우리의 모든 행동과 심리적 현상은 생물학적인 것입니다. 신경세포는 전기적 신호를 보내고 화학적 메시지를 전달하여 다른 세포와 의사소통을 진행합니다. 신경계를 구성하는 가장 기본 단위인 뉴런과 여러 신경과학적 연구를 공부하고 이를 통해 생물학적인 심리적 현상에 대해 알아보겠습니다.
신경계의 정보전달
우리가 생각하고 기억하고 감정을 느끼는 모든 과정은 특수한 신경세포를 통해 가능합니다. 지금부터 뉴런과 뉴런이 신경신호를 어떻게 전달하는지 알아보도록 하겠습니다.
뉴런(Neuron): 신경계의 기본 단위
뉴런(Neuron)은 신경계의 기본단위이며, 일반 세포들과 달리 다른 세포들과 의사소통하고 정보를 전달할 수 있습니다. 뉴런의 형태는 다음과 같습니다.
뉴런을 구성하는 물질들은 다음과 같습니다.
- 세포체(Cell Body): 뉴런의 생명을 유지하는 역할을 하며, 신경 정보를 통합하는 중요한 기능을 수행한다.
- 수상돌기(= 가지돌기, Dendrite): 다른 뉴런으로부터 정보를 받아들인다.
- 축색(=축삭돌기, Axon): 다른 뉴런에게 정보를 보낸다.
- 종말단추(Terminal Button): 축색의 끝부분으로, 다른 뉴런과 시냅스 형성을 진행한다.
- 수초(=말이집, Myelin Sheath): 절연물질로 덮여있고, 뉴런의 에너지 효율성을 증가시키고, 축색에서의 정보전달 속도를 증가시킨다.
- 랑비에 결절(Node of Ranvier): 유수 축색의 수초와 수초 마디에 수초가 없는 부분
신경신호의 본질
신경신호는 전기적 현상입니다. 이때 알아야 하는 개념이 있습니다. 바로 "안정전위(=휴지전위, Resting Membrane Potential)"입니다. 안정전위란 "아무런 자극도 가하지 않은 상태에서 축색의 내부와 외부에 존재하는 전위차"를 말합니다. -70mV의 전악 차이를 가지게 됩니다.
축색 내부에 양(+) 전하를 가하면 음수 값인 안정전위는 그 크기가 증가하는데, 이를 "감분극(=탈분극, Depolarization)"이라고 합니다. 그리고 축색 내부에 음(-) 전하를 가하면 음수 값인 안정전위는 그 크기가 감소하는데, 이를 "과분극(Hyperpolarization)"이라고 합니다.
흥분역치 이상의 감분극 자극에 의해 막전위가 급속히 역전되는 현상을 "활동전위(Action Potential)"이라고 합니다. 활동전위가 신경충동으로써 신경계에서 처리되는 신경 신호의 본질입니다.
뉴런의 반응은 실무율의 법칙을 따르며. 자극의 강도에 따라 "시간적 부호화"와 "공간적 부호화"로 분류됩니다. 이때, 말하는 실무율의 법칙이란 초인종을 세게 누른다고 소리가 커지는 것이 아닌 것 같이, "일정 강도 이상의 자극(역치 이상의 자극)이 주어지면 그 이상의 강도는 신경충동의 크기나 속도에 영향을 끼치지 않음"을 의미합니다.
- 시간적 부호화: 단위 시간 하나의 뉴런에서 발생하는 신경충동의 빈도로써 자극의 강도를 부호화하는 방식, 자극의 강도는 신경충동 횟수에 비례한다.
- 공간적 부호화: 자극에 대해 반응하는 뉴런의 개수로써 자극의 강도를 부호화하는 방식, 자극의 강도는 뉴런의 개수에 비례한다.
