해마 (Hippocampus)

다음 사진은 뇌를 밑에서 본 모습이며, 해마영역을 보이게 하기 위하여 다 른 뇌조직은 절개하였다. 사진에서 6이 해마를 보여주고 있다.

한편 다음 사진은 뇌의 절단 면에서의 해마의 위치를 보여주고 있다. 사진에서 7이 해마이다.

다음은 위 사진을 얻기 위해 뇌를 절단한 방식을 보여주고 있다. 사진에서 오 른편이 뇌의 뒤쪽, 즉 후두엽에 해당한다.

해마는 앞의 글 [46]변연계의 설명에서 잠시 언급하였지만, 그 중요성 때문 에 따로 정리한다. 해마는 변연계의 한 부분이다. 변연계는 매우 오래된 뇌 부 분이며, 악어와 같은 원시척추동물의 경우에는 지금도 이것이 뇌의 제일 위층 을 이루고 있다. 포유류에서는 대뇌피질이 발달, 팽창하여 해마를 둘러싸게 되 었고, 상대적으로 크다. 그래서 쥐의 경우는 해마의 크기가 대뇌피질의 크기와 같지만 원숭이나 사람에서는 해마보다 대뇌피질이 훨씬 크다. 그렇지만 인간을 비롯한 모든 포유동물에서 해마는 학습과 기억에 대단히 중요한 역할을 수행한 다. 변연계의 일부로써의 해마의 위치는 다음 그림과 같다.

다음은 측뇌실 측두각(temporal horn)의 바닥과 해마형성체(hippocampal formation)의 관계 그림이다. 오른쪽은 관상단면(coronal section)에서 관찰 되는 해마형성체와 외측뇌실 측두각의 그림이다.

해마가 인간의 기억기제에 있어서 중요한 역할을 수행한다는 것은 뇌 수술 환 자의 관찰을 통해서 알게 된 것이다. 심한 간질을 앓고 있던 H.M이라는 남자 환 자는 발잘을 치료하기 위하여 뇌 제거 수술을 받았다. 수술결과 간질 치료는 성 공적이었지만 H.M의 기억에는 심한 부작용이 생겼다. H.M.은 I.Q수준은 평균이 상이고, 성격도 정상이고, 일상적인 대화도 잘한다. 그러나 단 한가지, 경험을 장기기억에 저장 할 수가 없었다. 가령 그와 만나서 한참동안을 대화를 나누었 다고 할지라도 다시 만나면 그는 상대방을 전혀 기억하지 못했다. 그는 수술받 기 이전의 기억은 모두 정상이었다. 또한 단기기억(약 20초 정도 지속되는)도 정상적이었다.

H.M의 뇌 수술은 해마를 손상시킨 것이다. 뇌의 기타 구조물과 마찬가지로 해 마는 뇌의 양쪽에 있다. 이 중 어느 쪽이건 한쪽의 해마만을 손상하면, 기억력 을 심하게 저하시키지는 않는 것 같다. 그러나, H.M의 경우에는 양쪽 모두를 제 거하였었다. 실제로는 해마와 편도체를 포함한 양쪽 측두엽 부위가 절개 되었 다.

해마가 손상되었지만, H.M은 수술이전의 사건에 대하여는 기억하고 있다. 단 지 수술 후에 발생하는 새로운 일들을 기억하지 못할 뿐이다. 따라서 해마는 경 험적 기억이 저장되는 장소는 아니지만, 해마는 새로운 기억을 저장시키는 데 결정적인 역할을 담당하고 있는 것이다. 확실하지는 않지만, 경험적 기 억은 아마도 대뇌피질 어디엔가 저장되는 것이 아닐까라고 여겨지고 있다.

기저핵이란? 대뇌피질 밑의 백질 내에 있는 신경세포핵 덩어리로서 소뇌 피질 척수계 및 뇌간 운동핵들과 더불어 운동조정 기능에 참여한다.

 @기저핵의 성분 (현재의 개념)

선조체(corpus striatum)

  선조(striatum)

   미상핵(caudate nucleus)

   조가비핵(putamen, 피각)

   배쪽선조(ventral striatum) - 중격의지     핵(nucleus accumbens septi)

  창백(pallidum, 담창)

   창백핵(globus pallidus, GP, 담창구)

    내핵(내측분절, internal or medial segment, GPi)

    외핵(외측분절, external or lateral segment, GPe)

   배쪽창백(ventral pallidum) - 무명질(substantia innominata)의 일부 

흑색질(substantia nigra, 흑질)

  그물부(pars reticulata, SNr, 망상부)

  치밀부(pars compacta, SNc, A9)

시상밑핵(subthalamic nucleus, 시상하핵)

 @선조 (Striatum)

선조(striatum), 또는 신선조(neostriatum)는 미상핵(caudate nucleus)과 조가비핵(putamen)으로 구성되어 있으며, 앞쪽으로는 내섬유막 전각의 아래쪽에서 연속되 어 있고, 미상핵-렌즈핵 회색질 연결부(caudatolenticular gray bridge)에 의해서도 연결되어 있다. 이 두 핵의 형태는 거의 동일하다. 세포는 매우 많고 밀집되어 있으며, 옅은 회색으로 나타나는 창백 핵과는 달리 혈관이 많아 약간 붉은 빛을 띤 회색의 구조로 나타난다. 또한 두꺼운 유수섬유다발 이 가로지르는 창백핵과는 달리 가는 유수섬유와 무수섬유의 다발이 이 핵으로 들어온다.

  1. 선조신경원(Striatal Neuron)

    이 두 핵을 이루는 신경세포의 형태는 거의 동일하다. 대부분의 세포는 작은 다극신경원으로 구성되어 있으며, 일부 큰 다극신경원이 존재한다. 골지염색에서 나타나는 선조의 신경원은 크게 긴 투사성 축삭(long projecting axon)이 있는 신경원과 짧은 축삭이 있는 신경원으로 나눌 수 있다.

  ㈀축삭이 긴 투사성 신경원: 수상돌기(dendrite)에 가시(spine, 소극)가 있기 때문 에 소극세포(spiny cell)라고 불리우며 다시 제1형소극세포(type I spiny cell, spiny I cell, S I)와 제2 형소극세포(type II spiny cell, spiny II cell, S II)의 두 종류로 나누어진다.

   ①제1형소극세포(S I): 선조 신경원의 대부분(96%)을 차지하고 있으며 세포체는 중간 정도 크기이고 축삭은 창백(GP)과 흑색질(substantia nigra)로 투사된다. 신경전달물 질로 억제성인 감마아미노부티르산(GABA)를 함유하고 있으며, 엔케팔린(enkephalin)과 섭스탄스 피(substance P)를 공유하는 경우도 있다고 알려져 있다. 수상돌기의 근위부(세포체에서 20 ‡ 6;m 정도)에는 소극이 없으나 원위부에는 소극이 매우 촘촘하게 밀집되어 있다. 수상돌기는 여러 방향으로 뻗어 있으며 대체로 세포체를 중심으로 직경 200 ?m 정도의 공간을 차지하고 있 다.

 피질선조섬유(corticostriate fiber)와 시상선조섬유(thalamostriate fiber)는 주로 이 세포의 수상돌기소극(dendritic spine)과 시냅스를 이룬다. 이 두 가지 구심섬유는 모두 흥분성이며, 피질선조섬유의 신경전달물질은 글루탐산(glutamic acid)라고 알려져 있고 시상선조섬유의 신경전 달물질도 글루탐산으로 추측되고 있다. 소극이 없는 축삭근위부와 세포체에는 주로 선조의 중간 신경원(interneuron)에서 아세틸콜린(acetylcholine), 섭스탄스 피(substance P), 감마아미노부티르산(G ABA) 등을 함유한 축삭종말이 연접한다. 소극이 있는 수상돌기 원위부에서 소극 사이에는 도파 민(dopamine)을 신경전달물질로 하는 흑색질 치밀부(SNr)에서 들어오는 흑색선조섬유가 시냅스를 이룬다.

  원심섬유는 주로 창백(GP)과 흑색질 그물부(SNr)로 투사되며, 일부 원심섬유는 흑색질 치밀부(SNc)로도 투사된다. 제1형소극세포 축삭의 곁가지는 다른 제1형소극세포에도 연접 된다고 알려져 있다(그림 9-5). 이러한 곁가지는 생리 학적으로 주위의 세포의 전달과정을 억제하는 외측억제(lateral inhibition)의 기능을 한다고 추측된 다. 창백외핵(GPe)으로 투사되는 신경원은 주로 감마아미노부티르산(GABA)과 엔케팔린(enkephali n)을 신경전달물질로 공유하고 있으며, 창백내핵(GPi)과 흑색질 그물부(SNr)로 투사되는 신경원은 주로 감마아미노부티르산(GABA)과 섭스탄스 피(substance P)를 공유하고 있는 것으로 보고되어 있 다. 흑색질 치밀부(SNr)로 투사되는 신경원은 선조소체(striosome)의 신경원이다(선조구획 참조).

   ②제2형소극세포(S II): 선조 신경원의 약 1%를 차지하고 있으며 세포 체는 비교적 크고 방추형이다. 수상돌기도 더 멀리까지 뻗어 있어 직경 600 ?m 정도의 공 간을 차지하고 있다. 수상돌기의 어느 부분에나 수상돌기가시가 있으나 제1형세포에 비해서는 드 물게 나타난다. 축삭은 창백(GP)과 흑색질 그물부(SNr)로 투사되며, 흥분성인 섭스탄스 피(substanc e P)를 신경전달물질로 함유하고 있다고 알려져 있다

  ㈁축삭이 짧은 신경원

    수상돌기에 가시가 없기 때문에 무극세포(aspiny cell)라 고 하며 다시 제1형무극세포(type I aspiny cell, aspiny I cell, A I), 제2형무극세포(type II aspiny cel l, aspiny II cell, A II), 제3형무극세포(type III aspiny cell, aspiny III cell, A III)의 세 종류로 세분 된다.

   ①제1형무극세포(A I) :역시 선조 신경원의 1%를 차지하고 있으며 세포 체는 비교적 작다. 신경전달물질로는 GABA와 NPY를 함유하고 있을 것이라고 추측되고 있다. 축 삭은 제2형무극세포에 억제성 연접을 형성한다고 알려져 있다.

