지장애

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신경인지장애는 정신질환의 일종으로, 신경과학적 요인으로 인해 발병하는 정신질환들을 말한다. 다른 정신질환과 달리 신경인지장애의 발병과 진행은 신경과학적 요인들과 아주 밀접한 관련이 있으며, 실제로도 신경정신과에서 진단한다. 즉 그 어느 질병보다 뇌의 질병인 것이 신경인지장애이다.

 

 

connectivity

인간의 뇌는 연결되어 있다. 만약 인간의 뇌가 서로 떨어진 뉴런들의 집합체였다면 그것은 아무것도 아니었을 것이고, 설령 뉴런이 존재해도 지꼴리는 대로 배선이 되어 있었으면 역시 아무것도 아니었을 것이다.(조현병이 이와 비슷하다) 

 

신경과학에서 connectivity는 2가지 의미를 가진다. structural connectivity는 뉴런이 실제로 서로와 이어져 있는 방식으로, 어떤 부위가 어떤 부위와 얼마나 시냅스로 연결되어 있는지에 대한 것이다. 커넥톰 연구의 1차 목표가 보편적인 structural connectivity를 이해하는 것인데, 사실 structural connectivity는 개인마다도 약간씩 다르다. 한편 functional connectivity는 뉴런이 서로 기능적으로 이어져 있는 방식으로 functional connectivity가 긴밀한 뉴런들은 한쪽이 활성화되면 높은 확률로 다른 쪽도 활성화된다. 전두엽이나 측두엽이 structural connectivity의 사례에 해당한다면 functional connectivity의 사례로는 DMN이 있다. 

 

 

localization

localization은 특정 기능이 특정 뇌부위에서만 수행되는 현상을 말한다. 실상 우리가 가진 정신적 특성들의 대부분은 특정 뇌부위에서만 처리되거나, 특정 기능만을 처리하는 뇌부위들 간의 협업에 의해 처리된다. 모든 뇌부위가 동시에 참여하여 일어나는 일은 없으며, 제일 가까운 현상이 뇌전증인데 이걸 바라는 사람은 별로 없을 것 같다. 비슷하게 지각심리학에서는 모듈화라는 개념이 있는데, localization과 비슷한 개념이다. 사실 지각심리학에서 제안하는 모듈은 실제로 특정 뇌부위 들이다.

 

localization이 우리 뇌의 본질이라고 오해해서는 안되는 부분이 있다. 비록 많은 기능이 특정 뇌부위에 편재되어 있지만, 인간이 하는 많은 활동은 여러 뇌부위의 협력으로 이뤄진다. 이는 인간이 지극히 복잡한 동물이기 때문이다. 언어를 발화하거나 언어를 인지하는 영역은 특정 뇌부위에 한정되어 있다. 그러나 동시통역을 하는 일은 두 뇌부위와 더불어 뇌교의 협업까지 요구된다. 비슷하게 같은 나라 사람이라도 재난을 당한 유가족과 이야기할때는 정서와 사회성과 관련된 뇌부위도 협업을 해야 한다. 보통 인간만이 하는 복잡한 정신활동들은 둘 이상의 뇌부위가 협업한다.

 

 

뇌의 구조

뇌는 단순한 1.4kg짜리 덩어리지만, 단순한 덩어리 이상이다. 자세히 보면 뇌는 서로 구분되는 몇가지 해부학적 조직으로 이뤄져 있으며, 생리학적으로 다르게 작용하는 조직으로 세분화되어있다. 그리고 이 조직은 서로 다른 정신기능을 담당한다. 이러한 뇌의 복잡한 구조를 이해하는 일은 뇌의 작동을 이해하는데 필수적이다.

 

인간의 뇌는 크게 세 부분으로 나뉜다. 하나는 피질(cortex)로 구성된 전뇌, 전뇌와 후뇌를 중계하는 중뇌, 기본적인 생명 유지를 담당하는 후뇌가 그것이다. 위로 올라갈수록 점차 복잡하고 고등한 기능을 맡으며, 인간을 인간답게 하는, 즉 과학자들이 관심을 가지는 부분은 모두 전뇌에 있다. 전뇌는 크게 피질로 이루어진 대뇌와 그 아래에 위치한 변연계로 나눌 수 있다. 물론 후뇌와 중뇌도 중요한 역할을 한다.

 

후뇌​^[각주:1]

인간적인 기능은 거의 대뇌에서 담당하지만 생명적인 기능은 거의 후뇌에서 담당한다. 후뇌(hindbrain, brain stem, 뇌간)는 척수에서 들어오는 정보와 척수로 빠져나가는 정보를 통합하고 중계한다. 파충류와 조류, 포유류는 모두 발달된 뇌간을 가지고 있으며 호흡, 각성, 운동 등 생명 유지에 필수적인 기능은 모두 뇌간에서 담당한다. 뇌간에는 정말 다양한 기관이 있지만 해부학적으로 이를 연수, 소뇌, 교(교뇌)로 나눌 수 있다. 

