http://www.aistudy.com/physiology/brain/intro_park.htm
뇌 : 학습과 기억의 구조 : 박찬웅, 서울대학교출판부, 1998, Page 1 ~ 76.
제 1 부 총 론
모든 포유류의 신경계통은 생쥐에서 사람에 이르기까지 동일한 일반적 계획에 따라 만들어졌다. 그러나 그 크기는 크게 차이가 있다 그리고 뇌의 여러 부위들의 비율도 차이가 있다. 파충류, 조류, 양서류 그리고 어류의 뇌는 분명히 포유류의 뇌와 관련이 있다. 그러나 현저한 차이가 있다. 유전자와 발달과정을 조절하는 후성과정이 신경계통의 광범한 구조를 이루고 있다. 각 구조는 전 생애를 통한 경험에 의해 다양하게 정제되고 조율된다.
뇌는 전통적으로 육안으로 볼 수 있는 부위에 따라 해부학적으로 크게 5 개로 구분한다 (그림 1-1). ① 대뇌반구를 포함하는 종뇌, ② 시상과 시상하부가 포함되는 간뇌, ③ 중뇌, ④ 뇌교와 소뇌가 포함되는 후뇌, 그리고 ⑤ 연수이다. 이 같은 분류는 현재도 흔히 통용되고 있다.
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그림 1 - 1. 뇌의 중요 구획과 기능영역. 사람의 뇌 (왼쪽) 와 흰쥐의 뇌 (오른쪽) 를 비교한 것이다. 흰쥐의 뇌는 알아보기 쉽도록 실제보다 훨씬 크게 나타낸 것이다. 위쪽의 그림은 뇌를 측면에서 본 것이고 아래쪽 그림은 대뇌반구를 둘로 나누었을 때 내면의 그림이다. |
사람의 대뇌반구는 대단히 크고 심하게 주름잡혀 있다. 출산시 분만에 지장이 없을 정도의 크기인 제한된 두개골 안에 대뇌피질판을 수용해야 하기 때문이다. 그래서 그 주름을 따라 홈 (구) 과 둔덕 (회) 이 생긴다. 대뇌반구의 표층은 주로 신경세포로 구성된 회백질이라고 하는 2mm 정도의 두께의 대뇌피질이다. 대뇌피질 1mm2 에는 약 100,000 개의 뉴런 (신경세포) 이 있는데, 사람의 뇌는 수백억의 뉴런으로 이루어져 있어 우주에 있는 별의 숫자에 비견된다. 여기에는 아교세포라고 하는 많은 부속세포들도 있다. 대뇌피질은 신경섬유 다발로 이루어진 신경로인 백질을 감싸고 있다. 대표적인 신경로는 뇌량을 들 수 있는데, 이것은 양쪽 대뇌반구를 연결하는 신경로이다. 회백질은 주로 신경세포와 수상돌기를 포함하고 있어서 포르말린으로 고정했을 때 회백색으로 보이고 백질은 수초로 둘러싸인 축삭으로 이루어져 백색으로 보인다.
대뇌반구는 큰 홈과 둔덕을 따라 몇 개의 뇌엽으로 나눈다. 즉, 전두엽, 측두엽, 두정엽, 그리고 후두엽으로 나눈다. 브로드만 (1909) 은 세포구축학적 기준에 따라 뇌엽을 다시 50 개의 부위로 세분하였다 (그림 1 - 2). 뇌의 특정 지역을 식별하기 위해 브로드만 번호가 현재도 자주 이용된다. 하지만 브로드만 영역 17 과 18 같은 경우에는 그 안에서도 생리학적으로 중요한 차이를 보이는 부분이 있어서 새로운 번호매김법이 필요하게 되었다.
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그림 1 - 2 . 보르드만의 세포구축학적 뇌영역도. 보드만은 뇌신경세포의 모양, 신경섬유의 구조 및 신경세포의 밀도 등 세포구축학적 방법으로 대뇌피질을 50 여 영역으로 나누었다. 영역을 나타내는 번호는 단순히 브로드만이 연구한 순서에 따라 붙여진 것이다. 이 영역들은 대뇌피질의 기능을 잘 대표하는 것은 아니지만 대뇌피질의 기능지도연구에 현재까지도 널리 인용되고 있다. |
여러 가지 정신기능이 신피질의 어느 곳에 위치하는가에 관해서는 과거 100 여 년에 걸쳐 논란이 계속되어 왔다. 한쪽 극단에는 전체론 (holistic wiew) 이 있다. 피질의 모든 부위는 기능에 있어 광범하게 동등하다는 것이다. 다른 한쪽 극단에는 피질의 각각의 작은 구역들은 상당히 서로 다른 임무를 수행한다는 의견이 있다.
지난 세기 초반에 비엔나의 해부학자 프란츠 조세프 같은 여러 가지 기능적 속성 (예 : 장렬성, 자비심 그리고 존경심) 에 따라 그 소재를 두개골에 부위별로 표식할 수 있다고 생각했다. 이는 그 밑에 있는 피질에 일치하는 것이라고 생각했다. 그리고 사람의 두개골 위의 돌기들을 연구하면 그 사람의 성격을 추측할 수 있다고 갈은 믿었다. 이들 표식을 써 넣은 사람 머리의 세라믹 모델은 아직도 인용되고 있다.
갈은 뇌기능의 국재설을 처음으로 주장한 사람이지만 그의 생각은 상당히 틀린 것이었고 결과적으로 피질국재설은 의학계에 오명을 남겼다. 현재는 어느 정도의 국재는 사실임이 밝혀졌다. 이는 대부분 마카크 원숭이의 피질을 철저하게 연구한 결과이나 일부 사람에서의 연구결과가 뒷받침된 것이다. 그러나 여러 피질영역들은 대부분의 정신활동에 협동적으로 참여하는 것으로 알려져 있어 피질국재설이 절대적인 지지를 받는 것은 아니다.
따라서 절대적인 것은 아니라도 1 차적인 기능에 따라 신피질에 기능지도를 작성할 수 있다. 시각은 후두엽에, 청작은 측두엽에 그리고 촉각은 두정엽에 위치한다. 체성감각중추 바로 옆에 수의운동중추가 위치한다. 머리의 왼쪽이 심하게 부딪혀 손상되지 않은 오른쪽 뇌에 의해 노래할 수 있고 음성도 구별할 수 있다. 이 후자의 능력은 오른쪽 뇌에 손상이 있으면 소실된다. 이와 같은 사실은 뇌에는 어느 정도의 소재가 있어야 하나 우리가 추측하는 것과는 다를 수 있다는 것을 말한다. 뇌에는 최소한 2 개의 주된 부위가 있다. 하나는 상측두엽 근처 옆쪽에 있는 것으로 '베르니케 언어야' 라고 한다. 전두엽에 가까운 측면에 있고 주 운동야에서 멀지 않은 곳에 있다. 두 부위는 어느 것도 상세하게 알려지지는 않았다. 고도로 발달된 언어를 가진 실험동물이 없기 때문이다. 이들 두 부위에 인접하여 특히 피질의 측두부분에 언어처리에 관련되는 몇 부위가 더 있다. 브로카 언어야와 베르니케 언어야를 포함하는 이들 커다란 부위들은 각기 여러 작은 두드러진 피질영역들로 구성되고 복잡하게 서로 연결된다는 한다. 그리고 좌우 양쪽 대뇌반구가 대체로 신체의 반대쪽에 연결된다는 사실은 잘 알려진 사실이다. 이 양 대뇌반구는 놔량이라고 하는, 약 5 억 개의 방대한 신경섬유로 서로 연결되어 있다.
대뇌피질은 구피질과 신피질로 구분짓기도 한다. 대뇌피질은 층을 이루고 있는데 신피질은 6 개 층으로 이루어졌고 구피질은 3 ~ 4 개 층으로 이루어졌다. 신피질은 생물의 진화단계상 포유류에서 비로소 나타나는 것으로 계통발생학적으로 가장 나중에 발달한 것이다. 반면에 파층류에서 발견되는 원시적 대뇌는 3 개 층으로 되어 있으며 신피질이라고 할 수는 없다. 신피질은 포유류에서 보통 대뇌라고 하는 것으로 이신피질이 발달할수록 지능 같은 뇌의 고위기능이 발달한다. 신피질이 발달하면서 구피질은 속으로 파묻혀 대뇌변연계라는 구조를 이룬다.
대뇌피질 밑에는 학습과 기억에 중요한 해마와 편도핵이라는 것이 있는데 측두엽에 있는 것으로 구피질의 일부이다. 이 중에서 특히 해마는 기억에 있어서의 역할과 관련하여 대단히 철저하게 연구되었다. 사건적 장기기억 정보가 신피질로 옮겨지기까지 저장되는 곳으로 생각된다. 그 외에도 운동조절에 중요한 기저핵 같은 큰 피질하 회백질 구조가 있다.
간뇌의 일부분인 시상도 피질하 회백질 구조의 하나로서 달걀 모양으로 생겼고 좌우도 나누어져 있다. 시상은 종종 뇌 속의 뇌라고 일컬어진다. 이 곳은 중요한 통합중추로서 후 (취) 각을 제외한 모든 감각신경로가 이 곳에 모였다가 해당 감각피질에 이르게 된다. 시상은 감각정보가 피질로 들어가는 출입로라 할 수 있다. 시상은 배측시상, 시시상, 복측시상 등 편의상 24 구역으로 나눈다. 이들 각각은 신피질의 특정한 세부영역과 연결이 된다. 외측슬상핵은 특수한 시상구조의 하나로서 좌우에 하나씩 시상의 후방에 위치한다. 시상 근처에는 선조체라는 구조가 있는데 운동조절에 잇어 중요한 역할을 한다. 외측슬상핵에는 망막으로부터 큰 신경섬유 다발을 받아 들이고 특이한 시각피질로 큰 신경섬유 다발을 받아들이고 특이한 시각피질로 큰 신경섬유 다발을 보낸다. 간뇌에 있는 시상하부라는 구조는 신체기능에 필수적인 목마름, 배고픔, 체온, 성행동 등의 조절중추이고 뇌하수체 호르몬 분비 조절중추이다.
중외에는 들어오고 나가는 신호의 통합 및 연락중추 역할을 가진 다양한 구조가 있다. 그리고 이곳은 안구의 운동을 조절하는 뇌신경의 연결점이다. 중뇌의 배측 (등쪽) 에는 상사구체라고 하는 한 쌍의 덩어리가 있는데, 대뇌를 들추면 보인다. 이것은 시각반사에 중요한 구조이며 하사구체는 들어오는 청각 신호의 통합구조이다. 망상체 형성은 중뇌에 퍼져 있는 뉴런들의 얼개로서 각성, 수면주기, 꿈 그리고 잠에서 깨어나기 등과 밀접한 관계가 있는 구조이다. 망상체 형성은 중뇌에서 가장 두드러진 구조이지만 시상에서 연수에까지 퍼져 있는 구조이다. 그 외에 중뇌에는 동안신경의 신경핵, 그리고 치아, 얼굴, 부비동에서의 구심성 신호를 전달하는 3 차 신경의 신경핵이 있다. 또 운동조절에 관여하는 신경핵들이 있다. 이들은 꿈을 꾸는 동안에는 억제되므로 꿈 속에서 일어나는 일이 행동으로 옮겨지지 않는다. 그리고 흑질이라는 구조가 있는데 이것이 위측되면 파킨스씨병을 일으킨다.
후뇌의 해부학적 주요 구조는 소뇌와 뇌교이다. 소뇌는 깊게 주름잡혀 있고 운동조화를 중계하며 이것의 세포구축과 연결은 대단히 규칙적이다. 전기상어 같은 특수한 어류에서는 고도로 발달해 있다. 소뇌는 특히 숙련된 운동과 밀접한 관련이 있는 것이나 소뇌가 없이 태어난 사람도 꽤 살 수 있다고 한다. 연수에는 호흡이나 심작박동 등 중요한 생명유지기능을 조절하는 신경핵들이 있을 뿐만 아니라 안면신경, 와우신경 및 전정신경 등 뇌신경의 신경핵이 있다. 그리고 연수는 척수로 이어져 내려간다. 척수에는 대부분 운동조절을 담당하는 하향신결로들이 있고 감각신호를 보내는 상향신경로들이 있다. 또 척수에는 뇌와는 별도로 슬개반사 같은 비교적 단순한 여러 가지 반사기능을 담당하는 신경회로가 있는데, 이 같은 반사기능이 있어서 유연하게 움직일 수 있다.
뇌의 깊숙한 곳에는 뇌실이라는 구조가 있다. 뇌척수액이라는 액체로 채워진 공동이다. 이 뇌척수액은 맥락층이라는 구조에서 만들어진다. 뇌척수액은 소뇌 근처에 있는 구멍을 통하여 흘러 나와서 뇌막 사이를 채워 뇌를 충격으로부터 보호하는 역할을 한다. 이 뇌척수액 도수관이 산전발달과정에서 막히면 과량의 뇌척수액이 뇌실에 축적되어 팽대하므로 뇌수종이라는 상태를 초래한다.
우리는 심장, 간, 콩팥 같은 신체의 거의 모든 기간의 주 가능을 상당히 잘 이해할 뿐만 아니라 넓은 의미에서 이들 각 기관이 어떻게 기능을 수행하는가도 잘 이해한다. 한두 가지 경우에 있어서 그 지식은 비교적 최근에 알려진 것이다. 그렇지만 불행하게도 뇌의 여러 부위에 관한 우리의 지식은 아직도 대단히 초보적인 단계이다. 시상 또는 선조체 또는 소뇌의 기능은 정확히 무엇인가? 그들의 기능을 대강을 알고 있으나 상세한 지식에는 아직 이르지 못하였다. 또한 해마가 하는 일에 대하여 대충은 알지만 그것의 정확한 기능에 대하여 통일된 의견은 없다.
너무나 분명하기 때문에 별로 언급되지 않는, 뇌에 관한 중요한 사실이 하나 있다. 그것은 뇌가 신체의 일부로 붙어 있으면서 신체의 모든 부위와 교신한다는 것이다. 신경계통은 신체에 있는 여러 가지 전환정치로부터 정보를 받는다. 전환장치는 빛, 소리 또는 압력 따위의 화학적 또는 물리적 영향을 전기화학적 신호로 전환시키는 것이다. 이들 전환장치의 일부는 대체로 신체 외부에서 오는 신호에 반응한다. 눈의 광수용체가 빛에 대하여 반응하는 것 같은 것이다. 이들은 외부 환경을 감시한다. 다른 일부의 전환장치는 대체로 신체 내부의 활동에 반응한다. 위통이 있을 때 또는 혈액의 산도에 반응하는 따위이다. 이들은 내적 환경을 감시한다. 신경계통의 운동출력은 신체의 여러 근육을 조절한다. 뇌 또한 특정 호르몬의 분비 같은 신체내에서의 여러 가지 화학물질의 유리에 영향을 미친다.
깃털이 손에 닿으면 감각신경이 이를 감지하여 깃털 특유의 감각을 느끼게 된다. 말초신경에서의 신호는 어떻게 뇌를 전달되어 특유의 느낌과 접촉한 위치를 알게 되는 것일까? 고정된 물건을 응시하면서 머리를 움직이면 머리의 움직임을 보상하기 위해 눈이 움직인가. 어떤 경로를 통해 이와 같은 일이 일어나는가?
이런 의문들을 해결하기 위해 신경해부학자들은 말초 그리고 척수와 뇌에서의 뉴런의 경로를 탐색한다. 초기의 연구는 주로 두 가지 기법을 이용하였다. ① 뉴런이 받아들이는 특수한 염료를 주사하는 방법과 ② 뉴런에 손상을 입히고 시간이 지난 후 신경이 퇴행하는 경로를 추적하는 방법이다. 때로는 접합 후의 뉴런이 접합 전 뉴런의 손상에 반응하여 퇴행하는 경우도 있다. 이런 경우에는 추적 범위가 더 확대된다.
최근에는 방사성 동위원소로 표식한 아미노산을 뉴런에 투여하여 단백질에 결합하게 하고 그 단백질이 축삭을 따라 이동하는 경로를 추적하는 방법이 개발되었다. 이 방법에서도 때로는 표지물질이 뉴런의 접합부를 넘어 접합 후 뉴런으로 옮겨 갈 수 있다. 양고추냉이 과산화 효소라는 효소는 신경에 흡수되면 축삭흐름을 역행하는 특징이 있다. 그래서 이 효소를 촉삭 말단에 투여하면 흡수되어 축삭을 따라 역으로 올라가서 세포체를 채우고 뉴런 전체의 가지들까지 채우게 된다. 이 두가지 방법을 동시에 이용한 이중표식법으로 뉴런들의 자세한 경로를 검출할 수 있다. 뉴런의 한쪽에 전기자극을 가하고 다른 쪽에서 반응을 기록하는 전기생리학적 방법도 해부학적 방법과 병행하여 이용된다.
이렇게 해서 중추신경계내의 많은 운동 및 감각신호의 신경로가 밝혀졌다.
감각신호를 중추신경계로 송출하는 모든 감각계통은 크게 두 가지 경로를 이용한다. 첫째는 융모대계통이라는 것으로 머리카락의 움직임, 가벼운 접촉, 심부 압박, 그리고 사지의 위치 등 다양한 감각의 감지에 동원되는 것이다. 이 계통은 척수의 분명하게 식별되는 신경로를 따라 올라가서 시상의 특정 영역에서 시냅스를 이루고 대뇌피질의 특정 영역에 투사된다.
둘째는 척수시상계통으로 주로 동통자극과 온도를 감지하는 것에 관여할 것으로 생각되는 것이다. 이 신경로는 척수의 또 다른 부위를 따라 올라가 시상의 고유한 구역에서 시냅스를 이루고 대뇌피질로 투사된다.
사람의 운동을 조절하는 신경로에는 뇌에서 척수를 거쳐 운동신경을 이루는 추체로가 있다 (그림 1- 3). 운동신경의 축삭은 척수의 전근을 통하여 근육에 전기충격 (임펄스) 을 전달하므로 근수축을 일으킨다. 그 기본원리는 유인원의 뇌나 원숭이의 뇌에서도 크게 다를 것이 없다. 대뇌피질에는 발가락에서 입술까지 띠 모양을 이루고 있는 운동피질이 있다. 이를 제 4 브로드만 영역이라 하는데 중심고랑 (롤란도) 앞쪽에 위치하고 바로 뒤쪽으로 인접하여 가막피질 (제 3, 1, 2 브로드만 영역) 이 운동피질과 마찬가지로 띠 모양으로 배열되어 있다. 제 4 영역에는 많은 추상신경세포가 있고 축삭은 추체로를 따라 내려가서 근육을 지배하는 운동신경과 접합을 이룬다. 추체로는 교차하므로 왼쪽 운동피질의 엄지손가락 영역에서 시작한 축삭은 반대쪽 경수의 운동신경으로 가서 오른쪽 엄지손가락을 움직이게 하는 근육을 지배하는 운동신경을 이룬다.