   ②제2형무극세포(A II):세포체가 매우 큰 세포로 선조 신경원의 1% 정도를 차지하고 있다. 신경전달물질로 흥분성인 아세틸콜린(acetylcholine)을 함유하고 있다. 흑색 질 치밀부(SNc)에서 기원된 도파민성 섬유는 이 세포의 활성을 강력하게 억제한다고 알려져 있 다. 이 세포의 축삭은 제2형소극세포에 흥분성 연접을 형성한다

   ③제3형무극세포(A III):선조 신경원의 약 1%를 차지하고 있으며 세 포체는 작고 어떠한 종류의 신경전달물질을 함유하고 있는지는 분명하지 않다. 제2형소극세포(S I I)에서 구심성 섬유를 받으며 원심성 섬유는 다시 제2형소극세포에 억제성 연접을 형성한다고 알 려져 있다

 <그림에 관한 설명>

제2형소극세포(type II spiny cell, S II)의 연결회로. 제2형소극세포(S II)도 대뇌피질과 시상에서 흥분성 입력을 받지만, 제1형소극세포(S I)와는 달리 신경전달물질로 substance P를 함유하고 있고, 창백(GP)과 흑색질 그물부(SNr)로 흥분성 출력을 보낸다. 이 세포(S II)는 아세틸콜린(Ach)을 신경전달물질로 함유한 제2형무극세포(A II)에서 흥분성 입력을 받으며, 제2형무극세포(type II aspiny cell, A II)는 도파민성인 흑색질 치밀부(SNc)에서 강한 억제성 입력을 받는다. 제3형무극세포(type III aspiny cell, A III)는 창백(GP)과 흑색질그물부(SNr)로 가는 제2형소극세포(S II)의 곁가지에서 흥분성 입력을 받으며, 다시 제2형소극세포(S II)로 억제성 출력을 보낸다. 제1형무극세포(type I aspiny cell, A I)는 신경전달물질로 억제성인 감마아미노부티르산(GABA)를 함유하고 있어, 제2형무극세포(A II)로 억제성 출력을 보낸다.

 2. 선조의 연결 (Striatal Connections)

  기저핵 중에서 선조(striatum)는 여러 부위에서 구심성 섬유를 받아 이를 출력부(창백 GP 과 흑색질 그물부 SNr)로 보내주는 입력부(input portion)라고 할 수 있다.

  ㈀구심성 연결 (afferent connections) :

    선조는 대뇌피질(cerebral cortex), 시상(thalamus)의 수질판내핵군(intralaminar nuclear group), 흑색질 치밀부(SNc), 편도체(amygdaloid body), 뇌간의 솔기핵(raphe nuclei) 등 여러 구 조에서 구심섬유를 받는다.. 이러한 구심섬유 들은 도파민, 세로토닌, 글루탐산 등 여러 가지 신경전달물질을 함유하고 있는 것이 특징이다.

   ⓛ피질선조로(corticostriate fiber): 대뇌피질에서온다.

거의 모든 신피질(neocortex)에서 기원되며 부위별 대응연결을 하고 있다. 특히 조가비핵(putamen)은 전두엽(frontal lobe)의 중심전이랑(precentral gyrus)에서 대부분의 구심성 섬유를 받으며, 미상핵(caudate nucleus)은 전전두엽피질(prefrontal cortex)에서 주로 구심섬유를 받는다. 피질선조로는 신경전달물질로 흥분성인 글루탐산(glutamic acid)을 함유하고 있다. 피질선조로의 신경원은 주로 대뇌피질의 내피라미드 층(internal pyramidal layer)에서 기원된다. 해마체(hippocampal formation)와 편도체(amygdaloid body)등 변연계(limbic system)에 속하는 구조에서는 주로 배쪽선조(ventral striatum)인 중격의지핵(nucleus accumbens septi)으로 신경섬유를 보내며, 주위의 미상핵 머리와 조가비핵으로도 투사섬유를 보낸다.

   ②시상선조로(thalamostriate fiber):시상의 수질판내핵군에서 나온다

주로 중심정중핵-다발옆핵 복합체(CM-PF complex)에서 기원되며, 역시 부위별로 대응연결되어 있다. 시상의 이 부위는 기저핵의 창백내핵(GPi)으로부터 구심섬유를 받는다. 흥분성으로 작용하며, 신경전달물질은 글루탐산으로 추측되나 아직 확실하게 알려지지 않았다.

  ③흑색선조로(nigrostriate fiber): 흑색질의 치밀부(SNc)에서 기원된다. 

  대부분 신경전달물질로 도파민(dopamine)을 함유하고 있다. 이 섬유는 선조의 제2형무극세 포(A II)를 억제하는 작용을 한다고 알려져 있다. 모든 흑색선조섬유가 도파민을 함유하고 있지는 않으며, 약 20% 정도는 도파민을 함유하고 있지 않다고 알려져 있다.

  ④편도선조로(amygdalostriate fiber): 편도체의 기저외측핵(basolateral nucleus)에서 기원된다.주로 배쪽선조(ventral striatum)인 중격의지핵(nucleus accumbens septi)으로 신경 섬유를 보내며, 미상핵 머리의 배쪽내측부와 조가비핵의 배쪽내측부로도 투사섬유를 보낸다

Amg 편도체(amygdaloid body)           CM 중심정중핵(centre median nucleus)

Ra 솔기핵(raphe nuclei, 봉선핵)          GP 창백핵(globus pallidus, 담창구)

CTX 대뇌피질(cerebral cortex)           SNr 흑색질 그물부

SNc 흑색질 치밀부                      STN 시상밑핵(subthalamic nucleus)

Thal 시상(thalamus)                     VS 배쪽시상(ventral striatum)

VP 배쪽창백(ventral pallidum)            1. 피질선조섬유(corticostriatal fiber)

2. 시상선조섬유(thalamostriatal fiber)      3. 흑색선조섬유(nigrostriatal fiber)

4. 편도선조섬유(amygdalostriatal fiber)     5. 솔기선조섬유(raphe striatal fiber)

 선조(striatum, STR; 미상핵 caudate nucleus 과 조가비핵 putamen)의 구심성 연결(afferent connections). 선조(STR)는 기저핵(basal ganglia) 전체의 입력부(input portion)로 대뇌피질(CTX), 시상(Thal), 흑색질 치밀부(SNr), 편도핵복합체(Amyg), 솔기핵(Ra) 등에서 오는 구심섬유를 받는다.

 ㈁ 원심성 연결 (efferent connections)

선조에서는 기저핵의 출력부인 창백핵(GP)과 흑색질 그물부(SNr)로 원심성 섬유를 보낸다

선조에서 창백핵으로 투사되는 선조창백섬유(striopallidal fiber)는 질서정연하게 부챗살 모양으로 창백핵의 내핵(GPi)과 외핵(GPe)에 모두 종지하며, 이 섬유다발을 윌슨의 필모섬유다발(pencil bundle of Wilson)이라고도 부른다. 일부 선조 신경원은 흑색질 그물부(SNr)로 이어지는 선조흑색질섬유(strionigral fiber)를 형성한다. 원심섬유의 신경전달물질은 대부분 억제성인 감마아미노부티르산(GABA)이며, 엔케팔린(enkephalin)과 섭스탄스 피(substance P)를 공유하고 있는 신경원이 많다. 창백외핵(GPe)으로 투사되는 신경원은 주로 감마아미노부티르산(GABA)과 엔케팔린(enkephalin)을 신경전달물질로 공유하고 있으며, D2 도파민수용체를 함유한다. 창백내핵(GPi)과 흑색질 그물부(SNr)로 투사되는 신경원은 주로 감마아미노부티르산(GABA)과 섭스탄스 피(substance P) 및 다이놀핀(dynorphin)을 공유하고 있으며, D2 도파민수용체를 함유하고 있다고 보고되어 있다. 헌팅튼병(Huntington's disease)에서 처음으로 파괴되는 구조는 창백외핵(GPe)으로 투사되는 선조의 신경원이라고 알려져 있다. 일부 선조신경원은 기저핵의 출력부가 아닌 흑색질 치밀부(SNc)로 직접 원심섬유를 보낸다. 이러한 선조신경원은 선조소체(striosome)에 있으며, 일부 변연피질(limbic cortex)에서 구심섬유를 받는다.

Amg 편도체(amygdaloid body)              GP 창백핵(globus pallidus, 담창구)

SNc 흑색질 치밀부(substantia nigra, pars compacta)

SNr 흑색질 그물부(substantia nigra, pars reticulata) 

STN 시상밑핵(subthalamic nucleus)         Thal 시상(thalamus)

VS 배쪽시상(ventral striatum)              VP 배쪽창백(ventral pallidum)

1. 선조창백섬유(striopallidal fiber)           2. 선조흑색질섬유(strionigral fiber)

3. 선조소체(striosome)에서 흑색질치밀부(SNc)로의 원심섬유

4. 배쪽선조배쪽창백섬유(ventrostriatoventropallidal fiber)

 선조(striatum, STR; 미상핵 caudate nucleus 과 조가비핵 putamen)의 원심섬유(efferent fiber). 대부분의 선조원심섬유는 기저핵(basal ganglia)의 출력부인 창백(globus pallidus, GO)과 흑색질 그물부(pars reticulata of substantia nigra, SNr)로 가기 때문에 이 연결은 기저핵 입력부와 출력부의 연결이라고 할 수 있다. 선조소체(striosome)에서 출발하는 일부 선조원심섬유만이 출력부가 아닌 흑색질 치밀부(SNc)로 이어진다.

   창백 (Pallidum)

 1.창백의 구조와 신경세포

창백은 창백핵(globuspallidus)을 말하며, 조가비핵(putamen)의 내측에 위치한다. 외측으로는 외측수질판(external medullary lamina)에 의해 조가비핵과 경계지워지며, 내 측으로는 내섬유막(internal capsule)에 의해 간뇌(diencephalon)와 구분된다. 중간에는 내측수질판(int ernal medullary lamina)이 있어 창백내핵(내측분절, internal or medial segment, GPi)과 창백외핵(외측분절, external or lateral segment, GPe)으로 나누어진다. 하등 포유류에서 창백내 핵은 대뇌각내핵(entopeduncular nucleus)이라고 한다.

신경세포는 선조의 신경세포에 비해 크며, 산재되어 있다. 대부분 다극신경원 이며 수상돌기에는 수상돌기가시(dendritic spine)가 많지 않다. 약간 붉은 빛을 띠는 선조와 달리, 옅은 회색으로 나타난다. 두꺼운 유수섬유다발이 지나가므로 수초염색에서는 선조에 비해 짙게 염색되는 섬유다발이 관찰된다. 창백핵의 바로 아래에는 배쪽창백(ventral pallidum)을 포함 하는 무명질(substantia innominata)이 위치해 있다.