 

뇌간의 구조. 중뇌를 뇌간에 포함시키는 경우도 많다. 오른쪽 하단의 주름진 덩어리가 소뇌

연수(medulla)는 척수 상부에 위치한 기관으로 두개골까지 연장된 척수라 할수 있다. 호흡, 순환, 심장박동을 담당한다. 이중 연수에 위치한 망상체(reticular formation, 망상계)는 새끼손가락 크기의 신경 그물망으로 각성(arousal)에 중요한 역할을 한다. 이러한 사실은 잠을 자던 고양이의 망상계를 전극으로 자극한 실험에서 자극받은 고양이가 바로 깨어나 활동한다는 사실을 발견함으로서 밝혀졌다. 신체에 자극이 입력되면 이 자극은 망상체에도 보내지는데, 망상체는 자극을 토대로 적절한 최적 각성 수준(optimal level of arousal)을 유발한다. 이들이 활성화되는 정도에 따라 사람의 각성정도가 결정되며 망상체와 다른 부분의 연결이 끊어지면 혼수상태가 나타난다.^[각주:2] 실제로 많은 마취제는 망상체의 활동을 감소시켜 작용한다. 각성이 의학적으로 위험한 수준까지 낮으면 사람은 최소의식 상태(coma)에 빠지고 여기서 각성을 높이면 식물인간 상태와 렘의식을 거쳐 잠에서 깨어났다가 너무 높아지면 불안을 경험한다. 

 

망상체는 상행 망상활성체계와 하행 망상활성체계의 기능을 가지는데 전자는 피질을 각성시켜 여러 의식 상태를 유발하고 후자는 근육의 긴장도를 조절한다. 망상체 위에서 망상체와 연결된 PAG(PeriAqueductal Gray, 중뇌수도주위회백질)는 통각에 관여하고, vlPAG(ventral lateral PeriAqueductal Gray, 복외측중뇌수도주위회백질)는 렘수면을 담당하는 조직으로 이 조직이 활동하는 양상에 따라 렘수면이 나타나거나 사라진다. vlPAG가 고장나면 렘수면 상태인 렘의식과 평상시 의식의 조절이 힘든데, 급작스럽게 잠에 빠지거나 깨는 기면증은 vlPAG의 문제로 인해 발생한다.

 

뇌에게 가장 많은 뉴런을 가진 소뇌(cerebellum)는 운동을 담당하는 큰 부분이다. cerebellum은 라틴어로 '작은 뇌'란 뜻이며, 자전거를 타거나 악기 연구 등 세심한 운동이 필요할때 작용하여 움직임이 적절한 순서로 일어나게 조율하고 매순간 신체의 균형을 유지토록 한다. 이는 소뇌가 운동을 직접 일으키기 보다는 촉발된 운동의 강도와 타이밍을 미세하게 조율하는 역할을 함을 보여준다.^[각주:3] 즉 소뇌의 역할은 전두엽의 운동피질에서 시작된 운동을 세심하게 다듬는 것이다. 이외에 암묵기억, 특히 절차기억에 소뇌가 관여한다.

 

교(pons, 교뇌, 뇌교)는 뇌간 상부에 톡 튀어나온 기관으로 교가 무슨 일을 하는지는 아직 많은 것이 미스테리이다. pons는 라틴어로 '다리'라는 뜻인데, 이름이 의미하듯 교는 기본적으로 뇌의 조직을 서로 연결하는 역할을 한다. 지금까지 밝혀진 바에 따르면 교는 대뇌와 소뇌를 연결하며 소뇌에서 처리된 정보를 나머지 부분으로 보낸다.

 

중뇌​^[각주:4]

중뇌(midbrain)는 뇌간 위쪽에 위치한 뇌부위이다. 중뇌는 뇌간과 대뇌 변연계 사이에 위치하여 둘의 정보교환을 중재한다. 중뇌는 앞쪽에 위치한 시개(tectum)와 뒤쪽에 위치한 피개(tegmentum)로 이루어져 있으며 동물이 특정 지점으로 주의를 기울이고 특정 자극으로 향하거나 멀어지는 운동을 조절한다. 또한 운동의 발생과 관련된 흑질(substantia nigra)도 중뇌에 위치한다. 중뇌는 뇌간과 매우 가까우며 기능상 유사점이 많기 때문에 뇌간의 일부로 분류되기도 한다.

 

superior colliculus(상구)는 중뇌 위에 위치한 부위로, 주로 주의의 전환과 관련되어 있다. superior colliculus는 여러 층으로 구성되어 있는데, 그 중 가장 바깥층인 superficial layer는 시각 자극을 찾는 것과 관련되어 있고, 안쪽인 intermiediate layer와 deep layer는 안구운동을 통제하는 것과 관련되어 있다.^[각주:5]

 

superior colliculus

1. Schactor 외 2명,'심리학 입문(2판)',민경환 외 8명 역,시그마프레스,2015,pp76-77 [본문으로]
2. Moruzzi, G., & Magoun, H. W. (1949). Brain stem reticular formation and activation of the EEG. Electroencephalography and clinical neurophysiology, 1(1-4), 455-473 [본문으로]
3. Smetacek, V. (2002). Balance: Mind-grasping gravity. Nature, 415(6871), 481-481 [본문으로]
4. Schactor 외 2명,'심리학 입문(2판)',민경환 외 8명 역,시그마프레스,2015,pp77-78 [본문으로]
5. Banich, M. T., & Compton, R. J. (2018). Cognitive neuroscience. Cambridge University Press [본문으로]