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그림 1 - 3. 주요 운동신경로, 대뇌피질의 1 차 운동영역에 있는 세포들에서 기시하는 축삭은 반대측 척수에서 외측피질척수로를 이루고 적핵으로 측지를 보낸다. 전핵에서 뻗어 나온 축삭은 정중선을 교차하여 하행하는 적핵척수로가 된다. 이들 신경로는 단접합성 또는 다접합성 외측운동 신경세포에 연결된다. 대뇌피질에서 기시하는 일부 피질섬유는 교차하지 않고 전피질척수로를 이루고 뇌간의 신경핵들에 측지를 보낸다. 체가느이 근육들은 교 및 연수망상체에서 기시하는 망상체척수로와 전정핵에서 기시하는 전정척수로 그리고 상구에서 기시하는 피개척수로를 통하여 뇌간의 운동신경 지배를 받는다. |
간단한 운동을 하고자 할 때, 예를 들면 발가락으로 서려고 하면 대뇌피질의 부수운동영역 (SMA) 같은 고위중추가 하고자 하는 의도에 의하여 우선 활성화된다. 이어서 운동피질의 해당 신경세포가 활성화하여 추체로를 따라 운동신경에 이른다. 결국 발목 관절의 신근 (장딴지근, 가자미근) 이 수축한다. 이는 신경활동의 기본에 지나지 않고 활동에는 뇌의 기타 여러 계통이 참여하게 된다. 즉, 운동피질의 추상세포가 추체로를 따라 임펄스를 방출하기 전에 소뇌와 기저핵은 반응을 조절함으로써 과거의 경험과 현재 진행되고 있는 운동을 고려하여 서 있는 자세가 유지되도록 한다.
추체로 이외에도 척수를 따라 운동신경에 이르는 또 다른 신경로가 있다. 그러나 진화과정에서 추체로가 유리하도록 이 같은 신경로의 일부는 소멸하였다. 예를 들면 뇌간의 적핵으로부터 척수로 하강하는 신경로인 적해척수로는 사람의 척수에서는 대단히 쇠퇴하여 있다. 전정핵에서 나오는 전정착수로는 중요한 신경로의 하나이다. 이것은 내이의 전정기구에서 머리의 움직임에 관한 감각 정보를 전달한다. 또 다른 예는 사람 뇌의 대뇌척수로가 뇌간의 그물핵에서 가시하는 그물척수로이다는 점이다. 이것은 운동신경에 작용하기 전에 척수내의 한 개 또는 그 이상의 신경계를 통하여 정보를 전달한다.
뇌의 고위 중추에서 가시하는 이 같은 신경로에 더하여 근수축 및 운동이 수행되는 동안 순간 순간의 정보를 뇌로 전달하는 신경로가 있다. 전정안구반사는 머리가 움직이는 동안에도 사물을 놓치지 않고 볼 수 있도록 한다. 이 반사운동의 회로는 내이에 있는 전정기구에서 시작하여 뇌간의 전정신경핵에서 안동신경과 시냅스를 만들고 이 안동신경은 안구를 움직이는 안구근육에 분포한다. 즉, 전정기구와 안구근육 사이의 뉴런들은 3 개의 시냅스만으로 안구운동을 조절한다.
시각계통의 신경로는 대단히 자세하게 연구되었다. 시각계통에는 크게 두 가지 신경로가 있다. ① 망막에서 위 둔덕을 거쳐 피질에 이르는 것과 ② 망막에서 외측슬상핵을 거쳐 피질에 이르는 것이다. 양쪽 안구에서 시작되는 시신경은 시각교차에서 둘로 갈라져 반은 반대쪽 피질로 가고 나머지 반은 같은 쪽 피질로 간다. 즉, 양쪽 눈의 오른쪽 시야에 해당하는 신경섬유는 왼쪽 시각피질을 연결하고 왼쪽 시야를 담당하는 신경섬유는 오른쪽 피질로 연결된다. 외측슬상핵은 6 개의 층을 이루고 있는데 망막에서의 출발위치에 따라 정해진 층에서 시냅스를 만든다. 대부분은 영역 17 또는 1 차 시각피질이라고 하는 줄무늬피질에 투사된다. 시각피질과 외측슬상핵 사이에는 많은 신경섬유를 주고받는다.
신경로는 축삭이 유리하는 신경전달물질에 따라 노르에피네프린 계통, 도파민 계통 또는 세로토닌 계통 등으로 분류할 수도 있다. 뇌간에 있는 청반핵에서 나오는 축삭은 노르에피네프린을 유리한다. 청반핵에서 나오는 축삭은 대뇌피질, 척수 및 소뇌 등 뇌에 광범하게 투사된다. 이는 청반핵이 뇌기능의 총제적인 조절기능을 할 것이라는 것을 짐작하게 한다.
뇌를 포함한 모든 신경계의 기본 구성단위인 신경세포를 뉴런이라고 한다. 전형적인 척추동물 뉴런 (신경세포) 은 여러 가지 자극에 의해 발생되는 전기충격 (임펄스) 에 반응한다. 그 충격은 세포체와 신경세포의 가지들, 즉 수상돌기에 세 가지 방법으로 반응을 일으킨다. 어떤 입력은 뉴런을 흥분시킨다. 어떤 것은 억제한다. 또 어떤 것은 뉴런의 활동을 조정한다. 뉴런이 충분하게 흥분되면 전기적 맥파 (활동전압 또는 스파이크) 를 출력 케이블 (축삭돌기) 로 내려보내는 반응 (발사) 을 일으킨다. 전기적 신호는 각 가지들과 작은 가지들을 따라 내려가서 결국 축삭돌기가 접촉하고 있는 많은 다른 뉴런들에 도달하여 그들의 활동에 영향을 미친다.
이것이 뉴런의주업무이다. 뉴런은 보통 전기적 맥파의 형태로 다른 뉴런으로부터 정보를 받는다. 즉. 축삭돌기를 따라 다른 뉴런에 전기적 임펄스 흐름의 형태로 정보를 내어 보내는 것이다. 뉴런은 이 같은 활동을 유지하기 위하여 그리고 그 활동에 필요한 분자들의 합성을 위하여 에너지를 필요로 하지만 에너지를 주로 신호를 받고 그것을 내어 보내는 것에 사용한다.
안정시에는 뉴런은 보통 비교적 느리고 불규칙한 배경속도 (흔히 1 내지 5 Hertz, 1 Hertz 는 1 초당 한 개 스파이크 또는 사이클) 의 스파이크를 축삭을 따라 내려 보낸다. 이 같은 계속적인 전기활동은 뉴런을 항상 깨어 있도록 하고 때가 되면 보다 강력하게 발사할 준비이다. 여러 가지 흥분성 신호를 받아 흥분하게 되면 발사속도는 대단히 증가하여 전형적으로는 50 - 100 Hertz 또는 그 이상이 된다. 짧은 간격일 때는 발사속도가 500 Hertz 에 이를 수 있다. 1 초에 500 스파이크라면 상당히 빠르지만, 이는 가정용 컴퓨터의 처리속도에 비하면 눈꼽만큼도 안 된다. 즉, 가정용 컴퓨터는 처리속도에 있어 뉴런보다 백만 배나 빠르게 할 수 있다. 뉴런이 억제성 신호를 받으면, 스피이크의 출력은 정상적인 배경속도보다 적어져 정보를 전달하지 못하게 된다. 뉴런은 활동전압이라고 하는 오직 한 가지 타입의 신호만을 축삭을 따라 보낼 수 있다. 그리고 이들 전기적 신호는 정상적으로는 오직 한 방향으로만 축삭을 따라 흐른다. 즉, 세포체에서 축삭 말단 쪽으로만 흐른다. 인공적인 방법으로는 신호를 반대방향으로 이동하게 할 수 있다. 역방향흐름이라고 한다.
그러면 뉴런은 어떻게 생겼는가? 무엇으로 만들어졌는가? 여러 가지 면에서 뉴런은 사람 또는 다른 동물의 신체에 있는 다른 세포들과 같다. 이것의 여러 가지 유전자는 DNA 로 이루어졌다. 이 DNA 는 염색체라는 형태로 꾸려져서 핵이라고 하는 세포내 특수 구조에 포함되어 있지만 그 밖의 특수 구조도 있다. 세포의 발전소인 미토콘드리아 같은 것은 자체의 DNA 를 갖고 있다. 신체의 거의 모든 세포에는 각각의 선종에게서 하나씩 받은 두 벌의 유전정보를 함유한다. 각 세트에는 방대한 수의 독특한 유전자가 있는데 약 10 만에 달할 것으로 추정된다. 이들 유전자 모두가 우리들 세포에서 활성을 갖는 것은 아니다. 어떤 것은 간에서 더 활성이 있고 어떤 것은 근육에서 더 활성을 가진다. 뇌의 여러 부위에서는 더 많은 유전자가 활성을 가질 것으로 추정된다. 뇌의 활성유전자를 모두 합치면 다른 어떤 기관보다도 많을 것이다.
이들 유전자의 대부분은 여러 가지 단백질을 합성하기 위한 정보를 부호화하고 있다. 하나의 세포를 공장이라고 한다면 단백질은 공장이 돌아가게 하기 위한 예민하고 빠른 기계구조이다. 전형적 단백질은 공장이 돌아가게 학 위한 예민하고 빠른 기계가구이다. 전형적 단백질의 크기는 보통 세포 크기의 10 억 분의 1 보다 작다. 너무 작아서 광학현미경으로는 보이지 않는다. 그러나 정밀한 원자구조까지는 아니지만 대략의 모양은 전자현미경을 이용하여 볼 수 있다. 단백질의 각 타입은 수천 또는 수만 때로는 수십만의 원자들이 특징적 양상으로 연결된 고유의 정밀하게 정해진 분자구조를 갖고 있다.
세포의 모든 함유 성분은 어느 정도 유동성인 지질막으로 둘러싸여 있다. 이 지질막은 세포활성에 필수적인 물질들이 세포 밖으로 유출되는 것을 방지한다. 이 막에 있는 특정 단백질은 정교한 펌프 또는 통로로 작용한다. 그 통로를 통하여 여러 가지 분자들이 정교한 조절기전에 의해 세포를 출입한다. 간단히 말해 이것은 수입억 년에 걸쳐, 자연도태에 의해 진화한 하나의 대단히 작은 공각 속의 화학적 기적이다.
뉴런은 다른 많은 세포들과는 상당한 차이점이 있다. 성숙한 뉴런은 돌아다니지 않고 정상적으로는 한데 모이지도 않으며 분열하지도 않는다. 극히 드문 예외는 있지만 성숙한 뉴런이 죽으면 새로운 뉴런으로 대치되지 않는다. 뉴런에는 수상돌기와 축삭이라고 하는 가지가 있다 (그림 1 - 4). 수상돌기 가지의 일반적 외양은 뉴런마다 다르고 그 가지는 몇 갈래로 다시 가지를 쳐 나간다. 세포의 몸통은 세포체라고 하는데 크기는 여러 가지이다.
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그림 1 - 4. 척추동물 뉴런의 전형적인 모식도, 전형적인 뉴런은 세포체와 이것에서 뻗어 나오는 수상돌기 및 축삭으로 이루어졌다. 세포체와 수상돌기의 가지들에는 다른 뉴런으로부터 오는 축삭말단과 접합하여 시냅스를 만든다. 각 시냅스에서는 신경전달물질의 유리에 반응하여 시냅스후전압이 발생된다. 흥분성 전달물질에 의하여 흥분성 시냅스후전압 (EPSP) 이 발생되고 억제성 전달물질에 의하여 억제성 시냅스후전압 (IPSP) 이 발생한다. 수상돌기 및 세포체에서 발생한 이들 시냅스후전압은 통합되어 축삭으로 전달되면 활동전압이 발생된다. 이 활동전압은 축삭을 따라 전도되어 축삭말단에 이르면 칼슘이온의 세포내 유입이 일어나서 전달물질이 유리된다. 왼쪽의 막전압 1. 은 흥분성 시냅스 후전압이고 2. 억제성 시냅스후전압이며 3. 은 활동전압이고 4. 는 축삭말단에서 칼슘이온 유입에 따르는 막전압의 변화이다. |
전형적으로는 20 미크롬 (μ) 정도라 할 수 있다. 대장균 같은 박테리아 세포보다 1 천 배쯤 큰 것이다. 신피질에 가장 흔하게 존재하는 뉴런의 타입은 추체세포라고 하는 것이다. 그 세포체는 피라미드 모양을 하고 있으며 커다란 첨단 수상돌기를 낸다. 별세포 같은 뉴런은 모든 방향으로 수상돌기를 낸다.
뉴런의 축삭 (출력도선) 은 대단히 긴 것도 있는데 경우에 따라서는 몇 미터에 달할 수 있다. 척수에 있는 것이 그 예이다. 어떤 축삭은 수초라고 하는 시트가 둘러싸고 있는데, 수초로 둘러싸인 축삭을 유수축삭이라 하고 수초가 없는 축삭을 무수축삭이라 한다.무수축삭의 직경은 보통 대단히 작아서 0.1 내지 1 미크롬 범위이다. 유슈축삭의 전기적 활동은 무수축삭에 비해 빠르게 이송된다. 축삭에 있어서의 스파이크는 전선의 전류와 같은 것은 아니다. 뉴런에서는 전기적 효과가 이온의 전하에 의존한다. 이온들은 뉴런의 세포막에 있는 단백질로 만들어진 이온 통로를 통하여 축삭을 들어가고 나온다. 즉, 이온들의 이동에 따라 활동전압이라고 하는 세포막에 걸친 전압의 국소적 변화를 일으킨다. 이 전압의 변화가 축삭을 따라 퍼져 내려가는 것이다. 이 신호는 에너지를 이용하여 똑같은 모양으로 재생됨으로써 스파이크는 소멸되지 않고 시발점에서 있었던 모양과 크기를 유지하면서 축삭을 따라 끝까지 이동해 내려갈 수 있다.
19 세기에는 스파이크의 이동의 빛의 속도만큼이나 빨라서 측정할 수 없다고 잘못 생각했었다. 그러나 지난 세기 중반에 헬름홀츠가 그 속도를 측정함으로써 그 속도는 초당 약 90 미터를 넘지 않는다는 것이 밝혀졌다. 무수축삭의 전도속도는 초당 1.5 미터 정도이다. 축삭의 말단은 세포체로부터 분자들을 공급받아야 한다. 거의 모든 유전자와 단백질합성에 필요한 기구들은 세포체에 있는 것이고 축삭에는 없기 때문이다. 축삭에는 물질분자들의 체계적인 양방향 흐름이 있다. 미세한 입자들이 큰 축삭을 따라 어떤 것은 올라가고 어떤 것은 내려가면서 서로 스쳐 지나가는 것을 특수한 고성능 광학 현미경으로 촬영한 고속영화는 참으로 볼 만하다. 어떤 것은 다른 것들보다 빠르게 이동하는 것도 있다. 그러나 축삭의 스파이크 속도보다는 훨씬 느리다. 물론 이 같은 수송의 방향과 동력에는 특수한 분자적 기구를 필요로 한다.
뉴런의 정통학설에서는 수상돌기 (입력 도선) 가 수동적이라는 의견의 견지되어 왔다. 다시 말하면 전위의 변화는 수상돌기의 한 위치에서 다른 위치로 확산되면서 관련되었던 이온의 일부가 막을 통하여 유출됨에 따라 소멸된다는 것을 뜻한다. 마치 모르스 신호가 대서양 횡단 케이블을 따라 대단히 먼 거리로 전송되면서 소멸되는 것과 같다. 이 같은 이유 때문에 수상돌기는 전형적으로 축삭보다 짧다. 보통은 수백 미크롬 정도이다. 현재는 어떤 뉴런에는 수상돌기에 축삭처럼 능동적 과정이 있을 것으로 추정되고 있다. 그러나 축삭에 있는 것과 정확하게 동일한 것은 아닐 것이라고 생각한다.
한편 축삭을 따라 이송되어 내려온 스파이크는 하나의 뉴런과 다른 뉴런 사이의 특수한 접합부인 시냅스에 도달한다. 모든 뉴런은 수상돌기와 세포체에 많은 시냅스가 있다. 작은 뉴런에는 500 개 정도 있다. 큰 추세세포에는 2 만 개 정도에 달한다. 신피질에 있는 뉴런에서의 평균숫자는 6 천 개 정도이다. 해마의 CA1 및 CA2 영역을 중심으로 하는 부위의 신경세포 (개재뉴런) 는 적어도 25,000 개의 시냅스를 해마 안에서 이루는 것으로 추산된다고 한다. 스파이크는 전기적인 것이기 때문에 그리고 다음 뉴런에 대한 효과도 주로 전기적인 것이기 때문에 시냅스도 일종의 전기적 접점이라고 생각할 수 있다. 이는 일부의 경우에 해당하는 것이고 많은 경우에는 보통 한 뉴런에서 다른 뉴런으로의 전달과정은 그렇게 간단하지가 않다.
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그림 1 - 5. 중추신경계의 두 가지형의 시냅스. 제 1 형 시냅스는 흥분성 시냅스로서 글루타민성 시냅스가 대표적이다. 제 2 형 시냅스는 억제성 시냅스이고 GABA 성 시냅스가 대표적이다. 제 1 형 시냅스는 소포의 모양이 둥글고 시냅스전 밀도가 높으며 기저막의 밀도도 높다. 그리고 수상돌기의 시냅스후 밀도도 높고 넓은 시냅스 간격에 넓은 활성부위를 갖는 것이 특징이다. 한편 제 2 형 시냅스는 소포의 모양이 찌그러져 있고 시냅스전 및 시냅스후 밀도가 낮으며 활성부위가 좁은 것을 볼 수 있다. 제 1 형 시냅스는 주로 가시접합을 이루며 때로는 수상돌기 자루에도 접합을 이룬다. 제 2 형 시냅스는 흔히 세포체 접합을 이룬다. |
실제로 2 개의 뉴런은 직접적으로 연결되어 있는 것이 아니다 (그림 1 - 5). 2 개의 뉴런 사이에는 전자현미경 사진으로 쉽게 볼 수 있는 약 40 분의 1 미크롬의 경계가 분명한 간격이 있다. 이 간격을 "시냅스 간격" 이라고 한다. 스파이크가 시냅스 (접합 전 쪽) 에 도달하면 화학물질의 작은 보따리 ("소포" 라고 함) 를 간격내로 유리시킨다. 이 작은 화학적 분자들은 신속하게 간격 안으로 확산되어 수납세포의 시냅스 막에 있는 분자적 통로와 결합하게 된다.그래서 그 특정 통로가 개방되고 하전된 이온들이 시냅스의 접합후막을 통하여 흘러 들어가고 흘러 나간다. 그래서 막전위가 변한다. 전체적 과정을 요약하면 전기적 과정이 화학적 과정을 유도하여 다시 전기적 과정으로 전환되는 것이다.
이온이 흘러 들어가는가 나오는가 하는 것은 간단히 말하면 뉴런의 내부와 외부 사이의 이온 농도의 고저에 의한 것이다. 전형적으로 나트륨이온은 뉴런의 내부에는 낮은 농도로 유지된다. 칼륨이온은 세포 내부의 농도가 높다. 이것은 세포막에 있는 특수한 분자적 펌프에 의해 이루어지는 것이다. 통로가 열리면 두 가지 이온들이 통과할 수 있다. 나트륨이온은 내부로 흘러 들어가고 칼륨이온은 외부로 흘러 나온다. 이온의 흐름은 세포막을 통한 전위차에도 의존한다.
안정 상태에서 뉴런은 세포막에 걸친 "안정" 전위를 가진다. 전형적으로는 약 -70 mV (외부에 대한 내부전위) 이다. 세포체에서 이것을 더 양전위로 만드는 변화 (예; -50 mV) 는 세포가 흥분발사를 일으키기 쉽게 한다. 이를 탈분극이라 한다. 더 음전위 쪽으로 만들어 세포가 과분극되면 전혀 흥분발사를 일으키지 못하도록 방지한다. 뉴런이 축삭에서 스파이크를 발생할 만큼 충분히 흥분되는가 아닌가의 여부는 이 같은 전위변화가 축삭의 기시부 근처 특수 지역에서의 전위를 얼마나 변화시킬 수 있는가에 달렸다.