 2.창백의 연결 (Pallidal Connections)

  ㈀구심성 연결 (afferent connections)

창백핵(GP)은 기저핵의 출력부로 선조(striatum)와 시상밑핵(subthalamic nucleus, STN)으로부터 구심섬유를 받는다

선조창백섬유(striopallidal fiber)는 부챗살 모양으로 창백핵의 내핵(GPi)과 외핵(GPe)에 모두 신경섬유를 보낸다. 창백외핵(GPe)으로 투사되는 섬유는 주로 감마아미노부티르산(GABA)과 엔케팔린(enkephalin)을 신경전달물질로 공유하고 있으며, 창백내핵(GPi)으로 투사 되는 신경원은 주로 감마아미노부티르산(GABA)과 섭스탄스 피(substance P) 및 다이놀핀(dynorphi n)을 공유하고 있다.

시상밑핵에서 기원되는 시상밑창백섬유다발(subthalamopallidal fiber bundle)은 선조창백섬유다발(striopallidal fiber bundle)에 비해 작다. 이들 섬유 역시 부위별 대응연결을 하고 있으며, 창백의 내핵(GPi)과 외핵(GPe) 모두에 종지한다. 반면 창백핵에서 시상밑핵으로 이어지는 창백시상밑다발은 창백외핵(GPe)에서만 기원한다.

 시상밑핵(subthalamic nucleus)의 연결. 시상밑핵(STN)은 주로 창백외핵(GPe)에서 구심섬유(창백시상밑핵섬유 pallidosubtahalmic fiber)에서 구심섬유를 받으며, 대뇌피질, 시상의 중심정중핵-다발옆핵 복합체(CM- PF complex)에서도 구심섬유를 받는다. 시상밑핵(STN)의 원심섬유는 창백내핵(GPi), 창백외핵(GPe), 흑색질 그물부(SNr) 등 기저핵 출력부 전체에 투사섬유를 보낸다.

 .

  ㈁원심성 연결 (efferent connections)

 창백에서는 시상, 시상밑핵(STN), 시상상부(epithalamus)의 외측고삐핵(lateral habenular nucleus), 뇌간의 대뇌각교뇌핵(pedunculopontine nucleus, PPN) 등 여러 부위로 원심성 섬유를 보낸다. 대부분의 섬유는 시상(thalamus)과 시상밑핵(STN)으로 투사된다

Amg 편도핵복합체       M I 일차운동영역        CM 중심정중핵

 MD 등쪽내측핵         PPA 전전두엽 연합영역  Thal 시상

PPN 대뇌각교뇌핵       SC 상구                 SMA 보완운동영역

STN 시상밑핵          GPi 창백내핵             SNc 흑색질 치밀부

STR 선조체            SNr 흑색질 그물부        GPe 창백외핵   

 VAmc 배쪽전핵거대세포부                  VApc 배쪽전핵소세포부

 VLm 배쪽외측핵내측부                     VLo 배쪽외측핵 구부

 VS 배쪽시상(ventral striatum)              VP 배쪽창백(ventral pallidum)

 1. 창백시상섬유(pallidothalamic fiber)        2. 흑색시상섬유(nigrothalamic fiber)

 3. 흑색질피개섬유(nigrotectal fiber)          4. 창백시상밑섬유(pallidosubtahalmic fiber)

 5. 덮개시상로(tectospinal tract)

 기저핵(basal ganglia)의 원심신경로(efferent fibers). 기저핵의 출력부인 창백핵(globus pallidus)과 흑색질 그물부(SNr)에서는 시상과 시상하해 및 뇌간으로 원심섬유를 보낸다. 창백내핵(GPi)에서는 시상(VLo, VApc, CM), 으로 원심섬유를 보내며, 창백외핵(GPe)에서는 시상밑핵(STN)으로 원심섬유를 보낸다. 흑색질 그물부에서는 시상(VLm, VAmc)과 중뇌의 상구(superior colliculus), 대뇌각교뇌핵(pedunculopontine nucleus, PPN)으로 연결되어 있다. 창백내핵(GPi)과 흑색질 그물부(SNr)의 원심섬유는 시상의 각기 다른 핵으로 원심섬유를 보낸다.

 @흑색질

흑색질은 교뇌중심회색질의 위쪽 끝부분에서 시상밑핵(subthalamic nucleus)이 나타나는 위치까지 거의 중뇌 전체에 걸쳐 있는 핵으로, 대뇌각기저부(crus cerebri)와 중뇌 피개(tegmentum) 사이에 위치해 있다.

흑색질은 피개쪽에 위치한 치밀부(pars compacta)와 대뇌각기저부쪽에 위치한 그물부(pars reticulata)의 두 부분으로 나누어진다.

  1.흑색질그물부

그물부의 신경원들은 도파민을 함유하고 있지 않으며 세포들의 밀도가 낮다. 전체적으로 치밀부보다 약간 위쪽에 위치해 있다. 이 세포의 형태는 기저핵에 속하는 창백핵(globus pallidus)의 세포와 비슷하며 실제로 서로 이어져 있는 부분도 있다(사노구역 field of Sano). 신경전달물질로 감마-아미노부티르산(γ-aminobutyric acid, GABA)을 함유한 세포들이 많다.

 2.흑색질 그물부(SNr)의 연결

  ㈀구심성 연결 (afferent connection)

   흑색질 그물부(SNr)는 주로 선조(striatum)에서 구심섬유를 받으며, 시상밑핵(STN)과 뇌간의 솔기핵(raphe nuclei), 그리고 대뇌각교뇌핵(PPN)에서도 약간의 구심섬유를 받는다고 알려져 있다.선조에서 흑색질 그물부(SNr)로 이어지는 선조흑색질섬유(strionigral fiber)는 부위별 대응 연결이 뚜렷하여, 미상핵 머리의 신경원은 흑색질 그물부의 상부로 투사되고, 조가비핵의 등쪽부분은 흑색질의 외측, 조가비핵의 배쪽부분은 흑색질의 내측으로 투사된다. 선조흑색질섬유는 주로 감마아미노부티르산(GABA)과 섭스탄스 피(substance P) 및 다이놀핀(dynorphin)을 공유하고 있다고 보고되어 있다.

시상밑핵(STN)에서 들어오는 상당 수의 시상밑흑색질섬유(subthalamonigral fiber)는 시상밑창백섬유(subthalamopallidal fiber)와 함께 시상밑핵의 주원심경로 중의 하나이다.

 ㈁원심성 연결 (efferent connection)

   흑색질 그물부(SNr)의 원심섬유는 시상의 외측배쪽핵-배쪽전핵(VL-VA)과 등쪽내측핵(MD), 상구(superior colliculus), 및 대뇌각교뇌핵(PPN)으로 연결된다.

  ①흑색질시상섬유(nigrothalamic fiber)

    시상의 외측배쪽핵 내측부(VLm), 배쪽전핵 거대세포부(VAmc), 등쪽내측핵의 소세포부(MDpc)와 부수질판부(MDpl)로 투사되며, 창백시상섬유나 소뇌시상섬유와 중복되지 않게 종지하는 것이 특징이다

  ②흑색질피개섬유(nigrotegmental fiber):흑색질 그물부(SNr)에서 뇌간으로 이어진다. 흑색질에서 상구로 이어지는 경로는 조류나 파충류에서는 기저핵의 주출력경로이다

    교뇌와 중뇌의 경계부에서 시작되어 적색핵의 아래쪽 끝부분까지 뻗어 있는 대뇌각교뇌핵(PPN)은 아세틸콜린(acetylcholine)을 신경전달물질로 함유한 콜린성신경원(cholinergic neuron, Ch5 세포군)이며 제뇌동물(decerebrate animal)에서 이 핵의 신경원을 자극하면 사지가 교대로 움직이는 반사적인 보행운동이 일어나기 때문에 중뇌보행영역(mesencephalic locomotor region)이라고도 한다.

 흑색질 그물부의 원심성 신경원도 신경전달물질로 GABA를 함유하고 있다.

 3.흑색질 치밀부 (SNc)

  치밀부(SNc)에는 멜라닌색소(melanin pigment)가 세포질 내에 있는 큰 신경원들이 밀집되어 있으며, 이 세포들은 신경전달물질로 도파민(dopamine)을 함유하고 있다. 치밀부(SNc)의 세포들은 큰 다극세포(multipolar neuron)로 핵소체는 크고 뚜렷하며, 니슬소체도 크고 짙게 염색되며 뚜렷하다. 두세 개의 긴 수상돌기(dendrite)가 나타나기도 한다. 멜라닌색소는 생후 4년 이후에나 나타나기 시작하며 나이가 많아질수록 점차 증가한다. 이 부분은 설치류의 A9 세포군에 해당된다.

 4.흑색질 치밀부(SNc)의 연결

  ㈀구심성 연결 (afferent connection)

    흑색질 치밀부(SNc)에는 창백핵의 내핵(GPi), 외핵(GPe) 두 부분 모두에서 기원되는 창백흑색질섬유(pallidonigral fiber)가 종지한다. 선조에서도 직접 연결되는 신경섬유가 있다. 선조에서 흑색질 치밀부로 직접 연결되는 선조신경원은 선조소체(striosome)에 있으며, 일부 변연피질(limbic cortex)에서 구심섬유를 받는다고 알려져 있다. 흑색질 치밀부는 대뇌피질에서 구심섬유를 받는다는 보고도 있다

  ㈁원심선 연결 (efferent connection)

    흑색질 치밀부(SNc)의 도파민함유신경원은 주로 선조(striatum)로 원심섬유(흑색선조섬유 nigrostriatal fiber)를 보낸다. 이 섬유다발은 부위별 대응연결을 하고 있다. 흑색선조섬유는 선조의 제2형무극세포(A II)를 억제하는 작용을 한다고 알려져 있다. 흑색선조섬유가 기원되는 모든 신경원이 도파민을 함유하고 있지는 않으며, 약 20% 정도는 도파민을 함유하고 있지 않다고 알려져 있다. 선조(striatum)로 투사되는 흑색질 치밀부의 도파민성원심섬유를 선조관련도파민계(mesostriatal dopaminergic system)라고도 한다.

  시상밑핵 (Subthalamic Nucleus)

 시상밑핵(subtahalamic nucleus, STN)은 양쪽이 모두 볼록한 볼록렌즈 형태의 핵으로 간뇌(diencephalon)에서 파생된 구조이다. 배쪽 외측으로는 내섬유막(internal capsule)이 있고, 배쪽 내측으로는 렌즈핵다발(lenticular fasciculus)의 신경섬유가 지나간다. 위쪽으로는 포렐 H2 구역(Forel's field H2)을 사이에 두고 불확정구역(zona incerta)과 닿아있다. 흑색질의 위쪽 끝부분의 등쪽 외측에 있으며, 적색핵의 외측에 위치한다.