활동전위의 전도
뉴런에서의 활동 전위는 세포체에서 축색종말을 향해 일방향적으로 전달됩니다. 축색은 수초(말이집)의 유무에 따라 "무수축색"과 "유수축색"으로 구분됩니다.
- 무수축색(Unmyelinated Axon): 수초가 없는 축색으로, 도화선이 타들어가는 방식과 같은 원리로 전도가 일어난다.
- 유수축색(Myelinated Axon): 수초가 있는 축색으로, 랑비에 결절에만 활동전위가 발생하는 "도약전도" 방식으로 인해 에너지 효율이 높고 활동전위의 전도 속도가 매우 빠르다.
시냅스 전달
각각의 뉴런은 물리적으로 분리되어 있고, 뉴런 간의 정보 전달은 시냅스(Synapse)를 통해 이루어집니다. 축색종말과 다른 뉴런 간에는 약 100만분의 1mm 이하의 간격이 존재하는데, 이를 "시냅스 간격(시냅스 틈)"이라고 합니다.
시냅스 전달이 이루어지는 과정은 다음과 같습니다.
- 활동전위가 축색 종말에 도착한다.
- 축색 종말의 시냅스 소낭(Synaptic Vesicle)이 터지며 신경전달물질(Neuotransmitter)이 방출된다.
- 방출된 신경전달물질이 시냅스 후막의 수용기(Ion Channel Receptor)와 결합한다.
- 시냅스 후막에 막전위가 변화한다. (감분극 시 흥분성 시냅스 후 전위, 과분극 시 억제성 시냅스 후 전위)
- 시냅스 전달 후 뉴런의 막전위 총합이 흥분 역치를 넘을 경우, 새로운 활동전위가 격발된다.
신경계 구성
인간의 신경계는 매우 복잡하게 구성되어 있습니다. 약 1000억 개에서 1조 개 이상의 뉴런으로 이루어지며, 각 뉴런은 수십 개에서 수만 개의 다른 뉴런들과 연결되어 있습니다. 신경계는 크게 "중추신경계"와 "말초신경계"로 나뉘는데 이에 대해서 자세하게 알아보도록 하곘습니다.
말초신경계
말초신경계(Peripheral Nervous System)은 크게 "체성신경계"와 "자율신경계"로 이루어져 있습니다.
- 체성신경계(Somatic Nervous System): 감각기관에서 정보를 받아들이는 "감각신경"과 골격근의 운동을 통제하는 "운동신경"으로 구성되었다.
- 자율신경계(Autonomic Nervous System): 내장의 평활근, 심장근육, 분비선을 조절하며, 유해자극이나 스트레스를 받을 때 신체를 방어하는 "교감신경계(Sympathetic Nervous System)"와 스트레스가 없는 편안한 상황일 때 에너지를 보존하는 "부교감신경계(Parasympatheic Nervous System)"로 구분된다.
해부학적으로도 말초신경계를 분류할 수 있는데, 이때는 "척수신경"과 "뇌신경"으로 구분 가능합니다.
- 척수신경(Spinal Nerve): 인간의 경우 31쌍의 척수신경이 있으며, 척수와 신체 각 부분을 연결하는 신경들이다. 목 아래 신체 부분의 감각과 골격근의 운동을 담당한다.
- 뇌신경(Cranial nerve): 인간의 경우 12쌍의 뇌신경이 있으며, 머리 부분이나 내장기관을 뇌로 직접 연결하는 신경들이다. 머리 부분의 감각과 운동, 그리고 내장운동을 담당한다.
중추신경계
중추신경계(Cetral Nervous System)은 "뇌(Brain)"와 "척수(Spinal Cord)"로 구성되어 있습니다. 뇌에 대해서는 아래 챕터에서 따로 더 자세히 다루고 지금은 척수에 대해 구체적으로 알아보겠습니다.