시냅스의 구조를 좀더 자세하게 들여다보면 그림 1 - 5 에서 도식한 거처럼 피질에는 두 가지 타입의 시냅스가 있다. 제 1 형과 제 2 형이라고 하며 전자현미경 사진으로 식별할 수 있다. 제 1 형 시냅스는 보통 수납 뉴런을 흥분시키고 제 2 형은 억제한다. 제 1 형 시냅스에는 둥근 시냅스 소포가 있고 제 2 형에는 흔히 타원형 또는 납작한 소포가 있다. 제 2 형 시냅스는 보통 제 1 형보다 대칭적이고 시냅스 간격은 약간 작다.
뇌에서 주종을 이루고 있는 흥분성 시냅스 타입은 직접 수상돌기 자루 위에 있는 것이 아니고 극 도는 가시라고 하는 작고 짧은 가지에 접합한다. 단일 극에는 한 개 이상의 제 1 형 시냅스 (흥분성) 가 있는 일은 결코 없다. 하지만 어떤 극에는 제 2 형 (억제성) 시냅스가 같이 있다. 가시는 마치 플라스크의 목이 수상돌기에 붙어 있는 형상을 하고 있다. 이것의 머리는 약간 찌그러진 공 모양이고 가는 목이 있다. 시냅스 자체는 머리 위에 접합하고 세포내의 다른 곳에서 일어나는 일과는 어느 정도 분리되어 있다. 이것에는 이온 통로를 포함한 많은 수용체가 있고 신경전달물질 분자가 시냅스 간격을 통과하여 수용체 분자의 특수 부위에 결합하게 되면 통로가 열린다.
가시는 대단히 정교한 구조이고 이것의 기능을 완전하게 이해하려면 갈 길이 멀다. 가시는 입력되는 신호를 받으면 우리가 상상할 수 있는 것보다 훨씬 복잡한 처리가 가능하게 진화하여 만들어진 중요한 구조라고 생각된다.
뉴런을 둘러싸고 있는 지질막에 있는 여러 가지 타입의 단백질 분자들이 있다. 이것들 중 어떤 것은 전달물질 분자에 의해 활성화된다. 이를 수용체라고 한다. 신피질에서 주가되는 흥분성 전달물질 분자는 글루타메이트라고 하는 작고 비교적 흔한 우기물질 분자이다. 이온 통로는 두 가지 중요한 부류가 있는데 한 가지는 전위차에만 민감하고 또 다른 하나는 신경전달물질에만 민감하다. 세 번째는 글루타메이크 수용체의 일종인 NMDA 통로라고 하는 대단히 흥미 있는 이온 통로가 있다. 이 통로는 전위와 글루타메이트 양자에 민감하다. 더 정확히 말하면 국소 막전위가 안정막전위 근처에 있을 때는 글루타메이트가 존재하더라도 개방되지 않는다. 안정막전위가 좀더 음전위가 되면 비로소 글루타메이트는 통로를 개방하게 된다. 즉, 이것은 시냅스전 활성과 시냅스후 활성 사이의 연합에 반응하는 것이다.
NMDA 글루타메이트 통로가 열리면 나트륨과 칼륨이온뿐 아니라 상당량의 칼슘이온도 통과된다. 이 같은 칼슘이온의 유입은 일련의 복잡한 화학반응을 개시하게 하는 신호가 된다고 생각한다. 그 화학반응은 완전하게 밝혀지지는 않았다. 결과적으로 수 일 또는 수 주일, 수개월 때로는 그 이상의 장기간에 걸친 시냅스의 강도를 변화시킨다. 이제 우리는 인지과정의 초기단계, 즉 기억 같은 것을 분자적 사건이라는 입장에서 설명할 수 있다. 한 가지 실험 예로 흰쥐의 뇌 해마에서 NMDA 통로를 화학적으로 불화성화하면 흰쥐는 어디에 있었는지를 기억하지 못한다.
억제라는 것은 무엇인가? 하나의 뉴런에서 어떤 축삭 말단에서는 흥분을 일으키고 또 다른 말단에서는 억제가 일어나는 것도 있는가? 신기하게도 신피질에서는 이런 일이 결코 없다. 정확하게 말하면 특정 뉴런의 축삭 말단은 모두가 흥분성이 아니면 억제성이지 이들 양자가 섞여 있는 일은 없다. 흥분성 시냅스는 신경전달물질로서 글루타메이트를 이용한다. 억제성 시냅스는 GABA 라고 하는 비교적 작은 분자를 이용한다. 신피질에서는 전체 뉴런의 약 5 분이 1 이 GABA 를 유리한다. GABA 수용체는 두 가지 타입이 주가 된다. GABA A 형은 신속한 이온 통로이고 염소 이온에 대하여 투가성을 가진다. 한편 GABA B형 수용체는 2 차 전령 계통을 비교적 느리게 반응하다.
시냅스 전달이 전기적이 아니고 화학적이라는 사실은 중요한 의미를 가진다. 작은 특별하게 고안된 분자가 때로는 아주 낮은 농도로도 이를 방해할 수 있다는 것이다. LSD 라는 환각물질은 150 미크로그램이라는 낮은 용량으로도 환각효과를 나타낼 수 있다. 또 특정한 약물이 경우에 따라 여러 가지 신경전달물질의 기능적 이상에 의한다고 생각되는 우울증 같은 의학적 문제를 행결할 수 있다는 것도 이것으로 설명된다. 예를 들면 수면제 (변조디아제핀계) 에 들어 있는 화학물질은 GABA 수용체에 결합하여 GABA 의 효과를 증강시킨다. 이와 같이 증가된 시냅스 억제가 잠을 촉진한다. 리브리움, 발리움 같은 정은제도 벤조디아제핀계이고 비슷한 방법으로 작용한다.
신피질에서 흥분과 억제는 대칭적으로 배열되어 있는 것은 아니다. 그러나 일부 이론적 모델에서는 그렇다고 가정한다. 하나의 피질영역에서 다른 영역까지의 장거리 연결은 추세세포에서만 볼 수 있다. 이들은 모두가 흥분성인 것이다. 대부분의 억제성 뉴런의 축삭은 비교적 짧고 동일 영역에서 이웃하고 있는 뉴런에만 영향을 마친다. 모든 뉴런은 흥분과 억제 양자를 모두 받는다.
신피질에는 두 가지 신경전달물질이 주로 작용한다. 흥분성인 글루타메이트와 억제성인 GABA 이다. 그 외에도 많은 전달물질이 작용한다. 뇌간의 뉴런들은 세라토닌, 노르에피네프린 및 도파민 같은 전달물질을 이용한다. 억제성 뉴런의 약 5 분의 1 은 GABA 와 함께 펩타이드라고 하는 약간 큰 유기분자를 유리한다. 이들 대부분의 전달 물질들은 두 가지 신속한 전달물질 (클루타메이트와 GABA) 에 비해 효과가 느리다. 이들은 보통은 그 자신이 흥분발사를 생성하기보다는 세포의 흥분발사를 조정한다. 이 같은 전달물질들은 신속한 과정으로 처리되는 방대한 양의 복잡한 정보를 취급하기보다는 피질의 각성상태 유지 또는 사물을 기억해야 할 시기의 지시 따위 등 주로 비교적 총체적인 과정에 이용된다.
두 가지 전달물질이 대부분의 일을 담당하기는 하지만 여러 가지 전달물질이 있을 뿐만 아니라 여러 가지 종류의 이온 통로로 있다. 대표적으로 통과시키는 이온의 선태성에 따라 나트륨 통로, 칼륨 통로, 칼슘 통로 등이 있고 칼륨 통로만 해도 적어도 일곱 가지 타입의 통로가 있다. 한 가지 예는 IK,Ca 고 하는 것으로 세포내 칼슘 농도에 의해 활성화된다. 이들은 모두가 비교적 보편적이다. 어떤 것은 신속하게 열리고 어떤 것은 느리게 열린다. 즉, 어떤 통로는 열었을 때 신속하게 불활성화되고 어떤 것은 느리게 된다. 어떤 것은 수상돌기나 세포체서 더 미묘한 효과를 발생한다. 입력되는 신호에 대한 뉴런의 정확한 반응을 측정하려면 그 특정 지역에서의 이들 모든 통로의 성질과 분포를 알아야 한다.
여러 가지 뉴런들은 여러 가지 방식으로 발사한다. 어떤 것은 대단히 빠르게 발사할 수 있고 어떤 것은 느리다. 어떤 것은 단일 스파이크를 발사하고 어떤 것은 폭발적인 발사 경향이 있다. 어떤 경우에는 활성화 상태나 직전의 반응상태에 따라 동일한 뉴런에서 이들 두 가지 양상 어느 것으로나 발사할 수 있다. 뉴런들은 서파수면 (꿈이 없는 깊은 잠) 에서는 각성상태와 다른 타입의 발사형태를 나타낸다. 주로 뇌간에 있는 뉴런들에 의해 시상이나 신피질에서 발생되는 효과에 의한 것이다. 결국에 가서는 모든 타입의 뉴런에 관련되는 과정들을 더 깊고 완전하게 이해해야 한다.
뉴런은 여러 가지 입력되는 전기적 신호에 대해 자신의 전기적 충격파를 내보내는 반응을 나타낸다. 이 반응이 정확하게 어떻게 일어나는가, 그리고 이 반응이 시간에 따라 이렇게 변하고 뇌의 여러 부위의 상태를 어떻게 변화시키는가를 파악함으로써 이 반응에 내재하는 복잡성을 극복할 수 있다. 이들의 모든 화학적, 전기화학적 상호 작용을 이해하여야 할 필요가 있는 것은 분명하다. 그래서 이들 반응을 대충이나마 다룰 수 있는 형태로 취급할 수 있는 여러 가지 타입의 뉴런에 대한 간단한 모델이 필요하다. 추적하기 힘든 만큼 너무 복잡하지 않고 중요한 양상을 놓칠 정도로 너무 간단해서도 안 되지만 이러한 모델을 완성한다는 것은 말처럼 쉽지는 않다.
뉴런의 특징 중의 하나는 하나의 단일 뉴런이 여러 가지 속도로 정도의 차이를 가지고 여러 가지 양상으로 신호를 발사할 수 있다. 그렇기는 하지만 정해진 시간대에서 뉴런은 제한된 정보만을 송출할 수 있다는 점이다. 그러나 그 기간에 많은 시냅스를 통하여 들어오는 전위정보는 대단히 크다. 분리된 뉴런 하나를 놓고 볼 때 입력에서 출력으로 가는 이 과정에서 정보의 상실이 있을 수 있다. 이 같은 손실은 각 뉴런이 단지 한 장소뿐 아니라 여러 장소에 송출되는 새로운 형태의 정보와 입력의 특정한 조합에 반응한다는 사실에 의하여 보상된다. 즉, 하나의 축삭에는 많은 가지가 있기 때문에 뉴런이 축삭으로 전달하여 내려 보내는 스파이크의 양상은 여러 다른 시냅스에서 거의 동일한 형태로 분포한다. 하나의 시냅스에서 하나의 뉴런이 받아들이는 것은 많은 다른 뉴런들이 받아들이는 것과 같은 신호이다. 이 모든 것은 별일이 없으면 주어진 시간에 하나의 뉴런만 고려하면 된다는 것을 나타낸다. 우리가 고려해야 할 일은 여러 뉴런의 복합효과이다.
하나의 뉴런이 다른 뉴런에서 지시하는 발사양상에는 어떤 정보가 있을 수 있다. 일반적으로 평균 발사 속도에 의하여 암호화된다. 지각에 있어서 뇌가 학습하는 것은 보통 외부세계 또는 신체의 다른 부분에 관한 것이다. 즉, 보는 일을 하는 뉴런은 머리 속에 있으면서 우리가 본 것은 우리들밖에 존재하는 것이다. 세계는 몸 밖에 있지만 다른 의미에서 이것은 완전히 머리 안에 있다. 그런데 어떤 뉴런이 신호를 보내는가에 대한 정보는 어떤 뉴런에도 제공되지 않는다. 물론 우리가 두개골을 열고 특정 뉴런에 의하여 송출되는 신호를 포착한다면 그 뉴런의 위치를 말할 수 있을 것이다. 그러나 우리가 연구하는 뇌는 이 같은 정보를 갖고 있지 않다. 이것이 우리의 지각과 사고가 정확하게 우리의 머리 어느 곳에서 일어나는가를 알 수 없는 이유이다. 그 같은 정보를 상징하는 발사가 일어나는 뉴런은 없다.
아리스토텔레스는 사람에 빠지는 것과 같은 정신적 과정의 결과로 나타나는 심장의 변화를 보고 그 같은 과정이 심장에서 일어난다고 믿었다. 그러나 뇌에서 일어나는 뉴런들의 이 같은 일은 특수한 장치가 없이는 알 수 없다.
앞에서 간략한 언급된 신경세포의 기능에 중요한 수용체들의 종류와 그 기능들을 좀더 자세히 살펴보면, '수용체' 라는 개념은 에르리히 (1854 ~ 1915) 와 랭글리 (1852 ~ 1926) 에 의하여 금세기 초에 처음으로 소개되었다. 이들은 여러 가지 화합물 (자연계에 존재하는 것 또는 합성된 것) 들의 생체조직에 대한 효과가 대단히 선택적임을 관찰하고 약리학적인 물질이 생리학적인 효과를 나타내기 위해서는 조직의 거대분자성분과 특이적으로 상호 작용할 것이라고 주장하였다. 물론 이와 같은 생각은 현재 사실로 밝혀졌다.
수많은 수용체들이 확인되고 유전자 크로닝 기법으로 이들 수용체 단백질의 아미노산 서열이 밝혀졌다. 이 중에서 가장 잘 알려진 것은 니코틴성 아세틸콜린 수용체이다. 전기뱀장어에서 분리한 니코틴성 아세틸콜린 수용체 단백질 결정의 전자현미경 사진에서 중앙에 구멍이 있는 통로와 비슷한 구조를 볼 수 있다. 즉, 수용체가 신경전달물질인 아세틸코린과 결합하면 이 미세한 통로를 통하여 양이온들이 이동할 것으로 생각되는 것이다 (그림 1 - 6).
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그림 1 - 6. 아세틸콜린 (ACh) 수용체의 분자구조와 이온 통로.
A. 니코틴섬 아세틸콜린 수용체의 3 차원 구조 모델이다. 수용체 - 이온 통로 복합체는 5 개의 서브유닛으로 이루어졌으며 이들 모든 서브유닛들이 이온 통로를 구성한다. 아세틸콜린 분자가 각 α-서브유닛에 한 분자씩 결합하면 이온 통로가 열린다.
B. 2 개의 아세틸콜린 분자가 세포 표면에 노출된 α-서브유닛에 결합하면 수용체-이온 통로 복합체의 구조의 변화를 일으켜 지질 이중막에 함입되어 있는 부분의 통로가 열린다. 이 열린 이온 통로를 통하여 나트륨이온과 칼륨이온이 농도경사를 따라 이동하게 되는 것이다. |
일반적인 개념에서 여러 가지 형태 또는 종류로 수용체를 정의할 수 있다. 소위 생리학적 수용체라고 하는 것은 펩타이드와 스테로이드 호르몬, 생체내 아민, 에이코사노이드 따위의 여러 가지 신경전달물질의 효과를 중개하는 것이다. 한편 효소나 수송단백질 또는 이온 통로도 여러 가지 약물의 수용체가 될 수 있다. 또 세포골격이나 핵산도 수용체가 될 수 있다.
생리학적 수용체는 그 구조와 기능에 따라 네 가지 족속으로 나눌 수 있다. 즉, 리간드 - 조절성 전사인자, 리간드 - 조절성 효소, 리간드 - 개폐성 이온 통로 그리고 G - 단백질 연관 수용체이다. 이들 족속은 각각 그 구조와 기능이 유사하다. 항상 그런 것은 아니지만 같은 족속은 각각 그 구조와 기능이 유사하다. 항상 그런 것은 아니지만 같은 족속의 수용체들은 아미노산 서열 상동성이 상당히 높다. 어느 한 가지 족속의 고도의 상동부위를 이용하여 분자생물학적 방법으로 같은 족속에 속하는 다른 수용체를 증명할 수 있다. 수용체는 증명되었으나 그에 해당하는 내인성 반응물질이 밝혀지지 않는 경우가 있는데, 이를 '고아수용체' 라고 한다.
리간드 - 조절성 전사인자의 초족속은 DNA 와 결합하여 리간드 의존적으로 특정한 유전자의 활성을 조절하는 많은 가용성 수용체 집단이다. 이 족속에 속하는 수용체에는 갑상선 호르몬, 레티노이드, 비타민 D, 그리고 당질코르티코이드, 전해질코르티코이드, 안드로겐, 에스트로겐, 푸로제스테론 따위의 여러 가지 스테이로이드 호르몬에 대한 수용체가 있다. 이 수용체의 대부분은 세포핵에 존재한다. 이들 수용체에 대한 리간드들이 세포막을 쉽게 통과하는 것은 당연하다. 그리고 이 리간드들과 수용체의 결합은 호르몬 결합단백질과 리간드 자체의 효소적 과정에 의하여 조절된다.
스테로이드 초족속에 속하는 수용체들은 비슷한 구조를 가지고 있다. 공통적으로 세 가지 주요영역이 있다. 첫째, 아미노산 서열 중심 근처에 고도의 보존영역이 있다. 이것이 수용체의 DNA - 결합영역을 이룬다. 두 번째 주요 영역은 탄산말단영역이다. 이는 리간드 - 결합영역이다. 수용체의 이 영역은 역시 상당한 서열 상동성이 있다. 특히 구조적으로 유사한 리간드인 안드로겐, 당질코르티코이드. 전래질코르티코이드 그리고 프로제스테론 수용체들 간에 상동성이 높다. 세 번째 주요영역은 아미노기 - 말단영역이다. 이것의 크기는 대단히 다양하고 서열 보존성도 가장 낮다. 수용체의 이 영역이 전사활성을 중개하는 것으로 추정된다.
리간드 - 조절성효소는 대단히 광범위 수용체 초족속을 이룬다. 이것은 다시 상이한 족속들로 나눌 수 있다. 이들 수용체의 공통적 구조특성은 세포 밖에 리간드 - 결합부가 있다는 것이다. 이것은 세포내 촉매부의 활성을 조절한다. 대부분의 경우 수용체의 이들 두 가지 영역 즉, 세포외 리간드-결합부와 세포내 촉매부는 단일 막관통부로 연결된다. 이 광범한 초족속에는 여러 가지 성장인자. 세포분화인자 그리고 펩타이드에 대한 수용체가 포함된다.
리간드 - 조절성 효소 초족속에 속하는 주요 집단의 하나는 수용체 타이로신키나제 (RTK) 족이다. 여기에는 인슐린, 섬유모세포 성장인자, 표피성장인자 그리고 혈소판 유래성 성장인자의 수용체가 포함된다. 단일체 RTK 에 리간드가 결합하면 이합체가 만들어진다. 이는 성장인자 의존적인 키나제 활성화가 전제조건이다. 인슐린 수용체 사합체의 키나제 활성은 인슐린 수용체 이합체보다 훨씬 활성이 크다. 리간드 결합실험에 의해 성장인자는 단일체의 수용체보다 이합체에 높은 친화력으로 결합함이 촉진하게 됨을 뜻한다. 일단 해당하는 리간드에 의해 활성화되면 모든 RTK 는 여러 개의 타이로신기가 자동 인산화된다. 세포 안에는 여러 가지 인산화되는 표적단백질이 있다. 포스포리파제 C -γ1 (PLC - γ1). GTPase - 활성단백질, 포스파티딜이노시를 3' - 키나제의 조절 서브 유닛 따위가 이것에 속한다. PLC - γ1 이 활성화되면 두 가지 제 2 전달자가 만들어진다. 이노시톨 1, 4, 5 - 삼인산엽 (IP3) 과 다이씰글리세를 (DAG) 로서 이들은 세포내 칼슘 동원과 단백질키나제 C 의 활성화에 중요한 역할을 한다 (G - 단백질 연관 수용체의 신호전도기전에서 자세히 설명할 것임).