1.시상밑핵(STN)의 연결

 ㈀구심성 연결 (afferent connection)

  시상밑핵(STN)은 주로 창백외핵(GPe)에서 구심섬유(창백시상밑핵섬유 pallidosubthalamic fiber)를 받는다. 입력부인 선조로 투사섬유를 보내지 않고 출력부인 창백으로 투사섬유를 보내는 구조는 시상밑핵이 유일하다

  일차운동영역(M I), 전운동영역(premotor area) 및 전전두엽피질(prefrontal cortex)을 포함한 대뇌피질, 시상의 중심정중핵-다발옆핵 복합체(CM- PF complex), 중뇌의 대뇌각교뇌핵(PPN)에서도 구심섬유가 들어온다고 보고되어 있다

㈁원심성연결

  배쪽선조(Ventral Striatum)와 배쪽창백(Ventral Pallidum)

선조체(corpus striatum)의 배쪽에는 경계가 명확하지 않은 핵군이 있으며 이 부위를 전뇌기저부(basal forebrain)라고 한다. 이 부분은 전관통질(anterior perforating substance)의 심부에 있는 회색질인 무명질(substantia innominata)과 그 앞쪽에 위치하는 중격의지핵(nucleus accumbens, nucleus accumbens septi) 및 그 주위부분을 말한다. 전관통질의 앞쪽 경계에는 후각삼각과 내측, 외측후각선조가 있고, 외측으로는 전이상엽피질(prepyriform cortex)과 편도체주위피질(periamygdaloid cortex)이 있다. 뒤쪽 경계는 브로카대각선조(diagonal band of Broca)와 시각로(optic tract), 시각신경교차(optic chiasm)로 이루어져 있다. 브로카대각선조는 중격부에서 기원되는 섬유다발로, 전관통질의 뒤쪽에까지 뻗어 있는 신경로이다. 전관통질의 표면은 내경동맥(internal carotid artery)이 전대뇌동맥(anterior cerebral artery)과 중간대뇌동맥(middle cerebral artery)으로 나누어지는 부분이며, 여기에서 나오는 수많은 중심가지(central branch)들이 이 부분을 뚫고 대뇌로 들어가기 때문에 관통질이라고 불리운다. 후각삼각의 바로 뒷부분 즉, 전관통질의 앞부분은 후각이 발달된 동물에서는 뚜렷하게 융기되어 있어 후각결절(olfactory tubercle)이라고 한다. 사람에서 후각결절 부위는 뚜렷하지 않다.

최근에는 대뇌기저부(basal forebrain area)에 있는 중격의지핵(nucleus accumbens)과 무명질(substantia innominata)의 기저핵에 포함시킨다. 이들을 이루는 세포의 형태와 연결이 선조체와 매우 비슷하며, 특히 중격의지핵은 선조의 배쪽 연장이라고 생각되므로 배쪽선조(ventral striatum)라 하고, 무명질의 일부는 창백핵의 배쪽 연장이라 생각되므로 배쪽창백(ventral pallidum)이라고 한다. 반면 선조와 창백은 등쪽선조(dorsal striatum)와 등쪽창백(dorsal pallidum)이라고 한다.

중격의지핵(nucleus accumbens, nucleus accumbens septi)은 미상핵 머리(head of caudate nucleus)와 조가비핵(putamen)의 배쪽에 있으며 두 핵이 내섬유막 아래에서 이어지는 부분이다. 이 핵 신경세포의 형태는 선조와 매우 비슷하여 중간크기의 세포들이 밀집되어 있는 형태로 나타난다.

중격의지핵의 배쪽 뒤쪽에는 무명질이 있다. 무명질에는 마이네르트기저핵(basal nucleus of Meynert)이 있으며 이 부분의 신경원은 아세틸콜린(acetylcholine)을 함유하고 있고 알츠하이머병(Altzheimer's disease)에서 현저한 변화가 나타나는 부위이다. 마이네르트기저핵의 신경원은 매우 크며, 아세틸콜린(acetylcholine)을 신경전달물질로 함유하고 있다. 이 핵은 메술램(Mesulam)의 Ch4 세포군에 해당되는 부위로 아세틸콜린성 신경핵 중 가장 크고 뚜렷하다. 중격핵에 있는 Ch1-Ch3 세포군과 함께 거대세포기저내측종뇌핵군(magnocellular basomedial telencephalic nuclear group)이라는 명칭으로 불리운다.

무명질에서 마이네르트기저핵을 제외한 비콜린성 부위는 창백핵과 이어져 있고, 신경세포의 형태와 연결도 창백핵과 비슷하기 때문에 이를 배쪽창백(ventral pallidum)이라고 한다.

배쪽창백과 배쪽선조는 전뇌기저부에 속하는 구조로 변연계(limbic system)로 분류하는 경우도 있지만, 대부분의 경우에는 기저핵(basal ganglia)의 일부로 분류한다. 이 부분은 기저핵의 일부로 변연계와 고도로 연결되어 있기 때문에 변연기저핵(limbic basal ganglia)이라고도 불리운다.

1.배쪽선조(ventral striatum)와 배쪽창백(ventral pallidum)의 연결

기저핵에서 이 부분은 주로 변연계(limbic system)와 연결되어 있으며, 체운동기능(somatic motor function)에 관계된 부분에 비해 복잡하게 연결되어 있다. 선조-창백핵에서 같이 배쪽선조(ventral striatum)가 입력부이며 배쪽창백(ventral pallidum)이 출력부이다

㈀배쪽선조(ventral striatum)

 역시 선조와 마찬가지로 대뇌피질, 시상, 편도체(amygdaloid body), 뇌간의 도파민함유신경원, 솔기핵 등에서 구심섬유를 받는다. 다만 대뇌피질은 주로 변연피질(limbic cortex)이며, 도파민함유신경섬유는 선조와는 달리 배쪽피개구역(ventral tegmental area, A8)에서 주로 기원한다.

배쪽선조, 즉 중격의지핵으로 투사되는 대뇌피질부위는 내측전뇌피질(medial frontal cortex), 내후각뇌피질(entorhinal cortex), 해마형성체(hippocampal formation)의 해마이행부(subiculum)이며, 해마이행부에서의 연결은 부위별 대응연결을 하고 있어 해마이행부의 앞쪽 부분은 중격의지핵의 내측으로 투사되고 뒤쪽부분은 중격의지핵의 외측부분으로 투사된다. 변연피질에서 중격의지핵으로 연결되는 피질선조섬유(cortico-striate fiber)의 신경전달물질은 흥분성인 글루탐산(glutamic acid)이나 아스파라긴산(aspartic acid)이다. 시상에서는 중간핵군(midline nuclear group)에 속하는 맥락끈옆핵(paratenial nucleus)에서 구심성섬유를 받는다.

배쪽선조로 들어오는 편도체선조섬유(amygdalostriate fiber)는 주로 기저편도체핵(basal amygdaloid nucleus)에서 기원되며 피질선조섬유와 같이 부위별 대응연결을 하고 있다.

배쪽피개구역(ventral tegmental area, A8)에서 기원되는 도파민함유신경섬유는 선조에도 일부 종지하지만 대부분은 중격의지핵으로 이어진다. 반면 흑색질치밀부(SNr)에서는 거의 구심섬유가 들어오지 않는다.

배쪽선조의 원심섬유는 상당 부분이 배쪽창백으로 이어지지만, 주로 기저핵의 출력부로만 이어지는 선조의 원심섬유와는 달리 변연계의 다른 부분(중격핵, 시상하부, 배쪽피개구역, 솔기핵, 중뇌수도관주위회색질 등)으로 이어지는 원심섬유도 많다. 배쪽선조에서 배쪽창백으로 이어지는 선조창백섬유도 신경전달물질로 감마아미노부티르산(GABA)과 섭스탄스 피(substance P), 엔케팔린(enkephalin) 및 다이놀핀(dynorphin)을 함유하고 있다. 이들 중 엔케팔린(enkephalin)성 섬유는 등쪽창백으로도 이어지지만 섭스탄스 피(substance P)를 함유하는 신경종말은 배쪽창백에만 종지한다.

㈁배쪽창백(ventral pallidum)

  주로 배쪽선조에서 구심성섬유를 받지만, 배쪽선조로 연결되는 거의 모든 부위(변연피질, 시상 중간핵군, 편도체, 배쪽피개구역 등)에서 구심섬유를 받는다.

원심섬유는 시상의 등쪽내측핵(MD)과 중간핵군(midline nuclei)을 경유하여 전전두엽피질(prefrontal cortex)로 연결되는 경로가 주경로이지만, 흑색질치밀부(SNr)와 배쪽피개구역(VTA) 및 대뇌각교뇌핵(pedunculopontine nucleus)으로도 이어진다.

기저핵의 연결회로

기저핵의 원심성연결은 주로 시상(thalamus)의 VL-VA 핵복합체-보완운동영역(supplementary motor area, SMA)-일차운동피질(M I)로 이어지며, 피라미드로(pyramidal tract)를 통해 하위운동신경원(lower motor neuron)에 영향을 준다. 또한 일차운동영역에서는 기저핵으로도 원심섬유를 보낸다. 따라서 기저핵의 회로는 운동피질에서 나가는 피라미드로(pyramidal tract)의 한 부회로(subcircuit)라고 말할 수 있으며 기저핵의 손상으로 나타나는 여러 가지 불수의적 운동은 피라미드로를 절단하면 모두 없어지게 된다.

 BG 기저핵(basal ganglia)

 SMA 보완운동영역(supplementary motor area)

UMN 상위운동신경원(upper motor neuron)

 LMN 하위운동신경원(lower motor neuron)

기저핵의 연결을 자세히 살펴보면 대부분이 어느 한 부분에서 시작되어 다른 부분을 거쳐 다시 시작된 곳으로 되돌아오는 회로(circuit)을 구성하고 있다는 것을 알 수 있다. 이러한 회로들은 여러 종류의 평행한 회로(parallel circuit)로 구성되어 서로 중복되지 않는 것이 특징적이다. 여기에 또한 여러가지 짧은 부회로(accessory circuit)가 있다.

기저핵의 주회로는 선조-출력부(창백 GP 과 흑색질 그물부 SNr)-시상(VL-VA)-운동피질(motor cortex)-선조를 잇는 회로(그림 9-13, 9-14)라고 생각되지만, 선조-창백(GP)-흑색질 치밀부(SNc)-선조를 연결하는 회로와 창백외핵(GPe)-시상밑핵(STN)-출력부(창백 GP 과 흑색질 그물부 SNr)를 잇는 회로 역시 주요한 부회로이다. 이 이외에 선조-창백(GP)-시상(CM-PF)-선조를 잇는 회로와 선조-창백(GP)-외측고삐핵(lateral habenular nucleus, LHN)-솔기핵(raphe)-선조를 잇는 회로, 출력부와 대뇌각교뇌핵(PPN)이 이루는 회로도 있다. 또한 이러한 회로 내의 신경원은 상당히 여러 가지의 신경전달물질을 함유하고 있다. 또한 선조에서 창백을 거치지 않고 직접 흑색질 치밀부(SNc)를 경유하여 선조로 돌아오는 회로도 있다.