척수(Spinal Cord)는 새끼손가락 정도 굵기의 원추형 구조물로, 척수의 외부는 말초에서 뇌로 올라가는 "감각신경"과 뇌에서 척수로 내려오는 "운동신경의 다발"로 이루어졌고, 척수의 내부는 뇌로부터 온 출력을 받아 근육이나 분비선을 통제하는 "운동신경의 세포체"와 척수 내의 정보처리를 위한 "개재뉴런"으로 구성되었습니다.
척수는 기본적으로 체감각정보를 뇌로 전달하고, 뇌의 명령을 받아 분비선이나 근육에 운동신경을 보냅니다. 특이하게도 척수는 뇌의 통제 없이 그 자체로 반사와 같은 단순한 행동을 통제할 수 있습니다.
반면에 뇌(Brain)는 원시적 충동부터 고차원적 사고능력까지 인간의 모든 활동을 담당하며, 신체의 모든 작동을 통제하며 감독합니다. 행동으로 이어지는 뇌의 정보처리과정은 다음과 같습니다.
- 척수와 뇌신경을 통해 환경자극을 받아들인다.
- 뇌의 여려 영역에서 감각정보들에 대한 처리과정을 거쳐, 감정이나 감각을 느끼게 한다.
- 감각정보를 통합하고, 신체 내부 상태 정보와 과거 경험에 의한 기억 등을 바탕으로 행동계획을 수립한다.
- 정보처리의 최종 결과를 운동중추에 전달한다.
- 척수를 통해 근육이나 분비선으로 전달되어 외적 행동이 나타난다.
뇌와 행동
뇌는 매우 복잡한 구조를 가졌고 또한 뇌의 각 하위 영역 기능도 복잡합니다. 이제부터 뇌의 각 하위 영역과 기능에 대해 알아보겠습니다.
다음은 뇌에 대한 시각적 그림입니다.
뇌의 주요 구분
다음은 뇌의 구조를 표로 나타낸 것입니다. 뇌는 크게 "종뇌", "간뇌", "중뇌", "후뇌", "수뇌(연수)"로 구분됩니다.
| 주요 부위 | 하위 부위 | 주요 구조물 |
| 전뇌 | 종뇌 | 대뇌피질 |
| 기저핵 | ||
| 변연계 | ||
| 간뇌 | 시상 | |
| 시상하부 | ||
| 중뇌 | 중뇌 | 중뇌개 |
| 중뇌피개 | ||
| 후뇌 | 후뇌 | 소뇌 |
| 교 | ||
| 수뇌 | 연수 |
수뇌 (연수)
연수(Medulla Oblongata)는 뇌의 가장 아래쪽 부분에 있고 척수와 연결되어 있습니다. 골격근의 근 긴장도를 조절하며 심장 박동과 호흡을 통제하는 등 생명 유지에 필수적인 기능을 담당합니다.
후뇌 (교, 소뇌)
교(Pons)는 소뇌의 아래쪽 연수와 중뇌 사이에 있는 부위로, 대뇌의 정보를 소뇌로 중계하는 역할을 합니다. 또한 수면과 각성을 조절하는 역할도 담당합니다.
소뇌(CereBellum)는 외형상 대뇌의 축소판과 같이 보이며, 자세를 유지하고 빠르고 협응적인 운동을 조절하는 역할을 합니다. 그리고 학습과 기억에 중요한 역할을 담당하는 곳입니다.
중뇌 (중뇌개, 중뇌피개)
중뇌는 교와 간뇌 사이에 위치한 부위로, 중뇌개와 중뇌피개로 이루어져있습니다.
중뇌개(Tectum)은 상소구와 하소구로 분류되는데, 상소구(Superior Colliculus)는 시각계의 일부로, 시각반사와 움직이는 자극에 대한 반응에 관여합니다. 하소구(Inferior Colliculus)는 청각정보의 중계센터 기능을 담당합니다.
중뇌피개(Tegmentum)는 여러 하위 핵과 신경섬유 다발로 구별되어 있으며, 유해자극에 대한 통증민감성과 근 긴장도, 운동 조절에 관여합니다.