또 하나의 리간드 - 조절성 효소 초족속으로는 나트륨뇨 심방펩타이드 (ANP) 에 대한 수용체가 있다. 이 수용체는 세포 밖의 ANP 결합부, 단일 막관통부 그리고 세포내 구아닐레이트 싸이크라제 활성부로 구성되어 있다. 이 수용체에 ANP 가 결합하면 세포내 cGMP 농도가 높아지고 이 제 2 전달자는 cGMP 의존성 단백질키나제 (단백질키나제 B) 를 활성화하여 결국 이뇨, 나트륨뇨배설, 혈관 확장따위의 여러 가지 반응을 촉발하게 된다.
리간드 - 조절성 효소 초족속의 마지막 집단은 신경성장인자와 종영궤사인자 수용체족이다. 이 수용체는 세포 밖의 리간드 -결합부가 단일막관통부에 의해 다양한 세포내 영역에 연결된다. 세포내 영역의 기능은 알려져 있지 않으며 알려져 있는 어떤 단백질의 서열과도 일치하지 않는다.
리간드 - 개폐성 이온 통로는 커다란 초족속으로 커다란 초족속으로 아세틸콜린 수용체 (니코틴성 아세틸콜린 수용체), GABA 수용체 (GABAA 수용체), 글라이신 및 여러 가지 흥분성 아미노산 수용체 (글루타메이트 및 아스파르테이트) 가 이에 속한다. 이것은 보통 4 개 또는 5 개의 서브유닛으로 구성되고 각각의 서브유닛은 4 개 또는 5 개의 막관통부로 이루어진다 (그림 1 - 7A). 그 이름에서 알 수 있듯이 이 수용체들은 효능제 리간드가 결합하면 이온 통로가 열리고 이온 전류를 전도하게 되는 것이다. 신경-근접합부 또는 전기뱀장어의 전기기관에 있는 니코틴성 아세틸콜린 수용체의 경우 이온 전류는 나트륨이 주가 되는 단가양이온에 의한다. 신경의 니코틴성 수용체에는 급속하게 탈감작되는 칼슘 전류가 있다고 생각되고 있다. 흥분성 아미노산 수용체의 경우 나트륨과 칼슘에 의한 이온전류가 있고 억제성 아미노산 수용체 (GABA 와 글라이신 수용체) 에는 염소 이온에 의한 이온 전류가 있다. 리간드 -개폐성 이온 통로는 특징적인 과합체 구조를 가진다. 신경-근 접합부에 있는 니코틴성 아세틸콜린 수용체는 그림 1 - 6 에서 보았듯이 오합체 구조로서 2 개의 α-서브 유닛과 각 한 개의 β-, γ-, δ- 서브유닛으로 구성되어 있다. 이들 서브유닛은 중앙에 구멍이 있는 단지 모양으로 배열되어 있다. 이 구멍이 수용체의 이온 통로일 것으로 생각되는 것이다. 신경의 니코틴성 아세틸콜린 수용체와 기타 리간드 - 개폐성 이온 통로 서브유닛의 자세한 구조는 잘 알려져 있지 않으나 신경-근 접합부의 니코틴성 아세틸콜린 수용체의 유사체이기는 하지만 똑같은 것은 아니라고 생각한다. 예를 들어 어떤 이온 통로는 2 개의 α-서브유닛과 2 개의 β-서브유닛만으로 구성된 사합체일 수도 있다. 또 제노푸스 알에 α-서브유닛만으로 구성된 사합체일 수도 있다. 또 제노푸스 알에 α-서브유닛만의 mRNA 를 주사하여 재조합 동종복합체 GABAA 수용체츼 복잡한 알로스테리적 상호 작용의 특성이 모두 유지되지는 않는다.
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그림 1 - 7. 두 가지 종류의 신경전달물질 작용 (Kandel, Sehearts & Jessell, 1991).
A . 리간드 - 개폐성 이온 통로이다.
B. 제 2 전달자에 의해 이온 통로가 개방되는 G - 단백질 연관 수용체이다. |
그리고 이 같은 동종복합체는 자연적으로는 절대로 만들어지지 않는다. 각 서브유닛의 몇 가지 서로 다른 서브타입이 니코틴성 수용체와 GABA 수용체에서 복제되었다. 이온 통로의 고만고만한 여러 가지 서브타입이 존재하는 것은 서브유닛의 서로 다른 서브타입들의 조합에 기인하는 것이다. 이들 이온 통로의 서브타입들은 서로 다른 약리학적, 기능적 특성이 있을 수 있고 각각 특유의 발생학적 특징을 가진다. 이 다양성은 정리되어야 할 방대한 일거리이기는 하지만 약불에 대한 선택성을 높이는 데는 바람직한 것이다.
리간드 - 개폐성 이온 통로는 나트륨 통로나 L-타입 칼슘 통로 따위 대부분의 전압 - 조절성 이온 통로와 대체로 구조가 유사하다. 리간드 - 개폐성 이온 통로는 1 차적으로 화학물질에 반응하는 것이나 통로의 개폐 특성은 세포막 전압에 의해 조절된다. 반대로 전압 - 개폐성 이온 통로는 1 차적으로 전압에 반응하지만 여러 가지 효능제나 길항제에 의해 조절된다. 이들 리간드는 서로 알로스테리적으로 연관된 통로의 서로 다른 부위에 결합하는 것이다. 이 같은 관점에서 볼 때 리간드- 및 전압 - 조절성 이온 통로는 수용체의 큰 초족속을 이루는 것으로 생각된다.
여러 가지 타입의 양이온 또는 음이온 통로의 3 차원 구조와 세포막에서의 국소적 조직형태는 대체로 동질성을 보인다. 아직 결론을 내리기는 이르지만 니코틴성 및 글라이신 수용체의 리간드-결합부는 α-서브유닛의 세포 밖 영역에 있다고 본다. 신경-근 접합부의 니코틴성 아세틸콜린 수용체의 경우 두 분자의 아세틸콜린이 통로에 결합하여 통로를 개방한다. 이 같은 작용방식은 서브유닛의 구조로 미루어 알 수 있는 것이며 아세틸콜린과 통로의 결합에 있어서는 양성협동성을 특징으로 한다. 서로 다른 서브유닛들은 상호간에 상당한 동질성을 보이며 4 개의 막부가 있다. 이온에 대한 선택성은 막부의 양극성 나선구조에 의한다고 생각되나 이 같은 구조는 니코틴성 수용체에서만 발견된다. 따라서 막부의 양극성 나선구조와 이온의 선택성은 불가분의 것이 아니다. 니코틴성 및 GABAA 수용체에는 통과되는 이온과 반대로 하전된 아미노산 뭉치가 이온 통로에 있다. 그래서 이 아미노산들이 이온 선택성을 결정할 것으로 생각한다.
리간드 - 개폐성 이온 통로는 말초 및 중추 신경계에 광범하게 분포하여 시냅스에서의 신속한 신경전달의 주역을 한다. 시냅스 지연시간은 1/2 msec 이하이다. 니코틴성 아세틸콜린 수용체에는 신경-근 접합부에 존재하며 α-운동신경의 충격에 반응하여 골격근의 수축을 유발하는 것이다. 이 이온 통로가 전신마취제와 함께 사용하는 신경-근 차단제의 작용부위인 것이다. GABAA 수용체는 뇌에 있는 억제성 신경전달물질에 대한 수용체의 주종을 이룬다.이 수용체는 뇌에 있는 억제성 신경전달물질에 대한 수용체의 주종을 이룬다. 이 수용체는 여러 가지 항불안제, 항경련제, 수면제들의 작용부위이다. 흥분성 아미노산에 대한 수용체도 뇌에 풍부하게 존재한다. 그리고 이들 이온 통로의 억제물질은 뇌졸중 후에 나타날 수 있는 뇌허혈에 수반되는 신경세포의 손상을 방지하기 위해 사용될 수 있다.
G-단백질 연관 수용체는 가장 큰 수용체족속이다. 이것에는 아세틸콜린 (무스카린성), 카테콜아미, 히스타민, 세로토닌, 에이코사노이드, 일부 펩티드를 포함하는 내인성 신경전달물질에 대한 수용체가 포함된다. 이들 수용체는 이종삼합체인 G-단백질과의 결합에 의해 반응을 촉발한다. 결국 여러 가지 효과기, 즉 이온 통로나 제 2 전달자를 생상하는 효소를 활성화한다. 수용체는 GTP-결합단백질 (G-단백질) 을 활성화하여 제 2 전달자가 생성되면 이 제 2 전달자에 의해 이온 통로가 열린다. 즉, 조절되는 이온 통로 분자와 수용체 분자는 서로 다른 것이다. 여기서는 G-단백질에 의해 아데니릴 시크라제가 활성화되어 cAMP 가 생성되는 과정을 예로 들었다. 이 cAMP 에 의해 cAMP - 의존성 단백질 키나제를 활성화되면 이온 통로가 인산화되고 (P) 결국 이온 통로가 열린다. 이 족속에 속하는 수용체는 7 개의 막관통부로 이루어진 하나의 단백질이다 (그림 1 - 7B). 이 수용체는 뇌와 말초자율신경계의 여러 가지 신경 접합부에서의 신경전달과 시각, 미각, 후각 등 특이적인 감각 기능에 관여하는 것이다. 망막의 광수용체인 로돕심은 옵신이라고 하는 단백질과 광활성 반응물질인 레티날의 복합체이다. 빛에 의해 레티날은 트란스형으로 이성화된다. 그래서 로돕신의 형태적 변화가 유발되어 트란스듀신 (GT) 이라는 하는 G-단백질이 활성화된다. 결국 트란스듀신이 망막 신경절세포의 과분극반응을 일으키는 일련의 반응을 촉발하게 되는 것이다. 이 신호발사과정은 크게 증폭되어 빛의 한 개 광자는 50% 의 확률적로 망막신경절세포를 촉발한다. G-단백질 연관 수용체는 후각에도 특이하게 관여한다. 후각상피세포의 유전자 계 또는 보족 DNA 크로닝에 의한 연구에 의하면 코에는 100 개 이상의 서로 다른 타입의 후각 수용체가 있을 것으로 추정된다. 그 각각이 여러 가지 냄새를 구별하게 할 것으로 생각한다.
G-단백질 연관 수용체는 모두가 유사한 구조를 가지고 있는데 고도로 보존성인 α-나선의 7 개 막관통부가 있고 이것에 연결된 아미노기 말단과 탄산기 말단 그리고 세포내 및 세포외 고리가 있는데 이들의 보존성은 떨어진다. 막부의 세 번째 분절에서 고도로 보존성인 아스파라긴산기에 점돌연변이를 일으키면 무스카린성 수용체와 β-아드레날린성 수용체에 반응물질이 결합하지 못한다. 수용체가 G-단백질과 연결되는 부분은 세포질내로 뻗어 있는 친수성인 제 3 고리 (i3) 이다. 제 3 고리가 연결 역할을 할 것이라는 강력한 증거는 i3 고리를 서로 뒤바꾼 수용체 카이메라를 이용한 연구로 밝혀진 것이다. 예를 들어 무스카린성 수용체의 i3 고리를 β-아드레날린성 수용체의 i3 고리로 치환하면 그 수용체 카이메라는 무스카린성 반응물질에 대한 반응으로 β-아드레날린성 효과를 유발한다. 흥미로운 것은 여러 가지 수용체들의 i3 고리는 그 자체로서 활성을 지닌다는 것이다. 따라서 i3 고리는 그 자체로서 활성을 지닌다는 것이다. 따라서 G-단백질 연관 수용체의 리간드 결합부 (7 개 막부) 는 i3 고리에 대하여 억제적으로 작용하고 리간드가 결합하므로써 이 억제가 풀리는 것이라고 생각된다.
수용체의 신호발사에 관련되는 G-단백질은 α, β, 및 γ-서브유닛으로 구성된 이종삼합체이다. β 와 γ-서브유닛은 견고하게 결합된 복합체로서 하나의 단위로 기능한다. α-서브유닛은 β, γ-서브유닛이 없는 저분자량 G-단백질과 매우 유사하다. 이 작은 G-단백질이 세포내에서의 여러 가지 대사과정에 관여한다. G-단백질의 기본적 기능은 GTP 의 가수분해와 수송에 관여하는 것이다. 저분자량 G -단백질인 신장인자 Tu 의 경우 리보좀에서의 tRNA 를 수송하고 이종삼합체 G-단백질의 경우는 수용체와 효과기 사이를 G-단백질이 왕래한다. 이렇게 세포막에서의 신호 발생에 관여하는 G-단백질의 역할은 고도로 특성화된 기능일 것으로 생각한다.
이종삼합체 G-단백질의 α-서브유닛은 대단히 다양하다. 20 개 이상의 서로 다른 타입의 α-서브유닛이 클론되었다. 이에 비해 β와 γ-서브유닛은 서브타입이 많지 않아 여러 타입의 α-서브유닛이 동일한 βγ-서브유닛 이합체에 결합할 수 있다. 수용체와 효과기에 대한 선택성은 α-서브유닛이 결정한다고 생각되나 선택성이 절대적인 것은 아니다. 예를 들어 무스카린성 수용체의 M2 서브타입은 한 가지 타입 이상의 G-단백질 (G0, G1, 및 Gi2) 과 상호 작용할 수 있다. 그리고 한 가지 타입의 G-단백질 (예 Gi) 은 여러 타입의 수용체 (예 : 무스카린성 M2 도파민성 D2 수용체) 와 상호 작용할 수 있다. 그러나 G0 또는 G1 와 상호 작용하는 수용체는 일반적으로 Gs 와 상호 작용하면 효과를 나타내지 못하고 그 반대로 마찬가지이다. 효과기의 G-단백질 상호 작용 수준에서도 선택성이 잇다. 여러 타입의 G-단백질이 아데니릴 시크라제의 활성 억제를 중개할 수 있다. 그러나 이 같은 G-단백질은 포스포이노 시타이드 - 특이적인 포스포리파제C 와 수용체가 결합하면 효과를 나타내지 못한다. G-단백질의 α-서브유닛은 GTP 와 결합하여 GTP-α 복합체가 βγ-서브유닛으로부터 해리된다. 그리고 α-서브유닛은 GTPase 활성을 가지고 있어서 GTP 를 GDP 로 가수분해하고 불활성화된 GDP- 복합체가 βγ-서브유닛과 유합한다. 일부 G-단백질의 α-서브유닛은 세균 독소의 기질이 되는 수가 있어서 α-서브유닛이 ADP 로 리보핵산화 될 수 있다. 예를 들면 콜레라 독소는 Gs 의 α-서브유닛을 ADP 로 리보핵산화한다. 그 G-단백질은 아데니릴 시크라제의 활성을 자극한다. 이 ADP 리보핵산화는 GTPase 활성을 억제하고 결국 Gs 를 비가역적으로 활성화하여 아데닐레이트싸이크라제를 활성화한다. 이와 반대로 백일해 독소는 Gi 와 G0 를 ADP 리보핵산화하여 수용체에 의해 중개되는 Gi 와 G0 의 활성화를 방지한다. GT 는 콜레라 독소와 백일해 독소 모두에 대하여 기질이 된다.
효능제가 G-단백질 연관 수용체를 활성화했을 때 세포내에서 일어나는 과정에 대해 좀더 자세히 알아보면, 애초에 G-단백질은 GDP 가 견고하게 결합된 삼합체이다. 이 같은 형태가 비활성 G-단백질 활성화의 전제조건이다. 효능제-수용체 복합체는 유리상태의 α-서브유닛 또는 βγ-서브유닛과는 상호 작용할 수 없고 삼합체에만 상호 작용할 수 있기 때문이다. 세포내에는 고농도 (약 0.1mmol) 의 GTP 가 존재하지만 이것이 G-단백질에서 GDP 를 치환하지 못한다. GDP 의 α-서브유닛으로부터 해리 속도는 무시할 정도이기 때문이다. 효능제가 수용체에 결합하면 구조의 변화를 일으켜 i3 고리가 G-단백질에서 상호 작용할 수 있게 된다. 이 같은 상호작용으로 효능제는 GDP 의 해리 속도를 증가시켜 비로서 GTP 가 G-단백질에 결합할 수 있게 된다. GTP 가 결합하면 GTP-α 복합체는 유리되어 활성화된다. 그래서 이 GTP-α 복합체가 효과기를 활성화함으로써 효능제에 의한 세포의 반응을 촉발하게 되는 것이다. 때로는 βγ-서브유닛이 반응을 나타내는 것 같다. 반응종료기전은 α-서브유닛의 GTPase 활성에 의해 GTP 가 기수분해된다. 이 때 생성되는 GTP-α 복합체가 βγ-서브유닛과 유합하면 이와 같은 사이클이 다시 반복된다.
이 같은 사실을 뒷받침하는 많은 실험적 증거들이 있으나 여기서는 몇 가지 경우만 설명하였다. 무스카린성 효능제는 M2 수용체가 Gi 와 안정적 복합체를 이루게 하고 이는 M2 와 Gi 에 대한 항체를 이용한 웨스턴 불롯으로 증명할 수 있다. 이에 반하여 길항제는 수용체 - G - 단백질 복합체 형성을 촉진하지 않는다. 또 리간드가 삼원 복합체 (효능제 - 수용체 - G - 단백질) 를 형성하는 능력은 효능제의 내재성 효능에 비례한다. 다만 GDP 는 GTP 와 마찬가자로 효능제의 내재성 효능에 비례한다. 다만 GDP 는 GTP 와 마찬가지로 효능제의 친화성을 억제하나 길항제의 친화성은 억제하지 않는다는 점에 주목할 필요가 있다. 효능제와 구아닌 뉴클레오티드는 서로 다른 부위에 작용하기 때문에 이 효과는 알로스테릭한 것이다. 따라서 두 가지 타입의 리간드 사이의 상호 작용 양상은 음성 이소성 협동성이라고 한다. 알로스테리적 상호 작용은 양방향성이다. 즉, GDP 또는 GTP 가 효능제의 친화성을 억제하면 그 효능제는 정확하게 동일한 정도로 구아닌 뉴클레오티드의 친화성을 감소시킨다. 이 같은 효능제에 의한 GDP 친화성의 감소는 GDP 가 G-단백질으로부터 쉽게 해리되게 하고 GTP 가 상경적으로 G-단백질에 작용할 수 있게 한다. 이 같은 GDP 의 해리 속도 증가는 GTP 의 친화성이 감소된 상태에서 일어나는 것이지만 GTP 의 결합이 감소하지는 않는다. 세포내 GTP의 농도는 포화상태가 유지되기 때문이다. 즉, G-단백질에 상호 작용하는 GTP 의 농도는 10-9 mol 수준이지만 세포내 GTP 의 농도는 10-3 mol 범위이다. 따라서 G-단백질으로부터의 GDP 의 해리 속도 증가에 의한 효능제-수용체 복합체의 작동은 음성 이소성 협동성에 의해 중개되는 것이다.
G-단백질 연관 수용체는 전체 조직수준에서의 수많은 반응을 중개한다. 그러나 세포수준에서의 이들 반응은 비교적 적은 수의 전도기전에 의하여 촉발되는 것 같다. 이는 신호발생과정의 다양성에 의하여 다양한 반응이 유발되고 신호발생기전의 중간단계와 종말단계를 결정하는 인자들은 조직특이적임을 말한다. 그래서 포스포리파제 C-연관 수용체의 활성에 의한 칼슘 동원이 평활근의 수축을 유발하게 되고 외분비선에서는 동일한 전도기전이 분비를 유발하게 되는 것이다. G-단백질 연관 수용체의 일부 주 전도기전은 그림 1 - 8 에 요약하였다.