주회로인 선조-출력부-시상-운동피질을 잇는 회로는 다시 두 가지의 회로로 나눌 수 있다. 그 하나는 선조-창백내핵(GPi)-시상(VLo, VApc, CM)-보완운동영역(SMA)-일차운동영역(M I)-선조를 잇는 회로(그림 9-13) 는 선조-흑색질그물부(SNr)-시상(VLm, VAmc, MD)-전전두엽피질(prefrontal cortex)-일차운동영역(M I)을 잇는 회로(그림 9-14)이다. 창백(GP)에서 나가는 창백시상섬유는 시상의 VLo, VApc, CM 에 종지하며, 흑색질 그물부(SNr)에서 나가는 섬유는 시상의 VLm, VAmc, MD 에 종지된다. 또한 이 두 회로의 입력과 출력에 약간의 차이가 있다. 선조-창백(GP)으로 이어지는 회로는 주로 조가비핵을 통해 전운동영역이나 운동-감각영역에서 입력을 받으며, 출력은 보완운동영역(SMA) 쪽으로 나간다. 이를 주회로(main loop)이라고 한다(그림 9-13). 반면 선조-흑색질 그물부(SNr)로 이어지는 회로는 주로 전전두엽의 연합피질(prefrontal association cortex)에서 미상핵(caudate nu cleus)을 거쳐 입력을 받으며, 출력은 역시 전전두엽 연합피질 쪽으로 나가게 된다. 이 회로는 전전두엽 '연합' 회로(prefrontal 'association' loop)라고 한다

BG 기저핵(basal ganglia)

 STR 선조(striatum)

SNr 흑색질 그물부(pars reticulata, substantia nigra)

 Thal 시상(thalamus)

PAC 전전두엽 연합영역(prefrontal association area)

 M I 일차운동 영역(primary motor area)

LMN 하위운동신경원(lower motor neuron)

흑색질 그물부(SNr)와 시상(VLm, VAmc, MD)을 경유하는 기저핵의 회로(전전두엽 '연합' 회로prefrontal 'association' loop).

 대뇌피질-기저핵-시상-대뇌피질을 잇는 회로는, 이 회로 이외에도 변연계의 일부인 대상이랑 앞부분(anterior cingulate gyrus)에서 주로 입력을 받아 배쪽선조-배쪽창백을 거쳐 시상의 등쪽내측핵(MD)으로 이어져 다시 변연계로 투사되는 회로도 있고, 전운동영역의 전안구운동영역(frontal eye field)에서 주로 입력을 받아 미상핵의 체부(body)-창백내핵(GPi)-흑색질 그물부(SNr)를 거쳐 다시 전안구영역으로 투사되는 안구운동회로(oculomotor loop)도 있다

BG 기저핵(basal ganglia)

 STR 선조(striatum)

SNr 흑색질 그물부(pars reticulata, substantia nigra)

 Thal 시상(thalamus)

FEF 전두엽안영역(frontal eye field)

 M I 일차운동 영역(primary motor area)

 SC 상구(superior colliculus)

 LMN 하위운동신경원(lower motor neuron)

대뇌피질의 전안구영역(frontal eye field, 전두엽안구영역)-미상핵의 체부(body)-창백내핵(GPi)-흑색질 그물부(SNr)를 거쳐 다시 전안구영역으로 투사되는 안구운동회로(oculomotor loop). 일부 원심섬유는 상구(superior colliculus)로 연결되어 덮개척수로(tectospinal tract)를 통해 안구운동에 영향을 주기도 한다.

선조-흑색질 그물부(SNr)를 잇는 회로도 등쪽외측 전전두엽회로(dorsolateral prefrontal loop)와 외측 안와전두엽회로(lateral orbitofrontal loop)로 다시 나눌 수 있다

이와 같이 다양한 기저핵의 회로를 살펴보면 대뇌피질을 통해 기저핵으로 들어오는 입력이 기저핵회로를 경유하는 동안 여러 회로와 부회로를 거쳐 어떠한 선택적인 신경원의 단위집단(모듈 module)을 통해 출력이 이루어진다는 사실을 추측할 수 있다. 이러한 기저핵회로의 특성은 이미 프로그램화 되어 대뇌피질에 저장되어 있는 운동프로그램(motor program, motor routines)을 적절하게 선택(selection)하는데 있어 매우 유리하다고 생각된다. 즉 기저핵은 정상 상태에서 대뇌의 피질이나 시상 등 다른 여러 부위에서 오는 수많은 다양한 입력을 받아 이를 적절하게 처리한 후 그 상황에 가장 알맞는 운동프로그램을 선택하는 기능을 한다. 따라서 이 회로에 이상이 생기면 잘못된 운동프로그램의 선택으로 인하여 여러가지 불수의적 운동(involuntary movement)이 일어나거나 또는 운동프로그램을 적절하게 선택하지 못하여 운동불능(akinesia), 운동감소(hypokinesia), 운동완서(bradykinesia) 등의 증상이 일어날 수 있다고 생각된다. 또한 이러한 회로는 대뇌피질에 저장되어 있는 여러 운동프로그램의 단편(fragment)을 모아 하나의 운동프로그램으로 완성시키는데 있어서도 유리한 구조로 생각된다

기저핵의 손상에 따른 운동장애

기저핵의 일부 또는 전부가 손상되면 대체로 수의운동장애(dyskinesia)와 근경직(muscle rigidity)을 포함한 근긴장도와 자세의 이상(disturbance of posture and muscle tone)의 두 종류의 운동장애가 일어난다. 수의운동장애에는 자신의 의도와 관계없이 일어나는 불수의적 운동(involuntary movement)인 떨림(tremor, 진전), 아테토시스(무정위운동증, athetosis), 무도병(chorea), 발리즘(ballism) 등과 마비(paralysis)는 없는데도 불구하고 비정상적으로 운동의 시작이 안되거나 느려지는 운동감소증(hypokinesia), 운동불능증(akinesia), 운동완서(bradykinesia)등의 증상이 있으며, 근긴장도(muscle tone)의 이상은 근긴장항진(hypertonia) 즉 근경직(muscle rigidity)과 근긴장감소(hypotonia)로 나눌 수 있다.

1.떨림(tremor, 진전)

 진폭(amplitude)과 주기(frequency)가 비교적 일정한 반복적인 운동이다. 기저핵 손상의 한 증상으로 나타나는 떨림은 수의운동을 하고 있지 않을 때 일어나며 수의운동이 일어날 경우에는 사라지는 휴지성 떨림(resting tremor)이다. 휴지성 떨림의 원인은 시상에서 기원되는 시상피질신경원(thalamocortical neuron)의 주기적인 활성 때문이라고 생각되고 있다. 이러한 경우 시상의 외측복측핵(VL)을 파괴하면 호전되는 경우가 많으며, 창백(GP)을 파괴하여도 이와 비슷한 결과가 오나 시상을 파괴하는 것 보다는 효과가 덜하다고 알려져 있다. 일차운동피질(M I)이나 추체로를 파괴하면 떨림은 없어지나 부전마비(paresis)가 온다. 파킨슨증후군의 주증상 중의 하나이며 간-렌즈핵변성(hepatolenticular degeneration, Wilson's disease)에서도 나타날 수 있다.

2.아테토시스(athetosis):

  사지의 원위부(distal limb)를 불규칙하게 뒤틀거나 꿈틀거리는 느린 운동으로 대부분 근경직(muscle rigidity)이 동반되어 연속된 근경련(muscle spasm)의 형태로 나타난다. 대부분의 경우 선조(striatum)와 대뇌피질에 병변이 있으나 창백핵(GP)이나 시상(thalamus)의 병변으로 인해 유발되는 경우도 있다. 뇌성마비(cerebral palsy) 환자에서 흔히 볼 수 있다

3.무도병(chorea):

  자신의 의지와는 관계없는 불수의적 운동이 마치 목적이 있는 운동처럼 활기 있고 우아한 연속적인 동작으로 나타난다. 대부분의 무도병에는 근긴장감소(hypotonia)가 동반되며, 주로 사지의 원위부와 얼굴의 표정근(muscles of ｅxpression!), 혀, 연하작용(deglutination)에 작용하는 근육 등에 잘 나타난다. 류마트열(rheumatic fever)의 합병증으로 올 수 있는 시드넘무도병(Sydenham's chorea)이나 유전적 질환인 헌팅튼병(Huntington's disease)의 대표적 증상의 하나로 주된 병변은 선조와 대뇌피질에 있다고 보고되어 있다

4.발리즘(ballism):격렬하게 사지를 휘두르는 불수의적 운동으로 상지대나 하지대 등 사지의 근위부 근육의 강력한 운동으로 나타난다. 이러한 경우 심한 근긴장감소(hypotonia)가 동반된다. 거의 대부분에서 시상밑핵(STN) 또는 시상밑핵과 연결된 주섬유다발이 손상된 경우에 나타나며, 흔히 손상 반대측에 일측성발리즘(hemiballism) 증상으로 나타난다.

5.운동불능증(akinesia)과 운동감소증(hypokinesia)

마비가 없음에도 불구하고 운동의 시작이 어렵거나 운동을 시작하는 빈도가 적어서 한 자세에서 다른 자세로의 이행이 곤란한 경우이며, 운동완서(bradykinesia)는 비정상적으로 운동이 느려지는 증상이다. 이들 모두는 파킨슨증후군에서 흔히 나타나는 증상이다.

6.근경직(muscle rigidity)

근육이 이완되지 않고 계속적으로 모든 근육이 수축하고 있는 상태로 일종의 근긴장항진증(hypertonia)이다. 근경직이 일어나는 원인에 대해서는 아직 잘 알려져 있지 않다. 근경직은 창백내핵(GPi)을 외과적으로 파괴하거나 시상의 VL 핵을 파괴하면 호전되며 척수의 후근을 잘라 척수로 들어가는 입력을 제거하거나 전각의 γ-운동신경원 활성을 억제하는 경우에도 감소된다고 알려져 있다. 근경직이 있는 경우에는 척수의 α-운동신경원과 γ-운동신경원에 대한 상척수성조절(supraspinal control)이 증가되고 강직성 신전반사(tonic stretch reflex)가 증가된다고 알려져 있으므로, 정상상태에서는 기저핵의 창백핵(GP)에서 나가는 억제성출력이 이를 감소시키지 않나 생각되고 있다. 근경직이 있는 관절을 억지로 펴려고 하면 마치 톱니바퀴가 돌아가는 것 같이 단계적으로 약간씩 펴지므로 이를 톱니바퀴현상(cogwheel phenomenon)이라고 한다.