간뇌 (시상, 시상하부)
간뇌는 중뇌의 윗부분으로, 종뇌에 의해 덮여있는 부위입니다. 시상과 시상하부로 구성되어 있습니다.
시상(Thalamus)은 후각을 제외한 모든 감각의 중계센터입니다. 시상의 일부 핵은 온동 조절에 관여하고, 시상의 어떤 핵들은 변연계의 한 구성요소를 이루기도 합니다.
시상하부(Hypothalamus)는 시상의 아랫부분으로, 자율신경계와 내분비계를 통제하고 종의 생존과 관련된 행동을 조직화합니다.
종뇌 (대뇌피질, 기저핵, 변연계)
종뇌는 대뇌를 구성하는 두 개의 대칭적인 대뇌반구(대뇌피질)와 기저핵, 변연계로 구성되어 있습니다.
기저핵(Basal Ganglia)은 대뇌피질 아래에 있는 커다란 뇌 구조로, 운동통제에 관여합니다. 특히 부드럽고 순차적인 운동과 반복학습에 의해 자동화된 행동을 수행하는데 관여합니다.
변연계(Limbic System)는 간뇌를 바깥쪽에서 둘러싸고 있는 구조물로, 정서반응의 조절과 학습, 기억, 동기 등 중요한 기능에 관여합니다. 변연계의 대표적인 구조물인 해마는 학습과 기억에 결정적인 역할을 담당하고, 해마가 손살될 시 정서반응을 학습할 수 없습니다.
대뇌피질(Cerebral Cortex)은 뇌의 바깥쪽 표면으로, 독립된 두 개의 반구로 분리되고 각 반구는 뇌량(Corpus Callosum)에 의해 연결되어 있습니다. 각각의 대뇌피질은 "전두엽", "두정엽", "측두엽", "후두엽"으로 구분됩니다.
- 전두엽(Frontal Lobe): 골격근의 운동을 통제하는 "일차운동피질"과 "전두연합피질"로 구분돤다. 전두엽의 앞쪽 넓은 영역인 "전전두피질"은 모든 감각과 운동에 관한 정보를 받고 상황을 판단하여 행동을 계획하고 관리하는 역할을 한다.
- 후두엽(Occipital Lobe): 망막에서 들어오는 시각정보를 받아 분석하는 "일차시각피질"과 시각정보에 대한 추가적인 분석을 하는 "시각연합피질"로 구성되어 있다.
- 두정엽(Parietal Lobe): 신체 특정 부위로부터 감각정보를 받는 "일차체감각피질"과 감각정보를 통합하는 "연합피질"로 구성되어있으며, 단순한 체감각 뿐만 아니라 공간 내 신체의 위치 판단 및 운동 지각에 중요한 역할을 한다.
- 측두엽(Temporal Lobe): 청각정보를 받아 분석하는 "일차청각피질"과 시각정보를 받아 시각적 형태를 지각하게 하는 "연합피질"로 구성되어 있다. 측두엽은 변연계와 광범위한 신경연결을 맺기에 정서적 경험과 기억에 중요한 역할을 담당한다.
분리 뇌 실험
https://www.youtube.com/watch?v=aCv4K5aStdU&ab_channel=markmcdermott
분리 뇌 실험을 통해 "좌반구와 우반구는 서로 다른 기능을 한다"는 것을 알 수 있습니다. 좌반구는 "언어처리"에 지배적이며, 우반구는 "시각-공간 정보의 처리"에 우세합니다.
두 개의 대뇌반구가 너무나 다르기에 조화를 이루기 어렵다 생각할 수 있지만, "뇌량"과 "피질하 구조물"에 의해 수많은 신경 연결을 맺기에 두 개의 뇌를 느끼지 않고 "단일한 나"를 느낄 수 있습니다.