반응을 촉발하는 가장 보편적인 기전은 세포내 칼슘 농도를 증가시키는 것일 것이다. 물론 다른 여러 가지 신호발생기전도 결국은 세포내 칼슘 농도에 영향을 미친다. 칼슘 농도를 증가시키는 한 가지 공통된 기전은 PIP2 - PLC의 활성화이다. 이 효소는 인지질 PIP2 를 IP3 와 DAG 로 가수분해하는 것이다. 여러 가지 수용체가 Gq 와 G0 를 통하여 이 세포막결합효소를 활성화한다. 이 효소의 두 가지 가수분해산물인 IP3 는 형질내세망으로부터 칼슘을 유리시키고 DAG 는 단백질키나제 C 를 활성화한다. 일부 세포에서는 IP3 는 인산화되어 IP4 가 되고 이는 IP3 의 세포내 칼슘 동원을 돕는 것으로 생각된다. IP3 와 IP4 는 모두가 불안정하고 포스파타제에 의하여 가수분해되어 이노시톨이 되며 이는 다시 PIP2 합성에 이용된다. 이 과정의 최종 포스파타제인 미오 - 이노시톨 - 1 - 포스타제는 리튬에 의하여 억제된다.
cAMP계통 IP3-DAG 계통 아라키돈산
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외부신호
(제 1 전달자) |
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노르에피네프린 |
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아세틸콜린 |
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히스타민 |
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↓ |
세포외측 |
↓ |
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↓ |
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↓ |
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수용체 |
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베타-아드레나린성 수용체 |
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무스카린성 ACh 수용체 |
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히스타민 수용체 |
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변환기 |
1차
효과기 |
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Gs |
아데니닐
시크라제 |
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G0 |
PLC |
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G0 |
PLA2 |
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↓ |
세포내측 |
↓ |
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↓ |
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↓ |
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제 2 전달자 |
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cAMP |
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IP3 |
DAG |
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아라키돈산 |
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2 차 효과기 |
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cAMP-의존성
단백질키나제 |
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Ca2+
유리 |
PKC |
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5-리포옥시제나제 |
12-리포옥시제나제 |
사이크로 옥시제나제 |
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그림 1 - 8. 대표적인 제 2 전달자에 의한 신호계통. 잘 알려진 세 가지 신호 변환과정을 도식적으로 나타내었다. 이들은 모두가 공통적인 변환단계를 거치게 된다 (왼쪽). 외부신호가 세포막 수용체 분자에 도달하면 수용체에 인접한 변환단백질이 활성화되어 이것이 효과기효소를 활성화한다. 이들 효소는 제 2 전달자를 생성하고 이 제 2 전달자는 2 차 효과기를 활성화라거나 직접 표적조절단백질에 작용한다. 첫 번째 과정은 G-단백질에 의해 아데니릴 시크라제가 활성화되어 제 2 전달자인 cAMP가 생성되는 과정을 나타낸 것이다. G-단백질을 Gs 로 나타낸 것은 이것이 아데니릴 시크라제를 자극하기 때문이다. 아데니릴 시크라제를 억제하는 G-단백질은 Gi 라고 한다. 두 번째 과정은 또 다른 G-단백질 (Go) 에 의해 포스포리파제C (PLC) 가 활성화되는 과정이다. 이 효소는 포스파티딜이노시톨 (PIP2) 을 가수분해하여 DAG 와 IP3 를 생성한다. IP3 는 세포내 저장된 칼슘이온을 동원하다. DAG는 단백질키나제C (PKC) 를 활성화한다. 세 번째는 포스포리파제 A2 (PLA2 ) 를 통하여 제 2 전달자로 아라키돈산이 생성되는 과정이다.
이 효소가 억제되면 결국 IP1 이 축적되고 뇌의 이노시톨과 이노시톨 함유 인지질 (예 : PIP2) 이 고갈된다. 이 같은 고갈은 PIP2 - PLC 를 통한 수용체의 신호발생과정을 저해할 수 있다. 이것이, 리튬이 조울증의 증상에 영향을 미치는 기전으로 생각된다. 일단 세포내 칼슘이 상승하면 칼모듈린에 결합하여 여러 가지 키나제와 포스파타제를 활성화함으로서 여러 가지 효과를 중개한다. DAG 에 의하여 활성화함으로서 여러 가지 효과를 중개한다. DAG 에 의하여 활성화되는 단백질키나제C 도 여러 자지 효과를 중개한다. 또 일부 종양촉진 포볼에스터 유도체들이 효소에 작용한다.
세포내에서의 신호발생기전에 있어 또 한 가지 중요한 것은 아데니릴 시크라제 계이다. 아데니릴 시크라제에 영향을 미치는 G-단백질 연관 수용체는 효소를 자극하는가 또는 억제하는가에 따라 두 가지로 나눌 수 있다. Gs 는 자극을 중개하고 Gi 는 억제를 중개한다. 몇 가지 서로 다른 타입의 아데니릴 시크라제가 확인되었다. 이들은 모두가 Gs 의 α-서브유닛에 의하여 활성화된다. 이 효소가 억제되는 기전은 아직 분명하게 밝혀지지 않았다. 아데니릴 시크라제의 타입에 따라 αi 또는 βγ-서브유닛이 관계될 것으로 생각된다. 일단 세포내 cAMP 가 상승하면 cAMP - 의존성 단백질 키나제 (단백질키나제A) 를 활성화하여 여러 가지 효과를 나타내게 된다. 이 과정의 종식은 포스포디에스테라제에 의하는데, 이 효소는 cAMP 를 신속하게 AMP 로 가수분해한다.
아데니릴 시크라제를 자극하는 수용체들 사이에는 상호간에 교섭이 있을 수 있다. 그리고 이것들은 PIP2 - PLC 도 활성화할 수 있다. 예를 들어 뇌에 다량 함유되어 있는 타입 I 아데니릴 시크라제는 칼슘에 의하여 활성화된다. 또 칼슘은 일부조직에서 포스포디에스테라제를 자극한다. 뿐만 아니라 Gs - 연관 수용체에 의하여 자극되는 아데니릴 시크라제가 일부 조직에서는 단백질키나제C 의 활성화에 의하여 증강될 수 있다. 그리고 Gs - 중개로 자극되는 타입 Ⅲ 및 Ⅳ 아데니릴 시크라제는 βγ-서브유닛에 의하여 크게 증강되고 이는 수용체간의 상호 교섭이 또 다른 기전이 된다.
이상에서 설명한 제 2 전달자 계통에 더하여 G-단백질 연관 수용체는 여러 가지 이온의 전도성에 영향을 및니다. 여러 경우에 이들 제 2 전달자는 간접적으로 효과를 중개하지만 경우에 따라서는 G-단백질과 이온 통로가 직접 연계되기도 한다. 한 가지 예는 심장에서 볼 수 있는데, 무스카린성 수용체와 β-아드레날린성 수용체는 칼륨이온의 내향전류를 피차에 서로 역방향으로 변화시킨다. 이 같은 효과는 Gs 와 Gi 와 의하여 각각 중개된다. 이것은 미주신경이 심장 박동 속도를 느리게 하고 교감신경이 심장 박동 속도를 빠르게 하는 기전이 된다.
40 년 전 캇츠 등이 시냅스 전달과정을 처음 정량적으로 기술한 이래 포유류 중추신경계의 신속한 화학적 전달과정의 일반적 정량적 모델을 수립하려는 많은 시도가 있었다. 시냅스 소포에 의한 신속한 화학적 전달과정이라는 기본기전에 있어서는 모든 시냅스가 다를 것이 없으나 중추신경계에 있어서의 여러 가지 실험적 및 이론적 연구결과는 하나의 모델을 제시하기에는 많은 논란의 소지를 보이고 있다. 이는 실험방법이나 분석방법의 제한성에 기인하는 면도 있겠으나 중추신경계 시냅스의 구조적 및 기능적 다양성에도 기인한다.
포유동물의 시냅스는 크기와 모양이 다양하다. 일부 작은 시냅스 부톤 (말단) 은 해마의 추상세포에서 기시하는 수상돌기 가시에 접합한다. 한편 근육방추의 구심성 섬유와 운동신경세포 또는 척수의 척수 소뇌로 세포 사이에서는 신경말단이 세포체 또는 매끈한 수상돌기 자루와 접합을 이룬다. 극단적으로는 중추신경계에서 가장 큰 시냅스전 신경말단이 청각계통의 신배형 시냅스에서 발견된다. 즉, 청각신경섬유는 '헬드의 말단구' 라고 하는 방대한 시냅스 말단을 만들어 뇌간의 전복측와우 신경핵에 있는 구형세포의 세포체를 감싼다. 전복측와우 신경핵뉴런의 축삭도 '헬드의 신우' 라고 하는 큰 접합을 이룬다. 이 청각신경계의 큰 시냅스는 중추축삭의 시냅스 전활성을 직접 기록할 수 있어서 최근 정량적 시냅스 전달 연구에 이용되고 있다.
신경 - 근 접합부에서와 마찬가지로 중추신경계의 신속 시냅스 전달에서도 특이한 시냅스 특성화를 볼 수 있다 (그림 1 - 9). 유리부의 시냅스 전 활성구역과 그것에 연관된 시냅스후 지역이다. 전자현미경하에서 이 시냅스 특성화를 확인할 수 있다. 시냅스전 소포의 축적, 넓은 고전자밀도의 세포간 간격 (시냅스 간격), 그리고 시냅스후 밀도이다. 시냅스후 밀도는 고농도의 수용체 및 이온 통로를 의미한다.
그림 1 - 9. 다양한 구조의 중추신경계 시냅스. 그림 A - D 는 다양한 구조의 중추신경계 시냅스의 모식도이다. A 는 하나의 부톤이 하나의 시냅스 특성화를 이루고 수상돌기와 접합하고 있는 것이다. B 는 축삭이 시냅스후 뉴런의 수상돌기자루 또는 세포체에 다중접합을 이루고 있는 것이다. 큰 부톤에 여러 개의 특성화가 이루어져 있다. C 는 신우형 말단의 예이다. 수천 개의 시냅스 특성화가 이루어질 수 있다고 한다. D 는 사구체형 말단의 예이다. 하나의 부톤이 여러 개의 시냅스후 뉴런의 수상돌기와 접합을 이룬다.
하나의 신경말단에 형성되는 시냅스 특성화 수는 해마의 CA1 추상세포, 소뇌의 태상 섬유말단 또는 배측척수소뇌로 등에 따라 대단히 다양하다. 배측척수 소뇌로뉴런의 근방추 구심신경말단은 15 ~ 20 개의 특성화를 이룰 수 있다. 어떤 '헬드의 말단구' 라고 하는 것에는 1,000 개 이상의 분리된 특성화를 포함하는 경우도 있다.
시냅스 특성화의 크기와 모양도 대단히 다양하다. 연속절편의 전자 현미경 소견으로 재구성한 글루타민성 시냅스는 하나의 신경말단에서도 유리부의 면적이 시냅스에 따라 다양함을 보여 주고 있다. 이는 전달물질의 평균 유리 확률이 시냅스 연결에 따라 그리고 하나의 신경섬유에서도 유리부에 따라 달라질 수 있음을 말한다.
여러 가지 전달물질 수용체에 대한 항체를 이용하여 광학현미경 또는 전자현미경하에서 시냅스후막의 수용체 위치를 자세하게 알아볼 수 있다. 이 같은 면역조직화학적 기법에 의하면 글루타민성 수용체는 이온지향성 수용체이고 시냅스후 밀도에 집중되어 있음을 알 수 있고 대사지향성 수용체는 여러 가지 시냅스에서 시냅스 및 시냅스 밖에 위치함을 알 수 있다. 특이한 것은 포유동물 척수 뉴런의 몇 가지 타입은 시냅스후 수용체 덩어리의 크기가 세포체로부터의 거리에 따라 증가하는 것이다. 이것의 기능에 대하여는 알려진 바가 없으나 정량적 시냅스 전류의 진폭이 시냅스후 수용체 덩어리의 크기와 관계가 있다면 시냅스 전류나 전압을 수상돌기에 의한 변조를 보상하는 기전의 하나가 될 수 있다.
시냅스 특성화의 크기와 시냅스전 축삭의 생리학적 성질 사이의 관계는 최근에 헬드의 말단구에 대한 전자현미경적 연구로 밝혀졌다. 느린 자발적 활동전압 발사 속도를 가진 청각신경섬유에서의 시냅스 특성화는 빠른 자발적 발사 속도를 가진 신경섬유에 비해 상당히 크다. 이는 시냅스전 활성이 그것의 구조에 영향을 미친다는 것을 의미한다. 즉, 발육기 또는 성숙한 신경계에서의 시냅스 특성화의 크기와 모양의 가소성이 시냅스 효율을 변하게 한다는 생각을 뒷받침한다.
활동전압이 시냅스전 말단에 도달하면 유리부로부터 일정량의 전달물질이 다양한 시간간격을 가지고 간헐적 또는 확률적으로 유리된다. 최근에 시냅스전 활동전압에 따르는 정량적 전달물질 유리의 시간경과가 직접적으로 측정되었다. 양서류의 신경 - 근 접합부에서의 이전의 연구에 의하면 전달물질 유리의 시간경과는 초기와 후기로 나눌 수 있다. 그리고 초기 및 후기 유리는 칼슘 감수성의 차이에 의한 특이한 유리과정이다. 그리고 유리 초기의 시간경과는 확률적 성질을 갖는 세포의 유출에 있어서 칼슘 결합단계의 유리과정이다. 이 확률과정의 결과는 전압의 요동에 의한 1000 분의 수 초에 걸친 순간적 파형의 난조인 지터와 같은 것이다. 이 지터는 전복측와우신경핵, 소뇌 및 배양된 해마 뉴런의 글루타민성 시냅스에서의 시냅스후 전류의 시간경과 측정에 현저한 영향을 미친다. 이들 시냅스에서의 전달물질 유리 시간경과는 온도에 민감하다. 생리학적 온도에서의 이 지터는 백만분의 수백 초 이하로 감소할 수 있다.
시냅스 활성구역의 크기가 다양하다는 것은 유리에 관계되는 경수 (파라미터) 가 다양할 수 있음을 의미한다. 촉발성 유리 확률의 직접적 측정에 의하면 시냅스 연결들, 동일형의 시냅스의 시냅스전 섬유들 그리고 동일한 시냅스전 섬유에 있는 유리부들은 서로 다르다. 유리 확률이 시냅스에 따라 서로 다른 이유는 아직 알 수는 없지만 동원 가능한 소포의 수 또는 칼슘통로의 밀도 같은 유리부의 크기에 관계되는 구조적 요인을 생각할 수 있다.
자발적 시냅스 전류는 각 시냅스 특성화에 따라 다르고 시냅스 간격, 신경전달물질의 농도와 시간경과 그리고 시냅스후 수용체 및 이온 통로의 위치와 성질에 따른다. 이들 변화는 모두 구조의 영향을 받을 수 있다. 만일 신경전달물질이 상당기간 동안 고농도로 유지된다면 시냅스후 수용체는 포화상태로 존재하게 될 것이다. 이 경우 시냅스후 최고전류는 유리되는 전달물질의 농도에 의해 영향받지 않고 시냅스후의 수용체 수에 의해 결정될 것이다. 그리고 변동폭은 주로 시냅스후 수용체 또는 이온 통로의 성질에 의해 결정될 것이다. 전달물질의 농도 그리고 시냅스후 수용체 또는 이온 통로의 성질 양자에 의해 결정된다.
전달물질의 확산화 흡입, 수용체의 포화, 그리고 이온 통로의 동력학 및 탈감작이 시냅스후 전류의 진폭과 시간경과에 미치는 영향의 정도는 시냅스에 따라 다양하다는 것이 실험적으로 그리고 이론적으로 증명되었다. 중추신경계의 전달물질 확산 모델로 소포의 크기, 시냅스 간격, 그리고 이웃한 유리부와의 거리 등 구조적 성질의 중요성이 증명되고 있다. 이 모델은 시냅스 간격, 소포들 사이 그리고 유리부들 사이에 있어서의 전달물질 농도의 다양성을 설명하는 데도 도움이 된다. 전달물질농도의 절대값은 소포내의 전달물질농도와 절대량 그리고 시냅스 간격의 기하학적 성질 등 여러 가지 인자에 의해 결정된다. 하나의 유리부만 존재하는 작은 신경말단에서 시냅스 간격으로 유리된 전달물질은 주로 전달물질 확산계수에 의해 대단히 빠르게 (백만분의 수백 초) 소멸된다. 그리고 시냅스전 신경말단과 시냅스후 신경세포 사이의 기하학적 공간에 의해 결정되는 접합 외 용적에 의해 결정되는 느린 (천분의 수초) 소멸이 뒤따른다.
수용체 포화는 실험적으로 어떤 시냅스 접촉에서는 발견되고 어느 것에서는 발견되지 않는다. 수용체 포화의 실험적 증거는 대부분 간접적인 것이나 일부 제한된 유리부에서 일어나는 자발적 시냅스 전류에서 작은 진폭의 다양성이 직접 관찰된다. 또 어떤 중추연결에서는 유리부에 따라 정량적 전류진폭의 대단히 큰 다양성이 기록된다. 이 같은 현격한 차이는 시냅스의 구조적 차이와 여러 수용체 또는 이온 통로들의 특성 차이에 기인한다. 최근 소뇌의 태상신경섬유와 과립세포 사이의 연결에서 흥미 있는 중요한 시냅스 접합의 구조적 차이가 발견되었다. 일부 태상섬유는 단일 특성화를 보이는 반면 다른 태상섬유는 다중 특성화를 보였다. 이 단일 유리부에서는 시냅스 전류 진폭의 큰 변동이 기록되며 이들 단일 유리부는 포화되지 않은 것임이 증명되었다. 한편 다중특성화 유리부의 시냅스 전류 진폭의 변동은 시냅스후 수용체가 포화된 것임을 나타내었다. 다중유리부가 있는 태상섬유에서는 인접한 유리부들에서 동시에 전달물질이 유리되므로 시냅스 간격의 전달물질 농도가 높아져 확산이 지연되므로 수용체를 포화시킬 수 있다. 다중유리부에서의 동시적 소포 유리에 있어서는 각각의 유리부에서의 유리 확률이 대단히 높을 것이다. 단일 유리부가 포화에서 불포화로 변하면 유리 확률이 낮아진다는 것이 실험적으로 증명되었다.
전달물질 청소 지연현상도 몇 가지 타입의 신경연결에서 관찰되었다. 소뇌의 푸르키니에 세포는 시냅스 간격에 글루타민성 전달물질이 오래 머물러 흥분성 시냅스후 전류의 쇠퇴가 지연된다. 소뇌의 태상섬유와 단극성 쇄모상세포 사이 연결의 시냅스전류는 신속한 AMPA - 매개성 성분에 이어 AMPA 및 NMDA 수용체에 의해 발생되는 대단히 느린 전류로 이루어진다. 이 장기지속성 시냅스 전압은 시냅스후 뉴런에 있어서의 활동전압의 연장을 초래하게 된다.
요컨대 포유류의 중추신경계에는 시냅스의 구조적 및 기능적 다양성이 존재하며 이는 특정 생리학적 역할과 관련될 것이다.