반대로 근긴장감소(hypotonia)는 근육이 이완된 상태로 있는 것으로, 무도병과 발리즘에서는 근긴장감소가 동반된다.

7. 파킨슨증후군(Parkinson syndrome)

 대표적인 증상으로 이 질환의 원인은 흑색질 치밀부(SNc) 신경원의 파괴와 이에 따른 도파민(dopamine)의 결핍에 있다

기저핵의 병변으로 인한 증상들은 같은 선조의 손상의 경우에도 어떤 경우에는 무도병이 나타나고 다른 경우에는 아테토시스 또 다른 경우에는 근긴장이상이 나타나는 등 거의 동일한 부위가 손상된 경우에도 다양하게 나타난다. 또한 선조, 창백(GP), 시상의 손상시 모두 근긴장이상이 나타나는 등 여러 다른 부위의 손상이 비슷한 증상으로 나타나기도 한다. 또한 동일한 질환 예를 들면 간-렌즈핵변성(Wilson's disease)의 경우, 파킨슨증후군 비슷한 운동불능-근경직증후군이 나타날 수도 있고, 아테토시스나 근긴장이상이 나타날 수도 있으며, 또는 이들이 혼합되어 나타나기도 한다. 일산화탄소 중독으로 인한 파킨슨증후군(Parkinson syndrome)이나 지발성운동장애(tardive dyskinesia)의 경우에는 증상의 발현이 그 원인에 비해 상당히 늦으며, 거의 동일한 부위의 손상에서도 어떤 경우에는 증상이 나타나고 어떤 경우에는 증상이 나타나지 않는 것으로 보아서는 손상이 있는 부위의 정확한 해부학적 범위 또는 손상된 신경원이 함유한 신경전달물질에 차이가 있거는 것으로 생각되며, 손상된 신경원의 재생(regeneration)과도 관계가 있는 것으로 추측된다.

기저핵의 연결회로와 기능이상으로 미루어 볼때 이 부분은 운동프로그램을 형성하고 선택(selection)하는 역할을 맡는 것으로 추측된다. 즉 기저핵은 정상 상태에서 대뇌의 피질이나 다른 여러 부위에서 오는 수많은 다양한 입력을 받아 이를 적절하게 처리한 후 그 상황에 가장 알맞는 운동프로그램을 선택하는 기능을 한다. 따라서 이 회로에 이상이 생기면 잘못된 운동프로그램의 선택으로 인하여 여러가지 불수의적 운동이 일어나거나 또는 운동프로그램을 적절하게 선택하지 못하여 운동불능, 운동감소, 운동완서 등의 증상이 일어나는것으로 생각된다.

 

 [그림 피질영역의 각 부분]

- 청각영역(auditory cortex, AC)에서 분석된 소리는

대뇌피질의 운동영역은 일차운동영역(primary motor area, M I), 전운동영역(premotor area, PM), 보완운동영역(supplementary motor area, SMA), 전두안구영역(frontal eye field) 등이 있으며 모두 전두엽에 위치해 있다.

> 전두안구영역(frontal eye field)

전두안구영역은 대뇌외측표면 브로드만영역 8의 하부에 위치한 부분으로 안구의 수의성 연동운동(voluntary conjugate movement)을 조절하는 작용을 한다. 즉 어떠한 물체의 움직임을 추적(pursuit)할 경우 두 눈의 연동운동이 일어나는데 이를 이 부분에서 조절한다. 이 부분을 전기적으로 자극하면 눈이 자극 반대쪽으로 쏠리게 되며, 손상되면 눈이 손상된 쪽으로 편위(deviation)된다. 수의성 연동운동은 되지 않지만 불수의성 연동운동(involuntary conjugate movement)은 후두엽피질에서 조절하기 때문에 가능하다.

> 보완운동영역(Supplementary Motor Area, SMA)

보완운동영역은 대뇌내측표면에서 브로드만영역 6aα에 해당하는 부분이다. 이와 연속된 대뇌외측표면 일부, 즉 전운동영역의 위쪽 부분도 보완운동영역에 속한다. 이 부분은 일차운동영역과 비슷한 부위별대응연결이 있으며 머리부분이 앞쪽, 다리와 발 부분은 뒤쪽 일차운동영역쪽에 위치해 있다.

이 부분은 주로 기저핵에서 구심섬유를 받는 것으로 알려져 있다. 기저핵의 주출력부는 창백핵(globus pallidus, GP), 즉 창백(pallidum)으로 창백핵의 내측부(GPi)에서 나오는 섬유의 일부는 렌즈핵다발(lenticular fasciculus)과 렌즈핵고리(ansa lenticularis)를 형성하여 시상 외측배쪽핵 구부(VLo)에 종지하며, 외측배쪽핵 구부에서는 보완운동영역(supplementary motor area, SMA)으로 원심섬유를 보낸다. 또한 보완운동영역은 일차운동영역과 전운동영역에서 구심섬유를 받는다. 반대편 보완운동영역과도 연결되어 있다. 이러한 운동영역과의 연결은 일방적이 아닌 상호연결이다. 이 부분은 전운동영역과는 달리 소뇌에서 오는 입력은 받지 않는다.

보완운동영역을 전기적으로 자극하면 복합적인 운동이 일어나지만 그 역치(threshold)가 높아 상당한 정도의 전기적 자극이 있어야지만 반응한다. 이 부분의 자극으로 발성(vocalization), 표정의 변화, 양쪽 손이나 발의 대칭적 운동 등이 일어날 수 있다. 이 부분의 자극은 일차운동피질의 상위운동신경원(UMN)을 활성화시킨다. 이 부분에는 복합적인 운동프로그램(motor program)이 저장되어 있어 기저핵회로를 거쳐 적절한 운동프로그램을 선택한 후 일차운동피질으로 출력하고 피라미드로를 통해 하위운동신경원을 활성화한다고 생각된다. 따라서 보완운동영역은 전운동영역과 함께 운동을 계획하고 실행으로 옮기는 단계에서 중요한 역할을 할 것으로 생각되고 있다.

보완운동영역(SMA) 부분만이 손상되면 양손을 쓰는 행동에 문제가 생기는 경우가 많다. 어떠한 운동을 수행할 때 두손을 동시에 써서 하는 일에는 문제가 없으나 양손을 서로 다른 일에 쓰게 하면 잘 되지 않는다. 이는 반대쪽 보완운동영역과 뇌량을 통해 잘 연결되어 있기 때문에 한쪽이 손상된 경우 반대쪽에서 일부 기능을 떠맡기 때문이라고 생각되고 있다. 보완운동영역이 손상된 경우 고유감각자극에 의해 일어났던 운동은 재학습되지 않는 반면 시각자극에 의해 일어나는 운동은 재학습에 별 문제가 없다.

> 전운동영역(premotor area, PM)

전운동영역(PM)은 대뇌외측표면에서 브로드만영역 6aՁ에 해당하는 부분으로 조직학적으로는 V층에 베츠세포가 없는 점만 제외하고는 일차운동영역과 동일하다. 이 부분의 면적은 일차운동영역의 6배 정도나 된다. 이 부분과 일차운동영역에는 과립층이 없기 때문에 이 부분을 전두무과립피질(frontal agranular cortex)이라고도 한다.

전운동영역은 감각연합피질에서 주로 구심섬유를 받는다. 특히 체감각연합피질과 시각연합영역(브로드만영역 19와 중간측두시각영역)에서 입력을 받는다. 또한 소뇌에서 시상의 저밀도세포대(cell sparse zone)를 거쳐 들어오는 구심섬유도 받는다. 그렇지만 기저핵쪽에서는 전운동영역으로 연결되는 경로는 없다고 알려져 있다. 전운동영역의 원심섬유는 주로 일차운동피질로 전해지며 보완운동영역으로도 연결된다. 일부 섬유는 피라미드로(pyramidal tract)로도 하행하지만 운동영역(M I, SMA)으로 이어지는 섬유에 비해서는 적다고 알려져 있다.

전운동영역은 감각자극에 따른 운동(sensory guided movement)과 밀접한 관계가 있는 것으로 알려져 있다. 이 부분의 신경원은 시각이나 체감각, 청각 자극에 반응을 보인다. 이 부분을 전기적으로 자극하면 복합적인 운동이 일어나지만 그 역치가 높아 상당한 정도의 전기적 자극이 있어야지만 반응한다. 이 부분은 운동을 계획하고 실행으로 옮기는 단계에서 중요한 역할을 할 것으로 생각되고 있다.

전운동영역이 손상되면 실행증(apraxia)이 나타날 수 있다. 실행증은 아무런 마비현상이 없는데도 불구하고 이미 수행할 수 있던 운동이 안되는 경우를 말한다. 또한 두 손을 사용해서 해야되는 행동이 잘되지 않는다. 또한 한 번 실행증이 일어났던 행동을 재학습(relearn)할 수 없다. 특히 이 부분이 손상된 경우 시각자극에 의해 일어났던 운동이 재학습되지 않는 반면 고유감각자극에 의해 일어나는 운동에는 별 영향이 없다.

> 일차운동영역(primary motor area, M I)

일차운동영역은 중심전이랑(precentral gyrus)에 위치하며 브로드만영역 4에 해당하는 부분이다. 이 부분은 위쪽에서는 중심전이랑의 상당히 넓은 부분을 차지하고 있으나 아래쪽으로 내려갈수록 점차 좁아져 가장 아래쪽은 중심고랑 내부의 앞부분에만 존재한다. 내측표면에서는 중심옆소엽(paracentral lobule)의 앞부분에 위치해 있다.

일차운동영역은 모든 대뇌피질 중에서 가장 두꺼운 피질이며 II층과 IV층의 과립층이 발달되지 않아 II층에서 V층까지가 하나의 피라미드층으로 나타나는 무과립피질(agranular cortex)의 전형적인 예에 속한다. 내피라미드층(V층)에는 피라미드세포 중 가장 큰 세포인 베츠거대피라미드세포(giant pyramidal cell of Betz)가 위치해 있다. 이 세포는 다리쪽을 지배하는 중심옆소엽에서 가장 밀도가 높으며 전체 약 34,000개의 베츠세포 중 75%는 다리부분, 18%는 팔부분, 7%는 얼굴부분을 지배하는 신경원이라고 알려져 있다.

일차운동영역은 전운동영역(premotor area)과 보완운동영역(supplementary motor area), 일차체감각영역(primary somesthetic area), 및 시상의 저밀도세포대(cell sparse zone; 배쪽외측핵 미부 VLc, 배쪽후외측핵 구부VPLo, 영장류의 X 핵 nucleus X)에서 구심섬유를 받는다.

일차운동영역에서는 골격근(skeletal muscle)을 자신의 의지대로 움직일 수 있는 수의운동(voluntary movement)을 담당하는 피라미드로(pyramidal tract, 추체로)가 나온다. 사람이 다른 동물에 비해 훨씬 정교한 수의운동을 할 수 있는 것은 운동피질이 발달되어 있기 때문이다. 일차운동피질을 전기적으로 자극하면 자극 부위에 따라 몸의 반대쪽에 있는 특정한 근육이 수축한다. 근육의 수축은 특정한 운동을 수행하는 일군의 근육이 함께 수축되는 것이 보통이지만 각각의 근육이 수축될 수도 있다. 이러한 근육의 운동이 일어나는 양상을 보면 신체부위와 부위별대응연결(somatotopical arrangement)이 매우 뚜렷하다. 그렇지만 일차체감각영역(S I)과 같이 몸의 비율과 일차운동피질의 비율은 전혀 맞지 않으며, 손과 얼굴부위가 대부분을 차지하고 있고 다리는 대뇌세로틈새(longitudinal fissure)쪽의 작은 부분을 차지하고 있고, 외측고랑(lateral sulcus) 쪽의 좁은 부분에는 인두와 식도를 움직이는 부분이 있다. 이러한 배열은 머리와 손만이 큰 난장이와 같이 생겼으므로 '운동호문쿨루스(motor homunculus)'라고 부른다(그림 11-12). 감각호문쿨루스와 다른 점은 손이 감각호문쿨루스에 비해 훨씬 더 큰 부분을 차지하고 있고 입속과 후두 특히 발성에 관여하는 부분이 많은 부분을 차지하고 있으며, 생식기와 내장의 운동에 관여하는 부분은 없다는 점이다.

일차운동피질(M I)은 모든 수의운동(voluntary movement)에 관계하는 피질로서, 하위운동신경원(lower motor neuron, LMN)에 연결되어 결과적으로 골격근을 움직이게 하지만, 일차적으로는 손과 같은 원위부 근육의 정확한 운동에 필요한 근육을 조절하는 역할을 한다. 일차운동피질이 손상되면 수의운동을 못하게 되나 이는 영구적인 완전한 마비는 아니고 점차 회복된다. 손상 초기에도 사지 근위부의 전체적인 운동은 비교적 보존되는 반면, 원위부의 운동, 특히 손의 숙련된 미세한 운동은 매우 심하게 제한된다. 손상 초기에는 반사가 저하되고 근긴장도도 저하되지만 곧 근육은 강직성마비를 나타내고 바빈스키반사가 나타나는 등 전형적인 상위운동신경원증후군(upper motor neuron syndrome)이 나타나게 된다.

>>> 연합영역 (Association Cortex)

> 후두정연합영역 (posterior parietal association area)

후두정연합영역은 일차체감각영역과 시각영역의 사이에 있는 부분으로 브로드만영역 5, 7, 39, 40에 해당하는 부위이다. 이 부분의 위쪽(브로드만영역 5, 7)은 주로 체감각연합영역이며, 하부(브로드만영역 39, 40)는 주로 언어영역에 속하는 부분이다.

체감각연합영역이 손상되면 인지불능(agnosia)이 나타나며, 언어영역이 손상되면 언어장애가 나타난다. 또한 이 부분은 신체이미지(body image)를 관장하는 부분이기 때문에, 이 부분 전체에 관범위한 손상이 있을 때에는 자신의 신체의 일부를 무시하는 피질무관심증후군(cortical neglect)이 나타날 수도 있다. 무관심증후군의 증상은 자신의 몸의 반쪽에 관심을 기울이지 않게 되고, 손상된 반대쪽의 주위세계에도 주의(attention)를 전혀 기울이지 않게 되며, 마비는 없는데에도 불구하고 자신의 몸의 반쪽을 쓸 수 없어 보행실조(ataxia)가 나타나는 등 몸의 양쪽을 써야하는 운동에 이상이 나타난다.

> 측두연합영역(temporal association area)

측두연합영역은 일차청각피질, 즉 브로드만영역 41, 42를 제외한 거의 모든 측두엽피질을 말한다.

이 부분은 크게 측두엽 하부(inferior portion), 상부(superior portion), 전내측부(anteromedial portion)의 세 부분으로 나눌 수 있다. 이 중에서 전내측부는 브로드만 영역 27, 28, 34, 35, 36, 38을 포함하는 부위로 이 중에는 해마형성체(hippocampal formation)의 원시피질(archicortex)도 들어가 있으며, 변연피질(limbic cortex)에 속하는 부분이다(제 10장 '변연계' 참조)

측두엽 상부(superior temporal cortex)는 브로드만영역 22에 해당하는 부분으로 이 중에서 뒤쪽 부분은 베르니케영역에 들어간다. 또한 이 부분은 언어 뿐만이 아니라 언어가 아닌 소리의 분석에도 중요한 역할을 하는 부위이다.

측두엽하부(inferior temporal cortex)는 브로드만영역 20, 21, 37에 속하는 부분이다. 이 부분은 시각자극을 최종 처리하는 부분으로 시각자극의 최종적인 인식 측면을 담당한다고 생각되는 하측두시각영역(inferior temporal visual area)이 이 부분에 있다. 측두엽 하부의 앞부분은 최종 분석된 시각자극, 청각자극, 체감각자극이 종합되는 다중감각연합영역(multisensory association area)으로 생각되고 있다. 감각정보가 최종적으로 이 부분에 도달하면 사물의 인식은 완전하게 이루어지게 되고 이는 전전두엽피질과 운동영역을 거쳐 반응으로 전환되게 된다. 만약에 이 부분에 와서도 과거 경험에 없는 새로운 자극이거나, 과거 경험에서 중요했던 자극은 변연계의 파페츠회로를 거쳐 새로운 기억회로에 들어가고, 편도핵복합체로 들어가 감정을 동반하게 되어 역시 전전두엽피질과 운동영역을 거쳐 특정한 행동반응으로 나타나게 된다.

> 전전두엽연합영역 (prefrontal association area)

전전두엽연합영역은 운동영역을 제외한 모든 전두엽피질을 말하는 것으로 브로드만영역 8, 9, 10, 11, 12, 24, 25, 32, 33, 44, 45, 46, 47에 해당된다. 이 부분에는 전두안구영역(frontal eye field)과 브로카언어영역(Broca's area)이 포함되어 있다. 전전두엽피질은 운동피질과는 달리 과립층이 있는 여섯 층의 동형피질(isocortex)로 구성되어 있기 때문에 전두과립피질(frontal granular cortex)이라고도 한다. 이 부분은 영장류에서만 잘 발달되어 있고 특히 사람에서 가장 크게 발달된 부분이다. 이 부분은 두정엽, 측두엽, 후두엽과 고도로 연결되어 있고, 편도핵복합체와 시상의 내측등쪽핵(mediodorsal nucleus, MD)과도 연결되어 있다. 이 부분은 다시 대뇌 외측면에 속하는 외측전전두엽피질(lateral prefrontal cortex)과 내측과 안와면에 있는 안와전두엽피질(orbitofrontal cortex)로 크게 나눌 수 있다.

외측전전두엽피질은 주로 판단(judgement)과 예지(foresight) 등 인간의 행동을 감시하고 통제하는 여러 가지 고도의 정신적 능력에 관여하는 부분으로 생각되고 있다. 외측전전두엽피질이 손상된 경우 주로 문제해결 능력(problem solving)에 장애가 일어나게 된다. 이러한 문제해결 능력은 상당히 미묘한 정신적 능력으로 주의깊게 관찰하지 않으면 손상이 없는 것으로 잘못 판단할 수도 있다. 특히 일상의 사실이나 여러 가지 자료에서 적절한 것을 취사 선택하는 능력이 저하되게 된다.

안와전두영역(orbitofrontal cortex)이 손상되면 주로 정서장애(emotional deficit)가 나타나게 된다. 환자는 자주 이상하고 사회적으로 용납될 수 없는 행동을 하며, 정서적으로 불안정하고 성격(personality)이 변화하는 등 여러 가지 장애가 나타난다.

전전두엽 손상의 대표적인 예는 미국철도회사에 근무하던 피네아스 게이지(Phineas Gage, 1823-1860)의 경우로 1848년 폭발사고에 의해 길이 105 cm, 두께 3 cm의 철봉이 왼쪽 빰에서 오른쪽 전두골을 관통하여, 운동피질과 브로카영역은 손상되지 않았으나 대부분의 전전두엽피질이 손상되었다. 그는 기적적으로 소생하여 이후 22년간을 살았다. 이 환자의 가장 뚜렷한 이상은 성격의 변화로 온순하고 조용하고 믿을만한 성격이었으나, 사고 후에는 무례하고 불쾌하고 시끄러우며 탐욕스런 성격으로 변해 그의 담당의사는 "더 이상 게이지가 아니었다"고 했다고 한다.

또한 1930년대 중반에 포르투갈의 신경외과 의사인 에가스 모니츠(Egas Moniz, 1874~1955)는 여러 가지 정신질환 환자들을 대상으로 시상과 안와전두피질 사이의 백색질을 절단하는 전전두엽백질절제술(prefrontal leukotomy)을시행하여 1949년 노벨 생리의학상을 수상하였다. 그러나 이 수술 후에 환자들은 성격이 변하게 되어 피네아스 게이지와 같이 무례하고 다른 사람을 생각하지 않게 되었으며 앞일을 예측하지 않고 제멋대로 행동하는 등 여러 정신 장애가 생겨 현재에는 전혀 이 수술을 시행하지 않게 되었다.

전전두엽피질은 감각피질에서 분석한 자료와 편도핵복합체를 거쳐 들어온 감정적 측면을 바탕으로 다음 행동을 예측, 판단하는 부위로 그 자신의 인격이 들어있는 부위라고도 생각할 수 있다.