신경세포는 다른 신경세포와 배선을 이루며 서로 연결되어 있으며 세포 사이의 거리는 신경세포 자체의 크기보다 수천 배나 되는 것이 보통이다. 이 같은 연결의 대부분은 고도의 정확성을 가지고 발생 초기에 이루어진다. 그런데 신경세포는 어떻게 정확한 길을 찾아 배선을 이루는가? 이와 같은 의문을 처음으로 제기하고 세포 수준에서 그 기전을 처음으로 제안한 사람은 라몬 이 카할이다. 그는 태생기 신경조직에서 신경돌기의 끝이 아메바 모양으로 두터워진 것을 발견하였다. 그는 이ㅣ를 성장원뿔이라고 하였다. 그리고 이것이 길을 찾아가고 표적을 인식하는 것이라고 생각하였다. 또한 다른 생물에서 특정한 화학물질의 농도에 반응하여 이동하는 화학 유주성에서와 같은 기전으로 표적신경세포에서 분비되는 물질이 성장원뿔이 나아갈 길을 유도할 것이라고 제안하였다. 그 길을 정확하게 따라가려면 성장원뿔은 화학적 유인분자를 감식해야 할 것이다. 신경연결의 발생과정에 관한 카할의 이 같은 생각은 교과서에도 언급되고 있는 것이나 화학적 유인물질설이 확고한 근거를 마련하게 된 것은 최근의 일이다.
럼스덴과 다비에스 (1983) 는 화학적 유인물질의 존재를 시험관 실험을 통해서 처음으로 증거를 제시하였다. 그들은 표적이 되는 조직과 축삭을 뻗어내는 조직인 두 조각의 조직을 콜라젠 방울에 맞대어 배양했다. 콜라젠 배지는 축삭이 자라기에 적당한 환경을 조성하는 것이었고 동시에 표적 조직에서 유리되는 인자의 확산에 의한 농도 구배를 안정시키는 것이었다. 만일 표적 조직에서 유리되는 인자 중의 하나가 화학적 유인물질이라면 축삭은 그것을 향하여 자랄 것이다. 따라서 그 물질을 분석하고 정제하고 축삭 유도분자의 분자를 크로닝하는 것이 첫걸음이 될 것이다. 이렇게 해서 두 가지 분자가 복제되었다. 이것이 처음으로 화학적 유인인자로 확인된, 네트린이라고 하는 것이다. 그 외에 신경성장인자 같은 다른 인자들도 시험관을 통해 축삭 유도에 관여할 것으로 추정되고 있으나 생체에서의 역할은 아직 분명치 않다.
병아리와 흰쥐의 척수를 이용한 새로운 방법으로 축삭 유도물질이 연구되었다. 배측척수의 소위 교련뉴런에서 기시하는 축삭은 중간 표적인 기저판을 향하여 자라나서 그 축삭의 성장원뿔은 중심선으로 방향을 바꾸어 뇌로 향하게 된다. 기저판의 축삭 유도물질을 알아보는 첫 단계로 콜라젠 배지에 배측 및 복측척수 조각을 배양하였더니 복측척수 조각은 배측척수 조각에서 자라는 교련뉴런을 유인하였다. 또 복측척수 추출물을 첨가한 배지에서 배측척수 조각을 배양하면 축삭의 수와 길이가 극적으로 증가한다. 여기서 유인물질을 화학적으로 정제하였다. 이렇게 해서 발견된 네트린 - 1 과 네트린 - 2 는 새로운 단백질로서 분자량이 각각 75,000 과 78,000 이었고 72 % 의 아미노산 서열 상동성을 가졌다. 이것의 대부분은 세포막과 결합되어 있는 것이나 일부는 용액형태로도 존재한다. 네트린 - 1 은 오직 기저판에서만 표현되고 네트린 - 2 의 전사체는 복측 척수의 하부 2/3 인 비교적 넓은 부위에서 관측된다. 네트린을 표현하는 유전자 재조합 세포주가 기저판의 경우와 마찬가지로 교련뉴런의 축삭을 유인한다는 사실도 알려졌다. 두 가지 물질은 각각이 상호 독립적으로 충분한 축삭 유도작용을 나타내므로 이들이 축삭 유도에 있어 서로 어떤 역할을 하는지는 아직 잘 알려져 있지 않다.
과거 수십 년 동안 척추동물발생학자들은 초파리에서 초기 태생기 발달의 미스터리들을 분자단위까지 풀려는 것에 관심을 기울여 왔다. 그러나 이를 성공시킨 실험은 척추동물에서 시행할 수 없어서 실망이 거듭되었다. 초파리와 같이 다산이 가능하고 쉽게 태생기가 관찰될 수 있는 척추동물 모델이 없었기 때문이다. 예를 들어 쥐의 태생기는 모체의 자궁 깊숙한 곳에서 자라고 실험실에서 발생학 연구에 많이 이용되는 제노푸스 (아프리카산 발톱개구리) 는 너무 천천히 자라서 유전분석에 유용한 척추동물의 실험적 모델로 확립할 수 없었다.
최근에 소그룹의 생물학자들이 발생생물학자들의 꿈인 빨리 자라고 크고 투명한 태아기를 갖는 줄무늬붕어에 관심을 갖기 시작했다. 이 연구자들은 줄무늬붕어의 태아기 발달과정에서의 광범위한 돌연변이와 그 효과를 만들어 내는 돌연변이 유전자를 분리하기 위한 수단을 고안해 실험실 모델을 만들어 냈다. 독일 튀빙겐의 막스 프랑크 연구소와 미국 매사추세츠 병원의 연구팀들은 거의 2 백만 개의 태아기 붕어를 조사해야 했다. 작업하기에 충분히 큰 붕어 군체를 만드는 데 필요한 기술을 확인하는데 5 년 걸렸다. 그들은 깨끗한 물이 주요점이라는 것을 알고 순수한 물을 공급하기 위해 수조를 만들 때 공간, 경비, 유지시간을 최소화하는 선에서 계획했다. 금방 깬 치어들의 경우 살아 있는 먹이를 원하기에 먹이도 문제였다. 그들은 1 년 이상에 걸쳐 120 만 태아기를 조사하여 비정상 표현형을 나타내는 1,300 개의 돌연변이체를 관찰할 수 있었다. 이 돌연변이체들은 처음에는 특정 태아기 세포층을 만드는 과정인 장배형 성기 동안의 세포이동에서의 결손을 보였다. 그래서 태아기에 서로 다른 비정상 신체구조 계획을 가지게 된다. 그러나 대부분 단 하나의 구조 (예로 척수, 뇌, 자궁) 에서 비정상적인 결손을 나타내었다. 그 조사에서 나타난 돌연변이체 중에는 신경생물학의 큰 미스테리 중의 하나를 알아내는 실마리가 되는 것이 있었다. 어떻게 신경섬유가 뇌에서 목적지까지의 경로를 알아 내는가 하는 것이다.
발생신경생물학자 프리드리히 본호퍼는 10 년 이상을 망막의 신경세포들에서 기원한 축삭들이 시개라는 구조에 도달하는 뇌의 시각중추 경로를 찾는 연구에 쥐와 병아리 태아기 조직을 사용해 왔다. 그래서 오른쪽 망막의 아래 부위의 축삭은 왼쪽 시개의 위쪽 부위에 다다르고 왼쪽 망막의 꼭대기에서 출발한 축삭은 오른쪽 시개의 바닥으로 이어진다는 것을 밝혔다. 그리고 특정 안내분자의 농도 차이를 알게 되면 시개에서의 축삭의 위치를 추적할 수 있을 것이라고 하였다.
앞서 말한 독일과 미국의 연구팀은 망막과 시개 사이의 비정상적 연결을 가지는 줄무늬붕어 돌연변이에 대한 유전자 조사로 실마리를 잡았다. 태아기의 눈의 2 개 특정 지역에 각각 다른 염색약을 미세주사 기구로 주사하여 신경섬유를 염색하면 현미경하에서 염색된 축삭들이 목적 위치에 도달하는 정확한 경로를 볼 수 있다. 이 같은 방법으로 망막 축삭이 눈으로부터 시개ㅐ까지 잘못된 경로를 볼 수 있다. 이 같은 방법으로 망막 축삭이 눈으로부터 시개까지 잘못된 경로를 가지게 되는 160 개 돌연변이체를 발견하였다. 돌연변이에 따라 몇 축삭들은 중도에 소실되고 또 다른 그룹의 종말돌연변이체들에서는 신경섬유가 시개에 도달하나 잘못된 위치에 분포하였다. 종말 돌연변이체들 중에서 하나는 흥미로운 표현형을 갖는데, 그 고기는 거꾸로 수영하였다. 이러한 특이한 이상은 2 차 돌연변이에 의한 것일 수도 있다.
돌연변이의 표현형을 나타내는 유전자를 찾아내어 그들의 정상기능을 분석하는 작업은 단지 이제 시작에 불과하다. 그러나 최근에는 새로운 유전자를 클로닝하고 유전자지도를 작성하는 데 필요한 다른 기술들의 급속한 발전으로 유전자 연결과 유전자의 물리적 지도를 만드는 것이 가능해졌다. 즉, 유전자의 염기서열 지도화의 고해상 기술이 개발된 것이다. 그래서 줄무늬붕어의 DNA 에 일치하는 DNA 조각들을 조사하고 정교한 조각그림 맞추기의 각고의 노력으로 발생유전자지도를 완성함으로써 발생생물학의 새 시대를 열게 된 것이다.
생물학적 진화과정 중 뇌의 진화 즉 우리의 동물 조상으로부터 900 내지 1,000 만 년의 세월을 통하여 걸출한 창조력을 지닌 사람의 뇌에 이르기까지의 인류의 진화는 가장 중요한 창조적 과정이다. 유인류의 인류로의 진화에 관한 이야기는 우리 자신에 관한 이야기이기에 가장 훌륭한 것이다. 유인류의 성공적 진화야말로 우리를 인간으로 존재할 수 있도록 한 유일한 기회였다. 그런데 뇌가 있기까지의 근본적 진화양상에 관하여는 별로 알려진 바가 없다. 뇌의 진화에 관한 이야기는 사실의 공백과 정당화되지 못한 추론에 불과한 것처럼 보이기 때문일 것이다. 많은 부분은 불명인 상태이거나 불충분하게 알려진 것임은 사실이나 인간 뇌의 진화에 관한 이야기는 매혹적이 아닐 수 없다.
계통발생의 점진성은 한시적 평형설 그리고 염색체 재조합 가능성으로 수정이 가해지고는 있으나 생물학적 진화의 다윈설은 확고하다. 논쟁의 초점이 되는 진화현상은 첫째, 고등동물에 있어서 의식의 발현이고 둘째는 훨씬 놀랄 만한 걸작인 유인류의 자아의식의 경험이다.
유인류진화는 시작부터가 바로 신비이다. 단백질 연대법으로 밝혀진 바에 의하면 900 내지 1,000 년 전에 사람상과 (유인동물) 계통은 사람과 (유인류) 와 폰지데과 계통으로 나누어진다. 불행히도 사람과 진화의 가장 결정적 시기인 이 시기 이후의 500 만 년 동안은 거의 화석이 발견되지 않았다. 아마도 그 기간에는 사람과의 개체수효가 대단히 적었을 것이다. 그 500 만 년 동안에 양각보행으로의 진화적 변형이 있었다. 수상서식 유인동물과 육상서식 오스트라로피테쿠스 사이에는 몇 단계의 진화과정이 있었을 것이다. 400 만 년 전, 화석기록에 의하면 골격과 근육계통이 완전히 양각보행으로 변형되었음이 밝혀진다. 사각보행에서 양각보행으로 이행하는 과정에는 양각보행을 가능하게 하는 신경계의 변화가 있었을 것임은 라에톨리 발자국 화석으로 잘 알 수 있다.
최근 수십 년 동안에 400 만 년 전부터 근년에 이르기까지의 풍부한 유인류 화석이 발견되었다. 뇌의 변형까지도 내주형으로 확인되었다 (그림 1 - 10). 유인류 진화로 이루어진 변화의 해석에 현대 폰지드의 뇌가 유인동물 조상의 뇌 모델로 이용된다. 유인류 진화에 있어서의 뇌의 변화를 그려 보려는 시도는 하인츠 스테판과 그 공동연구자들의 절묘한 연구에 크게 힘입었다. 그들은 사람을 포함하는 다양한 영장류 뇌에서 핵 같은 해부학적으로 구별이 되는 구조의 크기를 측정하였다.
고등 영장류에 있어서 인간만이 교묘한 감각 및 운동계를 가진 생물로의 진화과정이 있었다고 할 수 있다. 그러나 인간의 진화는 고등영장류에서 이미 이루어진 진화 위에 이루어졌다. 가장 좋은 예는 시각계통이다. 원시적 시각피질과 전줄무늬피질에 이르는 시각경로는 인간에 이르는 진화에 있어 크게 변하지 않았다. 그 중 가장 중요한 것은 대뇌피질로서 고등 영장류의 대뇌피질은 사람과 매우 유사하다. 또 중요한 것은 변연계와 학습계통이다.
대퇴피질과 함께 간뇌의 중요한 기능으로 발생된 새로운 부위, 특히 언어야는 폰지드의 뇌에는 흔적에 불과했고 다른 영장류에는 존재하지 않았다. 이들 새로운 부위는 기능적으로 비대칭적이다. 가장 나중에 발생되었을 뿐 아니라 개체발생과정에서도 가장 나중에 기능하는 것은 영적 기능을 가지는 신신피질이다.
영장류 진화에 있어서는 보수적 지혜라고 하는 것이 있었다. 이는 진화를 잠언적으로 표현한 것이다. 단기간의 매력적 이익으로 보이는 것 때문에 물려받은 근본형체와 흥정하지 않는다는 것이다. 예를 들면 마음대로 움직일 수 있는 다섯 손가락을 발이나 발굽 또는 날개와 바꾸지 않는다. 손은 유인류 진화에 있어서의 걸작이고 결국 신경계의 발달과 함께 이루어 낸 완성품이다.
우리의 진화계통만이 오직 생각할 수 있는 한에서 우리들것에 걸맞은 또는 그것을 능가하는 상상력과 지능을 가진 생물에 이르게 할 수 있는 것이었나 하는 의문이 종종 제기된다. 예를 들어 어떤 초지능 원숭이가 유인류 계통을 능가하는 또는 그에 걸맞은 다른 진화계통을 창시할 수 있지 않았을까? 대답은 절대 그렇지 않다는 것이다. 유인류 진화는 기존의 유전자 정보군에서 분리된 대단히 작은 분절들에 의한 불연속적인 진보에 의존한다. 더욱이 대단히 장기간의 격리된 시간 ─ 수십만 년 ─ 후에야 각각의 새로운 종이 탄생할 수 있었다. 이 같은 격리 조건들은 이제 지구행성에서 다시는 재연될 수 없다. 사실상, 과거에도 유인류 진화는 단 한 번 있었을 뿐이고 그 이후에는 완전히 멸종당할 위험이 상존하는 가운데 극소수의 인구에 의해 그 유인류 진화의 결과가 유지될 수 있었다. 그래서 인간은 경쟁자의 새로운 출현을 두려워할 필요가 없다.
그전까지 의식이란 존재하지도 않던 세계에 의식과 자아의식이 생성되는 신비로운 과정을 물리화학적인 방법으로 설명하기는 불가능할 것이다. 이 문제에는 철학적 고찰과 종교적 개념이 대두된다. 의식세계의 중심, 포퍼의 제 2 세계에는 신에 의해 창조된 영혼이 있음을 암시하고 있다. 이 문제는 요원한 논란의 대상이다.
학습이란 기본적으로 뇌에 저장되는 과정이다. 그리고 기억이란 뇌의 자료은행에 저장되어 있는 것을 상기하는 것이다. 많은 경우 혼동하여 취급되기는 하나 두 가지 분명한 형태의 학습과 기억이 있다. 첫째는 반사기억이라고 하는 운동학습과 기억이다. 선다거나 걷기까지를 포함하는 능숙한 움직임의 학습이다. 둘째는 서술기억이라고 하는 인지적 학습과 기억이다. 여기에는 모든 지각, 관념, 언어적 표현이 포함되고 실제로는 문화를 통틀어 그 안에서 나타나는 모든 일이 포함된다.
인간의 학습과 기억의 진화에는 침팬지 같은 유인원이 호미노이드 조상의 모델로서 중요한 단서를 제공한다.
"인간의 종으로서의 경탄할 만한 성취는 뇌의 진화적 발달에 유연한다. 이는 여러 가지 일들 중에서도 도구사용, 도구제작, 그리고 합리적 이론, 사려 깊은 협동 및 언어에 의한 문제해결능력을 갖게 하였다. 가장 두드러진 것의 하나는 뇌의 구조에 있는데, 침팬지는 생물학적으로 사람과 비슷하다.. 침팬지는 원시적 추리력으로 현재 살고 있는 어떤 포유동물보다도 사람에 가까운 지능을 나타낸다. 현대 침팬지의 뇌는 수백만 년 전의 첫 번째 유인원인의 행동을 산출해 낸 뇌와 크게 다르지 않다고 생각된다." (구달, 1971)
구달은 탄자니아의 곰베유역 보호구에 자연상태로 자유롭게 살고 있는 50 마리의 침팬지에 관한 독특한 연구를 통하여 훌륭한 저서 『인간의 그림자에 관하여』(In the Shadow of Man, 1971) 를 발표하였다. 연구는 수년 동안 계속된 것으로 이 무리의 각 개체는 이름을 붙여 식별할 수 있었다. 이들은 순수한 여족장 사회로서 새끼는 태어나서 성숙할 때까지 어미의 계속적인 보호로 자란다.
호모에서나 마찬가지로 침팬지 새끼는 출산 후 대단히 무기력하다. 그러나 침팬지 새끼의 태어날 때의 뇌는 성숙한 것의 60 % 이나 사람은 26 % 밖에 안된다. 침팬지 어미는 새끼를 잡고 나무에 오른다거나 둥지를 만드는 등 어려운 과업을 떠맡는다. 새끼는 태어난 후 오래지 않아 어미의 머리털을 쥐고 매달리는 것을 배운다. 5 개월이 되어서야 어미 등에 매달리는 것을 배우게 된다. 한편 2 개월쯤에는 사물을 보고 접근하는 것을 배운다. 이는 사람의 어린아이보다 조금 빠른 것이다. 3 개월째에는 운동 조화를 배우게 되고 5 개월째에 첫발을 디디게 되어 나무에 기어오른다. 이는 사람의 어린아이보다 훨씬 빠르다. 초기 학습과정은 밤에 쉴 수 있는 둥지를 나무 위에 만드는 것이다. 8 개월째가 되면 침팬지 새끼는 이 중요한 기술을 습득하려고 노력한다. 그러나 수년 동안 같은 밤을 보낼 수 있는 둥지를 만들지는 못한다. 이것은 어린아이들의 놀이 같은 것이다. 그러나 새끼가 주위를 돌아다닐 때가 되면 모방하는 것으로 배운다. 어미는 이 초기학습의 스승이다. 어미로부터 처음으로 도구사용법을 배워서 흰개미 둥지를 막대기로 쑤셔 흰개미 유충을 꺼내 먹는다. 그러나 5 살에 젖을 땐 후에도 1 - 2 년 동안 어미의 보살핌을 받는다. 한편 다른 젊은 것 또는 성숙한 것에서도 행동을 배운다. 때로는 적절치 못한 행위에 대하여 늙은 수컷에게서 공격을 받는 것으로도 배운다.
제인 구달의 이야기에 의하면 침팬지 어린것의 원시적 행위는 오늘날의 원시적 사회에서의 사람의 유년기와 크게 다를 바가 없다고 한다. 큰 차이라면 인간의 원시적 사회에서는 남성 특히 아버지가 젊은 남자의 훈련에 참여한다는 점이다. 침팬지의 경우 7 ~ 8 세가 될 때까지 사춘기가 시작되지 않는다. 이때쯤 어린 수컷은 어미를 떠나 수컷 사회에 끼여들기를 시도한다. 그 사회는 어린 수컷을 환영하지는 않으나 단지 내버려 둘 뿐이다. 그들은 순종하는 태도를 보여야 한다. 심한 공격성을 보이면 어미가 상관하게 된다. 이것은 극단적인 감정을 가진 복합사회이다. 그러나 심하게 다치는 일은 드물다. 결국 수컷은 15 세가 되면 완전하게 성숙하고 우열을 다투게 된다. 한편 암컷은 8 ~ 9 세에 성적으로 성숙하고 대단히 활발한 성생활을 가져서 11 ~ 12 세에 첫 새끼를 낳는다.
침팬지의 청년기는 사람처럼 길지는 않지만 그래도 의외로 긴데, 이는 그 복잡한 사회구조를 배우는 긴 학습과정 때문이다. 개체간의 상호 작용에는 대단히 다양한 몸짓들 그리고 적어도 14 가지로 식별되는 울음과 소리치기가 포함된다. 공동체내에서 각 개체는 음성만으로도 서로를 구별하는 것 같다고 한다. 그러나 소리치기와 울음은 하위수준언어 이상의 의사소통은 이루지 못하고 감정상태를 표현한다거나 음식, 침입자, 타 동물 등에 대한 신호 정도이다. 이는 모든 사소한 사건과 행동에 관한 자질구레한 대화를 즐기는 오늘날의 가장 원시적인 호모 사피엔스와 비교하면 대단히 빈약한 의사소통이다.
멘젤 (1984) 의 어린 침팬지에 관한 실험적 연구는 구달의 연구를 보충한 것이다. 동물들은 식물로 뒤덮인 상당히 넓은 폐쇄지역에 풀어 두었다. 일부 시험에서는 어린 침팬지를 자연상태에서 어미의 등에 업혀 돌아다니는 것을 본따 상자에 넣어 실험자가 옮겼다. 어린것은 위치가 바뀐 물체들을 곧 식별하는 것으로 보아 사물이나 공간에 대한 기억이 대단히 좋다는 것이 밝혀졌다.
"그 동물들은 매일 매일 그 우리 속에 있는 여러 가지 사물들 모두의 시각적 형태와 선택적 위치를 학습하고 기억하는 것으로 생각되는데 음식물 등의 보상과는 무관하였다." (멘젤, 1984)
또 동물에게 18 조각의 음식이 숨겨진 장소를 옮겨 가며 보여 주고 이 정보를 받은 동물을 우리에 갇힌 다른 동물이 있는 곳으로 되돌려 보냈다. 그리고 잠시 후에 모든 동물을 풀어 놓아 개방된 지역을 마음대로 돌아다니게 하였다. 정보를 받았던 동물은 잘 선택된 길을 따라 숨겨진 음식 거의 전부를 효과적으로 찾아내었다. 이는 단지 한번의 시행으로 공간적 학습이 효과적으로 이루어졌음을 뜻한다. 예상대로 정보를 받지 않은 동물은 정보를 받은 동물과 함께 찾을 때만 성공하였다. 이 실험은 정보를 받은 동물은 숨겨진 음식의 위치로서 일종의 영역지도를 만들었음을 뜻한다. 침팬지 학습에 관한 이 분야의 실험은 학습의 보다 정밀한 실험실적 시험 특히 일종의 부호계통에 의한 언어적 의사소통의 학습과의 관계로 이어진다. 켈로그 부부 (1933) 는 어린 암컷 침팬지 구아를 양육하였을 때 주의깊게 관찰한 과정을 상세하게 기술하였다. 그들은 가족과 함께 정상적인 아이들처럼 구아를 키우려고 시도하였다. 훈련은 우발적이었는데, 구아는 사람의 아이들처럼 배웠다. 대체로 놀랄 만치 성공적이었다. 가드너 부부 (1983) 도 주의깊게 그 방법을 따랐다. 태어나서 약 10 개월째인 1965 년에 아프리카에서 잡혀 실험실에 도착해서부터 시작된 아주 어린 침팬지 와슈의 생활은 장기간의 우발적 학습과정이었다. 와슈는 사람의 어린아이처럼 행동해야 했다. 단지 다른 점은 유일한 의사소통 방법으로 신호언어를 사용하는 환경에서 살았다는 것이다. 신호언어를 선택한 이유는 어린 침팬지에게 초기에 음성언어를 가르치려던 시도가 실패했기 때문이다. 와슈는 컵으로 마시는 법, 식탁에 앉기, 포크와 숟가락의 사용법, 옷을 입고 벗기, 그리고 변기 사용법 등을 배웠다. 또한 와슈는 장난감을 가지고 놀며 인형을 돌보았다. 결국 와규는 야생 생활로부터 획기적으로 변환 생활방식에 적응하였으며, 이 과정에서 와슈의 적응 성과와 학습능력은 타고난 본능에 의하여 크게 영향받지 않았다. 모든 것이 청년기 동안에는 잘 진행되어 와슈는 130 가지 신호언어를 배웠다. 그러나 사춘기 후에 와슈는 심한 정신적 혼란에 직면하게 되었다. 자신을 사람의 딸로 생각하고 자기의 두 침팬지 새끼에 실망하여 결국 새끼는 오래 살지 못하였다.
신호나 부호를 가지고 침팬지의 의사소통을 가르치는 여러 가지 방법이 검토되었다. 동일한 학습계획을 가지고 사람과 침팬지를 비교하는 것은 흥미있는 일이다. 렌네버그 (1975) 는 흥미 있는 실험을 수행하였다. 침팬지를 언어 자석판 앞에 앉게 하고 그 위에 플라스틱 조각을 선택하여 부착하게 하였다. 어린 암컷 침팬지 사라는 대단히 효과적으로 의사소통이 이루어지게 되었다. 그리고 렌네버그는 정상적인 고등학교 학생을 사라와 똑같이 훈련하였다. 고등학교 학생은 사라보다 틀리는 점수가 훨씬 빨리 적어졌다. 그러나 그들은 플라스틱 부호와 언어 사이의 합치성을 이해하였다기보다는 수수께끼 풀기 정도로 알고 있는 것 같았다고 한다. 한편 사라는 이 과정 전체를 단순히 주스를 보상받기 위한 것으로 간주했을 가능성이 있다. 침팬지가 보여 준 의사소통의 신빙성은 여러 가지 방법으로 검토되었으며, 학습을 통해 침팬지가 인지적 기억에 있어 잘 발달된 능력을 가졌다는 것을 밝힐 수 있었다. 그리고 그 기억은 주기적인 강화에 의하여 수년 동안 유지될 수 있을 것이다.
유인원의 학습에 관한 연구는 사람의 학습과 유사한 점이 많다는 것을 보여 주었다. 예를 들어 새끼에서 청년기에 걸친 모든 사회적 상호작용의 복합적 학습이 이루어지며, 가두어 기른 어린 침팬지는 사람의 어린아이처럼 행동하는 것을 대단히 잘 배웠다. 운동학습은 잘 이루어졌으며 일부 언어소통도 신호 또는 부호언어로 가능했다. 침팬지의 사물 식별능도 잘 발달되었다. 그들은 자신이 하는 일을 알았고 주스의 보상 없이도 작업에 흥미를 가졌다. 그리고 놀라울 만치 영어회화를 잘 이해하였으나 영어를 발음하는 데는 실패했다. 이같은 언어학적 연구로 어린아이와 어린 침팬지의 근본적인 차이는 언어에 있음을 알게 되었다. 어린아이는 의욕을 가지고 언어의 세계로 들어가고 문법적으로 바른 문장구성을 빨리 배운다. 그렇게 해서 세상을 배우게 된다는 것은 의문의 여지가 없다. 테라스 (1985) 는 인간의 학습과 기억에 있어 언어의 핵심적 역할을 강조하면서 다음과 같이 말하였다.
"사람의 기억에 관한 대부분의 연구는 언어자극을 이용한다. 비언어적 자극을 이용하는 경우라도 기억은 언어적 기억술과 조절과정에 의해 증진된다. 동물에서의 인지과정은 사람의 경우에 비하여 그 생물학적 한계에 의하여 훨씬 제한될 것이라는 것은 분명한 것 같다."
호미노이드 (침팬지 같은) 로부터의 진화에 있어 학습이나 기억에 대한 고도로 발달한 대뇌기전은 이미 발달될 준비가 다 되어 있었다고 생각된다. 하지만 사람의 수행능력은 차원이 다른 정도의 차이가 있다. 침팬지가 습득한 수행능력은 세 살짜리 어린아이보다 못한 수준으로 사람 성인의 수행능력과는 비교가 되지 않는다. 반면에 사람은 살아가며 수행능력이 계속 발달하고 문자기록, 컴퓨터 기억, 또는 수학적 부호 등의 불변하는 형태로 습득한 학습내용을 이용할 줄 알게 된다.
호미니드 진화과정에 뇌에 새겨진 진화적 변화의 일부는 인지적 및 운동 학습에 관계되는 영역의 크기지수를 조사함으로써 살필 수 있다. 스테판 (1983) 은 광범한 각종 영장류의 여러 가지 대뇌 성분의 크기를 측정하여 발표하였다.
인지적 기억과 관계된다고 믿어지는 뇌의 부위별 크기지수를 기초 식충류를 기준으로 나타내 보면 기본은 다른 폰지드보다 지수가 높다. 호모의 해마는 의외로 지수가 낮다. 그러나 해마의 가장 발달한 부위 (CA1) 는 크기지수가 가장 크고 다른 부위들은 훨씬 작다. 분열피질의 크기지수는 해마와 거의 비슷하다. 해마 그리고 간뇌와 분열피질에 관계되는 구조의 크기지수는 모든 폰지드와 호모의 경우 신피질의 크기 증가에 비하면 훨씬 적은 것이다. 사람에서 인지적 기억 능력의 엄청난 증가를 고려할 때 두 가지 중요한 요인이 있다. 첫째, 연합피질 특히 전두전엽이 크게 증가하였다. 브로드만 (1912) 은 전두전엽의 전체 신피질에 대한 비율을 호모의 경우 29 % 로, 침팬지는 16.9 % 로, 마카크는 11.3 % 라 하였다. 전체 신피질의 상대적 크기에서도 사람의 전두전엽피질은 유인원의 것보다 5 배나 크다. 둘째 언어의 역할이다. 사람의 인지적 기억은 대부분 언어로 작성된다. 인지적 기억에 대하여 해마가 상대적으로 크게 기여하지 못한 것에 비하여, 인지능력의 발생에 있어서 이들 두 가지 측면의 진화상 발달은 훨씬 중요한 것이라 할 수 있다. 호미니드 진화에 있어 호모 하빌리스는 뇌가 증대하고 언어영역이 발달하여 가장 큰 진화적 도약을 이루었다고 할 수 있다. 신피질의 호미니드 진화과정에서 언어영역 특히 브로드만 영역 39 와 40 이 흔적에 지나지 않는 유인원의 뇌로부터 크게 증대하였다. 그리고 이 후기 진화의 기원은 대단히 늦은 수초화에 의한다. 현대 유인원을 모델로 한 호미노이드에서부터 전두전엽이 굉장하게 진화적으로 커졌으나 (5 배) 일률적으로 커진 것은 아니라고 말할 수 있다. 영역 39, 40 처럼 새로운 영역이 특별한 목적을 가지고 발생하여 전두전엽이 인간의 사고와 기억에 두드러진 역할을 하게 된 것일 수도 있다.
보행과 운동학습에 관계되는 대뇌 부위들의 기초 식충류를 기준으로한 크기지수에 의하면 진화에 있어 정도는 낮지만 소뇌반구는 대뇌반구와 나란히 발달한다고 생각된다.
사람과 원숭이의 신생아는 몇 가지 본능적 동작 외에는 대단히 무기력한 상태이다. 첫 해 동안에는 운동학습에 집중한다. 침팬지 새끼는 일어서고 붙잡고 기어오르는 동작을 사람의 어린아이보다 두 배나 빠르게 배운다. 이는 아마도 사람의 어린아이보다 덜 미숙하게 태어나기 때문이라고 생각된다.
소뇌는 뇌의 상당부분을 차지한다. 그리고 동작의 조절에 거의 전적으로 관련된다. 세 가지 종의 폰지드 소뇌의 크기지수는 유인원보다 거의 두 배나 크고 동작과 관계되는 기타 구조 (간뇌와 선조 - 기저핵) 도 비슷한 정도로 크다. 모든 구조의 크기지수는 호모가 훨씬 크지만 비율은 신피질에 대한 것보다 훨씬 작다. 소뇌의 진화에 있어 소뇌반구는 충부와 중간부가 비교적 내측에 위치하여 자랐다는 것은 오래 전부터 알려졌다. 이같은 상대적 변화는 소뇌피질의 세 가지 구성분에 해ㅐ당하는 세 가지 소뇌핵에 반영된다. 유인원에 비하여 모든 종은 내측 소뇌핵이 충부의 감퇴에 수반하여 감퇴하였다. 이는 몸체와 사지의 자동운동의 감퇴를 반영하는 것이고 그 기능을 척수와 뇌간이 담당하게 되었기 때문이다. 중간소뇌핵은 혼합적 진화변천을 보이는데, 소뇌 및 중간소뇌핵의 중간엽의 이중역할에 해당하는 것이다. 한편으로는 뇌간과 척수의 동작조절에 관계되는 것이고 또 한편으로는 반대측 대뇌피질에 관계되는 것이다. 원숭이와 호모에서, 특히 호모에서 외측 소뇌핵이 대뇌와의 관계가 더욱 밀접하게 발전되었다. 완벽한 상완동물인 기본 (힐로바테스) 은 하올리브, 소뇌핵 그리고 소뇌 전체가 모든 원숭이 중 가장 높은 지수를 가진다. 이것의 운동 민첩성이 진화상에서 소뇌에 반영된 것이다.
결론적으로 인간의 기억과 학습에 있어 진화적 발달의 평가에는 포유류의 인지적 및 운동학습과 기억에 관한 신경과학적 이해가 중요한 단서를 제공한다. 이제까지의 연구결과들에 의하면 기본신경계는 영장류에서 이미 완전하게 발달하였고 호미니드로 이어져 종으로 계승되었다고 밝혀졌다. 그러나 호미니드 진화에 있어 위대한 호모 사피엔스 사피엔스를 부여받게 되는데는 한층 높은 완성과정이 있었어야 한다고 생각된다.
그림 1 - 11 은 여러 종류의 척추동물의 뇌의 각 부위의 상대적 발달을 도식한 그림으로 이러한 뇌 구조의 대부분은 탄생 이전에 만들어진다. 그리고 나머지 세포와 단단하게 결합하는 것은 탄생 직후의 수 주간 또는 수개월 동안에 이루어진다. 여기서 뇌 본래의 발육은 끝난다. 이같이 다른 기관과는 달라서 뇌의 세포분열이 놀라울 정도로 빨리 정지하는 것은 요컨대 생물이 학습할 수 있게 되기 위한 유일한 보증이다. 뇌세포가 근육이나 피부의 세포 모양을 증식을 계속한다면 이에 따라 많은 세포가 죽어야 하므로 뇌세포에 저장되어 있는 정보도 없어지게 된다. 데옥시리보핵산 (DNA) 에 저장된 유전정보는 세포분열에 의해 다음 다음으로 전해지는데, 새롭게 학습된 정보는 그렇게 될 수 없다. 우리는 이 가장 초기에 일어나는 일을 근본적으로는 알지 못하고 있으나 촉각, 미각, 후각 따위에 의해 얻어진 이 최초의 정보는 유전정보와 마찬가지로 뒤에 얻어진 의식적 기억보다도 견고하게 저장된다. 그래서 우리들 모두는 유아기에 발달이 완료된 그 세포들을 가지고 일생을 살게 된다.
한편 뇌가 활동을 개시하여 외부로부터의 최초의 인상을 기억하게 하는 기호로 보유하고 이 기호를 정리하여 재발견할 수 있도록 하기 위해서는 우선 뒤에 들어오는 정보를 고정시키기 위한, 단단하게 결합된 섬유망이 형성되지 않으면 안된다. 이를 위한 뉴런의 결합부분은 탄생이전에 만들어진다. 그래서 이전에는 유전자나 유전자에 의해 얻어지는 유전적 소질이 일역을 담당한다. 나머지 부분도 생후 수개월에 완성된다. 그 사이에 뇌세포는 증식을 계속하여 늘어나고 섬유상돌기에 의해 서로 연결된다. 그런데 이 때에는 인체의 다른 부위에서는 볼 수 없는 특별한 경과를 밟게 된다. 즉, 세포는 이 시기에 한해서 환경으로부터의 영향을 직접 받아 이단적 발육을 취하게 된다. 이 수개월은 시각, 후각, 미각, 청각, 촉각을 통한 외계로부터의 영향이 직접 뇌의 형성에 반영되는 유일한 시기이다. 이 시기는 뇌세포의 해부학적 변화시기이고 발육하는 사이에 세포 사이에 견고한 결합이 생기는 시기이다.
어떻게 이 같은 사실을 알았는가? 미국의 예수교 코넬 사제는 수십 년에 걸쳐 탄생 후의 각 생활주기에 부응하는 대뇌피질의 회백질의 특징을 정확히 기록하고 연구하여 역사적인 설명도를 완성하였다. 이것에 의하면 생후 3 개월부터 뇌세포의 수는 늘어나지 않게 되고 배선도 더 이상 이루어지지 않게 된다고 한다. 코넬은 이것에 근거하여 생후 1 개월이 뇌형성에 결정적 영향을 미친다고 처음으로 공표하였다. 이 이후의 연구로 환경으로부터의 여러 가지 영향이 직접 해부학적 구조에 새겨진다는 것이 밝혀졌다.
외부의 영향이 뇌세포를 자극하여 수상돌기를 다양하게 발육시키고 수천의 세포와 선택적으로 결합하고 일정한 연대를 형성하는 것이 동물 실험에서 최초로 발견된 지견이다. 생후 2 주의 쥐에서는 뇌의 시중추에 있는 각 신경세포는 다른 신경세포에 대하여 약 14 개의 접점을 갖는 것이 확인되었다. 쥐의 눈을 꿰매어 눈이 먼 상태로 머물게 하면 접점수는 최초와 같이 적은 수에 머물고 변화하지 않는다. 이보다 2 ~ 3 개월 지나서 눈을 뜨게 하면 그 장애는 회복되지 않고 쥐는 눈이 먼 상태로 머물게 된다. 인간의 경우도 어떤 이유로 해서 최초의 생활기에 눈을 통하여 인 상을 받지 못하면 쥐의 경우와 매우 비슷한 시력장애가 나타난 예가 알려져 있다.
또 한 가지 예를 들어 보겠다. 최초의 6 주간 새끼고양이의 생활환경을 2 초마다 순간적으로 빛을 번쩍이고 아무 움직임도 없는 입상만을 보여 주면 시각을 처리하는 뇌의 일부 뉴런배선이 그 고양이의 생애 전체를 통하여 눈의 운동능력을 상실한 상태가 되도록 이루어진다. 이같은 예는 여러 가지 운동이 파악되는 환경에서는 일어나지 않는다. 또 생후 수주간을 단순히 수평선 또는 수직선 어느 한쪽 방향만 보고 생활하게 한 고양이는 다른 방향에 대한 지각이 없어진다. 생활 초기에 경험한 종류의 정보만이 이후에 활동할 뿐이라는 것이다.
늦게, 즉 성장기에 생기는 호르몬 반응까지도 최초의 감정인상에 의해 조기에 고정된다는 사실은 놀라운 일이다. 최초의 수 주간에 어떤 종류의 스트레스를 경험하면 쥐는 성장 후의 스트레스 상태에 대한 반응이 잘 되지 않아 행동의 광범한 차질을 일으킨다는 것이 증명되었다. 비슷한 현상은 성호르몬을 조기에 정지시킨다거나 조기에 가하더라도 생긴다. 이것에 의해 뇌의 부분 사이에는 일정한 배선이 발달하여 이후의 성생활을 강하게 규정하기 때문이다. 따라서 대뇌피질의 배선은 생후 수 주간에 지각되는 환경에 맞도록 이루어진다는 것이다. 이는 화학적 영향에서도 똑같이 해당된다. 또 영양이나 공기에도 해당된다. 예를 들어 조산아의 산소 텐트에 산소가 너무 많게 되면 이 시기에 특별히 발육하는 뇌세포의 분열이 지연된다. 7 개월짜리 조산아의 뇌세포 수가 출생시의 3 배가 되지 못하면 최종의 평균치에 도달하지 못한다고 하는 것은 백억 개의 세포를 만들지 않으면 안 된다는 것을 말한다. 쥐 실험에서 저영양상태에서 약 40 % 까지도 신경섬유의 분지가 감소함을 확인하였다. 이는 물론 어린아이에게도 일어날 수 있어서 뒤에는 되돌릴 수가 없다는 것이다.
유아기에서 볼 수 있는 '수동성' 은 '아무 것도 하지 않는' 것으로 받아들이기 쉬우나 사실은 그렇지 않고 최초의 수 주간에 정신영역에 있어 대단히 큰 일이 벌어진다. 즉, 감각을 통하여 인상이 생기고 그것에 의해 환경의 심적 영상을 보유하는 기본모형이 형성된다. 이는 사람마다 차이가 있다. 이 기본모형은 해부학적 변화에 상응하는 것으로 이 시기를 벗어나서 도달한 외계의 정보는 대체로 배선을 이루는 데에는 소용이 없고 배선망을 따라 물질적으로 저장되어 부호화된 기억이 될 뿐이다. 뒤에 자세하게 설명하겠으나 컴퓨터의 전문용어로 표현하면 태아기와 생후 최초 수개월에 이루어지는 해부학적 배선은 '하드웨어' 이고 그 후 추가되는 정보는 '소프트웨어' 이다. 어린아이가 이 보잘것 없는 생활권에서 최초로 지각하는 것에는 사람마다 차이가 크다. 따라서 뇌의 기본모형에 대한 생활권의 영향도 각양각색이다. 최초의 지각도 기본모형의 활동도 어린아이가 아무 것도 의식하지 못하는 최초기부터 일어나는 것이다. 이 최초의 생활권에 속하는 것으로는 빛의 농도, 물건 소리, 빛깔, 빨고 싶은 것, 막대기 같은 것, 모서리, 움직이는 것, 어머니의 목소리 따위를 들 수 있다.
또 이같은 지각모형은 가계나 사회적 위치, 민족 그리고 문화에 크게 좌우된다. 아프리카에서 태어나면 갈색피부, 더위, 바람, 주변인물, 자연, 대지의 냄새, 나뭇잎, 삼림, 나무 사이로 비추는 태양, 붕붕거리는 벌레소리, 컹컹거리는 짐승소리, 새들의 지저귐, 운동, 동요, 땀냄새, 그리고 부드러운 살결 따위가 주야로 영향을 미친다. 어린아이의 인상은 모친의 품 안에서 오는 움직임의 모든 것과 강렬한 촉각을 통하여 자연을 느끼는 것이다. 이 아이는 모친의 신체의 움직임을 공유하나 서구문명의 어린아이는 이를 공유하지 않는다. 다만 모친을 보고 듣는 것만으로 신체적으로는 거의 떨어져 생활한다. 따라서 기본구성, 즉 뉴런 결합의 하드웨어는 당연히 다르게 된다. 물론 서구문명권의 추상적, 과학적 사고도 좋지만 상이한 문명을 가진 다른 민족에서는, 인도나 고대아프리카의 고도문명을 생각해 보면 알 수 있듯이, 서구와는 전혀 다른 생활의 질의 이해방식이 있을 것이다.
따라서 이 시기에 그 후의 사고와 이해에 영향을 미치는 모형을 어린아이들에게 다르게 만들어 주는 것은 인간의 오감에 대한 인상뿐이 아니다. 적어도 영양도 당연히 개입되어 결정력을 가진다. 미국학자가 장기간에 걸쳐 기아로 골치를 앓는 지역의 다수의 아이들을 연구하여 만성적 저영양상태가 정신발달을 저해하는 것을 발견하였다. 평상시 조금씩밖에 먹지 않는 아이는 매일 충분히 먹는 동일민족의 어린아이에 비하여 지능지수가 낮다는 것을 알게 되었다. 그 반대이지만 지나치게 먹는 단백질의 과잉섭취도 해롭다. 어찌되었건 잘못된 영양은 저영양이나 마찬가지로 뇌에 장애를 일으킨다. 수유 중인 모친이 평소에 먹는 약물, 독물, 니코틴, 그리고 비타민 D 의 과량섭취 따위도 해롭다.
고양이의 앞발은 바늘로 찌르면 반사적으로 그 발을 피한다. 바늘이 앞발을 찔렀다는 보고가 뇌에 전달되어 거기서 아프다는 것으로 감지되고 '불쾌하다' 는 가치판단이 저장된다. 이 고양이는 그 후로는 가시밭을 피해가게 된다. 물론 먹는다거나 교미한다거나 공격한다거나 도망친다거나 하는 때에도 아프다는 가치판단과 비슷한 일이 당연히 일어난다. 이때의 '가치' 는 원시적 의식인 쾌감 또는 불쾌감으로 정해진다. 그러면 이 원시의식은 어디에 있는 것인가? 이 감정은 뇌의 어디에 자리잡고 있는가? 무엇 때문에 하등동물에게는 그것이 없는가? 뇌의 전문가는 누구나 동물의 중추신경계를 연구하여 뇌는 후뇌에서부터 발달한 일정한 해부학적구조, 즉 변연계 (구피질, 고피질 및 그것에서 나온 신피질에의 이행부분을 포함하는 것이다) 가 있으면 고양이에서 관찰한 것과 동일한 반응이 일어나는 것을 발견하였다. 이 변연계는 간뇌의 상반부에 위치하고 (그림 1 - 12) 진화단계에서는 파충류에서부터 나타나기 시작한다.
변연계의 발달을 따라 동물계를 더듬어 올라가면 행동과 감각을 결합시키는 과정이 한층 교묘해지는 것을 알 수 있다. 그래서 최후로 감각은 그 본래의 기능마저도 변하여 인간이 특별히 복잡한 행동을 영위하기 위한 지각을 형성한다 (감각기관에 가해진 자극에 의해 직접 생성되는 경험을 감각이라고 하는데 추리, 기억, 판단 따위의 보다 고도의 의식은 지각이라고 분류한다). 그 복잡한 행동이라는 것은 언어를 사용하여 생각하고, 계획하고, 비교하고, 평가하여 자신의 경험을 상징화하고 이를 다시 타인에게 전달하는 것을 말한다. 뒤에 알게 되겠지만 행동과 감각을 결합하는 기초에는 목적에 부합하는 감정이나 학습에 의하여 습득한 성공체험이 대단히 큰 의미를 가진다. 어떤 냄새가 어린 시절의 기억을 특히 강하게 상기시키는 수가 있다. 이것도 역시 후각로와 변연계 사이에 대단히 강한 결합이 있다는 것으로 설명된다.
기능의 발달에 발 맞추어 변연계의 구조도 점점 발달하게 되었다. 그래서 결국 오늘날 볼 수 있는 대뇌피질이 변연계피질에서 생성되었다. 이 대뇌피질 때문에 고등동물은 넓은 외계를 정확하게 묘사하고 파악할 수 있게 되었다. 새롭게 만들어진 대량의 뉴런과 그 복잡한 짜임새에 의해서 저장된 인상을 두루 살필 수 있게 되어 인간 본래의 감각인 자아의식이 형성되었다.
편도체는 측두엽의 내측에 있는 신경핵의 집합체로서 주의와 기억 그리고 감정에 이르는 다양한 기능에 관계할 것으로 추정된다. 편도핵은 다양한 기능에도 불구하고 해마나 대뇌피질에 비하여 별로 관심의 대상이 되지 못하였다. 최근 편도핵에 대한 해부학적, 생리학적 및 행동학적 연구를 통하여 그 중요성이 재조명되기에 이르렀다. 편도체는 크게 5 개 정도의 신경핵으로 이루어졌으며 이들 신경핵은 다시 2, 3 개의 구획으로 나눌 수 있는데 신경섬유 추적물질을 주사하여 관찰한 바에 의하면 세 가지 수준의 편도체내 신경연결이 있다고 한다 (그림 1 - 13). 신경핵 상호간, 구획 상호간 그리고 구획내 연결이 있다. 신경핵 상호간 연결은 2 개의 신경핵 사이의 연결이고 각각의 신경핵은 다시 2, 3 개의 구획으로 나누어져 이들 구획들은 구획 상호간 연결에 의해 교통한다. 그리고 각 구획은 자체의 구획내 연결을 가진다.
그림 1 - 13. 세 수준의 편도체내 연결 : 구획내, 구획 상호간 및 핵 상호간 연결. 신호가 편도체로 들어오면 구획내 (측핵의 배측구획) 및 구획 상호간 (측핵의 배측구획과 내측구획) 처리과정을 거쳐 그 신호를 핵 상호간 연결 (측핵과 기저핵 사이) 을 거쳐 다른 편도체 신경핵으로 보낼 것인가를 결정한다. 편도체의 특정 출력뉴런에 활동전압이 발생되면 그 신호는 자극의 특정 구성요소를 대포하게 되고 편도체의 여러 부위에서 병렬적으로 조정되어 출력부위 (중심핵) 로 모여 행동반응을 유도하게 된다 (Pitkanen, Savander $ LeDoux, 1997).
편도체의 기능은 쥐를 이용하여 철저하게 연구되었다. 추적물질을 이용한 해부학적 연구와 신경활성의 기록을 통한 생리학적 실험에 의하면 외부 세계로부터의 감각입력은 1 차적으로 측핵이라는 것에 도달한다고 한다. 이 정보는 신경핵 상호간 연결을 통하여 다른 편도체 신경핵들에 보내진다. 그러나 정보는 다른 신경핵으로 보내기 전에 측핵에서 상당한 처리가 이루어진다고 생각한다. 그런데 측핵에 있어서는 구획내 연결은 별로 없다고 한다. 그러나 구획간에는 서로 연결을 주고받는다.
한편 편도체의 기저핵은 측핵과 달라서 농후한 구획내 연결을 이루고 있다. 그리고 구획간에 연결을 주고받지 않는다. 중심핵은 주 출력부위이다. 중심핵에는 편도체의 측핵, 기저핵 그리고 보조기저핵으로부터 입력이 모여들고 여기서 처리된 정보는 뇌간이나 시상하부로 투사된다. 중심핵의 각 구획에는 구획내 연결이 농후하다. 그리고 구획간 연결도 광범하다. 편도체내에서 신경핵 상호간의 연결이나 신경핵의 구획 상호간의 연결은 선택적이다. 일단 자극이 편도체에 들어오면 자극의 구성요소들은 나뉘어 병렬적으로 처리된다는 것을 의미한다. 그리고 뇌의 다른 기능계통으로부터의 정보를 조합하여 편도체의 각 신경핵이나 구획은 고유의 자극구성성분을 대표하게 된다. 일부 편도체 신경핵에는 연결이 중첩되는데 이는 편도체내에서의 정보처리의 미세조정에 중요하다.
요컨대 편도체내 상호 연결의 위계조직은 편도체에서의 정보처리과정에 있어 여러 가지 의미를 내포한다. 정보입력부위에의 구획내 회로의 국소적 여과기전은 입력된 뉴런활성에 대하여 반응할 것인가 말 것인가를 결정한다. 만일 반응이 유발되면 신경활성은 구획내에서 확산되고 또 다른 구획이나 편도체의 다른 신경핵으로 점조직 방식으로 분배된다. 결국 입력된 정보의 구성요소는 뇌의 다른 부위에서 받아들인 정보와 함께 편도체의 여러 부위에서 병렬 처리된다. 편도체의 여러 부위에서 병렬적으로 처리되어 조합되고 조정된 정보는 편도체의 출력부위인 중심핵이나 편도체 - 해마 영역으로 들어간다. 이 부위로 집합됨으로써 조정된 자극의 구성요소들이 모여 적절한 행동반응을 유도하게 된다.
신경회로망은 여러 가지 형태로 상호 연결된 회로소자들의 집합체이다. 각 회로소자들은 단순화시킨 뉴런과 같은 성질을 가진다. 신경회로망은 신경계 각 부분에서 일어나는 일을 시뮬레이션하고, 산업적으로 유용한 장치를 제작하며, 뇌의 활동에 관한 일반적인 가설들을 검증하기 위하여 이용된다. 한 개의 뉴런이 어떻게 활동하는가를 이해하고 있다면, 상호 작용하는 일군의 뉴런들의 활동들에 대하여서도 틀림없이 예측할 수 있어야 할 것이다. 그러나 불행하게도 이것은 생각처럼 쉽지 않다. 이것은 개개의 뉴런의 활동이 단순하지 않다는 사실 이외에도 뉴런들이 대부분 복잡한 방법으로 서로 연결되어 있기 때문이다. 더욱이 신경계통 전체는 일반적으로 비선형적 특성을 크게 나타내고 있다.
고속의 디지털 컴퓨터는 지난 50 년 동안의 가장 중요한 기술적 발전으로 인정되어 오고 있으며, 뇌는 좀더 복잡한 형태의 폰노이만 컴퓨터라고 생각할 수도 있다. 물론 이같은 비유는 지나치면 비현실적인 이론이 될 것이다. 여기서 컴퓨터와 뇌의 차이점을 몇 가지 들어보려 한다.
컴퓨터는 고속의 전자부품들로 이루어져 있고 PC 의 경우에도 기본 사이클 또는 계산속도는 초당 1 천만 회 이상이다. 한편 뉴런에 있어서는 전형적인 활동전위의 발생속도는 초당 수백 회의 범위여서 컴퓨터가 백만 배쯤 빠르다. 크레이 따위의 초고속컴퓨터는 더 빠르다. 넓은 의미에서 컴퓨터의 운영방식은 직렬적이다. 즉, 명령이 하나씩 차례대로 수행된다. 한편 뇌에서의 운영방식은 대단히 병렬적이다. 예를 들면 약 백만 개의 축삭이 각각의 눈으로부터 뇌로 병렬적으로 연결되어 있으며 이들이 동시에 활동한다. 이같은 고도의 병렬성은 개체의 거의 모든 부분에서 나타난다. 이같은 운영방식은 뉴런 활동의 상대적인 느린 속도를 어느 정도 보상하는 것이라 할 수 있다. 여기에는 또한 분산적으로 연결되어 있는 뉴런의 일부가 상실되더라도 뇌활동에는 크게 변화를 초래하지 않도록 한다는 의미도 있다. 전문적인 용어로는 뇌는 "품위 있게 붕괴한다." 라고 한다. 이와 비교하여 컴퓨터는 망가지기 쉽다. 작은 손상이나 프로그램의 작은 오류로도 엉망이 될 수 있는 것이다. 즉, 컴퓨터는 파국적으로 붕괴한다고 할 수 있다. 작동하고 있는 컴퓨터는 신뢰도가 높고 주어진 동일한 입력에 대해서 정확하게 동일한 출력을 생성한다. 한편 각각의 뉴런들의 반응은 가변적이고 뉴런의 활동에 영향을 줄 수 있는 입력에 의하여 쉽게 그 성질이 변하며, 때로는 '계산' 을 수행하는 동안에도 성질이 변할 수 있다.
전형적인 뉴런은 적게는 수백에서 많게는 수만에 이르는 입력을 다른 뉴런들로부터 받을 수 있다. 그리고 이것은 축삭을 통하여 다시 동시다발적으로 투사된다. 이에 비교하여 컴퓨터의 기본단위인 트랜지스터에는 단지 소수의 입력과 출력만이 있을 뿐이다.
컴퓨터는 고도로 정확하게 1 과 0 의 펄스 형태로 부호화된 메시지를 특정한 장소에서 다른 곳으로 보낸다. 이 메시지는 특정한 주소지로 갈 수 있고, 그곳에 저장된 내용을 읽어 올 수도 있으며 그곳에 저장된 것을 변경할 수도 있다. 즉, 정보를 하나의 특정한 장소에 기억시키기 위하여 저장할 수 있고, 다음 단계에서는 이 정보의 조각들을 다른 용도로 쓰기 위해 꺼낼 수 있다. 뇌에서는 찾아보기 힘든 정확성이다. 한편 뉴런이 축삭을 따라 전달시키는 스파이크 (활동전압) 는 정보를 실어 나르는 것이지만 활동전압이 정확하게 펄스 형태로 부호화된 메시지 같은 것은 아니다. 따라서 기억이 다른 방식으로 '저장' 되어야 하는 것은 필연적이다.
뇌의 여러 부분들 특히 신피질의 여러 부분들은 정보의 여러 가지 종류를 취급함에 있어 최소한 어느 정도 특성화되어 있다. 대부분의 기억은 최근에 활동이 수행된 바로 그 장소에 저장되어 있는 것으로 믿어진다. 이같은 성질은 모두가 전형적인 폰노이만 컴퓨터와는 다른 것이다. 컴퓨터에서는 기본적인 계산과정 (더하기 또는 곱하기 따위) 이 한 장소 또는 소수의 몇 개의 장소에서만 일어나지만 그 내용은 서로 다른 여러 장소에 저장된다.
또한 컴퓨터는 공학자들이 정교하게 설계한 것이지만 뇌는 자연도태의 압력을 받으며 수 세대에 걸친 생물학적 진화과정을 거친 것이다. 이는 설계방식의 근본적인 차이를 가져오게 한다.
흔히 컴퓨터에서는 하드웨어나 소프트웨어라는 용어를 사용한다. 컴퓨터의 소프트웨어를 개발하는 프로그래머들은 하드웨어에 관한 배선 따위의 자세한 지식을 별로 필요로 하지 않는다. 마찬가지로 뇌의 하드웨어에 관해서 여러 가지를 알아야 할 필요가 있는가 하는 것이 특히 심리학자들 사이에 논란의 대상이 되고 있다. 뇌에서는 하드웨어와 소프트웨어를 분명하게 구별하기 힘든다. 또 그 같은 이론을 이용하여 뇌의 활동 상태를 억지로 맞추어 해석하려는 것은 어려운 일이다. 조금이라도 이같은 접근방식이 정당화되는 것은 뇌가 고도로 병렬적이기는 하지만 모든 병렬적 운영의 상위층에는 관심의 정도에 의하여 조절되는 일종의 순차적인 기전이 있기 때문이다. 그래서 감각입력으로부터 멀리 떨어져 있는 그 운영의 상위 수준에서는 표면상 어느 정도 컴퓨터와 비슷해 보인다.
모든 이론의 타당성은 그 최종 결과로 결정된다. 컴퓨터는 특정한 종류의 일, 즉 계산이 절대적으로 많은 게임, 복잡한 논리적 문제, 체스따위는 대단히 잘 풀도록 프로그램 되어있다. 이런 것들은 보통사람들이 빠르게 잘 해내ㅐㄹ 수 없는 것들이다. 그러나 사물을 보고 그 의미를 이해하는 따위의 일같이 현재 대부분의 컴퓨터가 잘 수행하지 못하는 과업에 직면하면 보통사람들은 이를 빠르게 힘들이지 않고 해낼 수 있다. 특히, 단순히 학습된 사실을 기억으로부터 인출하는 것이 아니고 상상력을 발휘하여 창조적인 발상을 이끌어 내는 일은 컴퓨터로는 불가능하다.