종뇌의 발생 (Development of Telencephalon)

종뇌는 전뇌(prosencephalon, forebrain)의 앞쪽 부분을 말하며, 이 부분의 신경수관은 외측으로 발달하여 두 개의 외측뇌실(lateral ventricle)로 분화한다. 양쪽의 외측뇌실은 뇌실간공(interventricular foramen)을 통해 제3뇌실과 통해 있다. 종뇌는 외측뇌실의 벽에서 발달된 구조이며 대뇌반구(cerebral hemisphere)로 분화한다. 발생 초기에 외측뇌실의 벽은 다른 신경관의 구조와 같이 뇌실막층(ependymal layer), 외투층(mantle layer), 변연층(marginal layer)의 세 층으로 구성되어 있으나, 뇌실의 등쪽과 외측에 있는 외투층의 세포들은 변연층의 바깥쪽으로 이동하여 피질(cortex) 또는 외투(pallium)를 형성한다. 외측뇌실의 기저부에 있는 세포들은 바깥쪽으로 이동하지 않고 그대로 외투층 안에서 기저핵(basal ganglia)으로 분화한다. 변연층은 대뇌피질로 들어오고 나가는 신경섬유들로 구성되며, 대뇌백색질(cerebral white matter)이 된다.

기저핵의 발생 (Development of Basal Ganglia)

개체발생 (Ontogenetic Development)

기저핵은 외측뇌실의 바닥(floor)에서 발생하며, 선조체(corpus striatum)와 편도체(amygdaloid body)의 두 핵으로 분화된다. 선조체의 원기(primordium)가 처음 나타나는 시기는 태령 4주(24일) 정도로 상당히 빠르며, 7주(태령 44일 정도)에 가면 선조체의 원기는 빠르게 성장하여 외측뇌실(lateral ventricle)과 뇌실간공(interventricular foramen)의 내강으로 돌출하게 된다. 이 이후에는 대뇌피질이 기저핵에 비해 더 빨리 자라나므로 외측뇌실은 앞뒤로 길게 늘어나고 'C'자 형태로 휘어지게 된다(그림 1-32). 기저핵의 원기의 외측에 세포집단이 다시 생성되며 이를 외측층판(lateral lamina)이라고 하고 먼저 있던 세포집단을 내측층판(medial lamina)이라고 한다.

그림 1-30. 발생 15일 흰쥐 배자(rat embryo) 뇌의 제3뇌실을 지나는 관상단면(왼쪽)과 발생 20일 흰쥐 배자의 관상단면(오른쪽). 제3뇌실에 면한 간뇌(diencephalon)의 회색질 구조 중 위에서 부터 시상상부(epithalamus), 등쪽시상(dorsal thalamus, 시상), 배쪽시상(ventral thalamus, 시상밑부 subthalamus), 시상하부(hypothalamus)의 네 부분이 뚜렷하게 구분된다. 배쪽시상은 점차 외측으로 이동하여, 제3뇌실에서는 멀어지게 되며, 배쪽의 시상밑핵(subthalamic nucleus)과 등쪽의 불확정구역(zona incerta)으로 분화된다. 큘렌벡(Kuhlenbeck, 1954)의 주장에 따르면 기저핵에 속하는 창백핵(globus pallidus, GP)도 배쪽시상의 외측에서 분화한다. 대뇌피질에서 발달되는 내섬유막(internal capsule)이 배쪽시상을 내측과 외측으로 분리함에 따라 창백핵(GP)의 원기는 외측의 조가비핵(putamen)과 붙어 렌즈핵(lenticular nucleus)을 형성한다.

그림 1-32. 선조체(corpus striatum)의 발생. 선조체는 종뇌에서 대뇌피질 심부에 있는 회색질로 외측뇌실(lateral ventricle)의 바닥(floor)에서 발생한다. 발생 초기에는 선조체의 발달이 빠르지만 후기에는 대뇌피질의 발달이 빠르므로 외측뇌실은 앞뒤로 길게 늘어나고 선조체도 'C'자 형태로 휘어지게 된다. 원래 선조체가 발생하던 부분에 세포집단이 주로 모여있으며, 이 부분은 렌즈핵(lenticular nucleus)과 미상핵의 머리(head of caudate nucleus)가 된다. 뒤쪽 부분은 외측뇌실 측두각(temporal horn)의 발달에 따라 늘어나 미상핵의 꼬리(tail)가 되며 그 끝부분에는 편도체(amygdaloid body)가 위치한다. A. 15 mm 사람 태아, B. 27 mm 사람 태아, C. 53 mm 사람 태아.

내측층판에서는 창백핵(globus pallidus)이 형성되며, 외측층판에서는 조가비핵(putamen)이 형성된다(그림 1-33). 창백핵은 시상밑핵(subthalamic nucleus)과 함께 배쪽시상(ventral thalamus)에서 분화된다고 하기도 한다(그림 1-30). 창백핵과 조가비핵은 서로 붙어 있으며 마치 렌즈와 같은 모양이므로 렌즈핵(lenticular or lentiform nucleus)이라고 한다. 외측층판의 바로 앞쪽 위쪽에는 선조능선(striatal ridge)이 있으며, 이 부위에서 미상핵(caudate nucleus)과 편도체(amygdaloid body)가 형성된다. 미상핵과 편도체는 외측뇌실이 길게 휘어짐에 따라 같이 길게 늘어나며, 미상핵은 앞쪽의 큰 머리(head)와 뒤쪽의 꼬리(tail)로 나누어진다(그림 1-33). 편도체는 미상핵의 끝부분에 위치하며 미상핵이 아래쪽으로 휘어지기 때문에 결국에는 렌즈핵의 아래쪽에 위치하게 된다. 기저핵과 시상 사이로는 대뇌피질로 들어가고 나가는 섬유다발인 내섬유막(internal capsule)이 발달하여 이 두 구조를 나누어준다.

그림 1-33. 선조체(corpus striatum)의 발생. 선조체는 외측뇌실(lateral ventricle)의 바닥(floor)에서 발생한다. 선조체의 원기(primordium)는 7주(태령 44일 정도) 정도에는 외측뇌실(lateral ventricle)과 뇌실간공(interventricular foramen)의 내강으로 돌출하는 하나의 세포집단으로 나타난다. 11주경에는 선조체가 외측층판(lateral lamina)과 내측층판(medial lamina)으로 나누어진다. 내측층판에서는 창백핵(globus palli- dus)이 형성되어 배쪽으로 이동하며, 외측층판에서는 조가비핵(putamen)이 형성되어 배쪽외측으로 이동한다. 창백핵과 조가비핵은 서로 붙어 있으며 마치 렌즈와 같은 모양이므로 렌즈핵(lenticular nucleus)이라고 한다. 외측뇌실에 면한 외측층판에서는 선조능선(striatal ridge)이 형성되며, 이 부위에서 미상핵(caudate nucleus)이 형성된다. 선조체와 시상 사이로는 대뇌피질로 들어가고 나가는 섬유다발인 내섬유막(internal capsule)이 발달하여 이 두 구조를 나누어준다.

계통발생 (Phylogenetic Development)

계통발생에 따라 선조체는 구선조(paleostriatum)와 신선조(neostriatum)의 두 부분으로 나눌 수 있다. 창백핵이 구선조에 해당되며, 조가비핵과 미상핵은 신선조에 해당된다. 턱이 있는 어류(jawed fish)에서 구선조가 처음 나타나며, 어류에서는 구선조가 운동의 최고 중추로 작용한다. 양서류에서도 구선조가 반사적인 운동의 중추로 작용하며, 신선조(neostriatum)가 나타나기 시작한다. 파충류에서 선조체는 외측뇌실로 크게 돌출되며 전뇌의 대부분을 차지하고 있다. 외측뇌실로 돌출된 구조는 주로 신선조이며, 일부 조직, 특히 등쪽뇌실능선(dorsal ventricular ridge)은 포유류에서는 피질에 해당되는 부위로 주로 후각(olfaction)을 받는 부분이다. 조류에서도 선조체는 뚜렷하며, 포유류에서는 대뇌피질이 크게 발달하기 때문에 선조체는 대뇌반구의 심부에 위치하게 된다. 선조체는 체운동기능(somatic motor activity)의 조절과 관계가 깊다. 조류에서는 기저핵에서 중뇌의 시각덮개(optic tectum, 상구 superior colliculus)로 내려가는 경로가 발달하여 직접적인 운동기능에 참여하지만, 포유류에서 기저핵은 대뇌피질로 이어지는 구조가 발달하여, 대뇌피질에서 나오는 피라미드로(pyramidal tract)를 통해 운동기능에 영향을 준다.

편도체는 모든 척추동물에 존재하며 하등 척추동물에서는 주로 후각(olfaction)과 관련된 구조로 나타나지만 고등동물로 진화되면서 해마형성체(hippocampal formation)와 밀접한 연관을 맺게 된다. 이 구조는 감정(emotion), 후각 등과 관련된 변연계(limbic system)의 구조로 선조체와는 기능적으로 다른 구조이다.

대뇌피질의 발생 (Development of Cerebral Cortex)

개체발생 (Ontogenetic Development)

외측뇌실의 등쪽과 외측벽은 선조체(corpus striatum)로 분화되는 기저부에 비해 얇으며, 이 부분의 외투층(mantle layer) 세포들은 변연층(marginal layer)의 바깥쪽으로 이동하여 대뇌피질(cerebral cortex) 또는 외투(pallium)의 원기(primordium)를 형성한다.

태생 6주 무렵에 대뇌반구 외측뇌실의 내측 아래쪽에서는 해마형성체(hippocampal formation)로 분화될 부분이 나타난다. 외측뇌실의 바닥 기저핵의 바깥쪽에도 피질구조가 나타나며 이 부분이 점차 발달하여 후각엽(olfactory lobe) 또는 후각뇌(rhinencephalon)를 형성한다.

해마형성체는 외측뇌실이 길어짐에 따라 같이 늘어나 외측뇌실 하각(inferior horn)의 내측벽을 형성한다. 해마형성체는 해마(hippocampus)와 치아이랑(dentate gyrus) 및 해마이행부(subiculum)로 분화된다. 처음에 해마형성체는 가장 내측으로부터 치아이랑, 해마, 해마이행부의 순서로 배열되어 있으나, 치아이랑과 해마 사이에서 외측뇌실쪽으로 돌출된 주름이 생기게 되며, 해마와 해마이행부의 사이에서는 외측뇌실에서 바깥쪽으로 주름이 생겨 성인에서 볼 수 있는 복잡한 형태의 해마형성체가 형성된다(그림 1-34). 해마형성체는 여섯 층으로 분화되는 다른 피질과는 달리 세 층으로 구성되어 있는 원시적인 형태의 원시피질(archicortex)이다.

그림 1-34. 해마형성체(hippocampal formation)의 발달과정을 알기 쉽게 도시한 그림이다. 외측뇌실 측두각(temporal horn)의 내측벽과 바닥을 이루는 해마형성체는 발생초기에는 내측에서부터 치아이랑(dentate gyrus), 해마(hippocampus), 해마이행부(subiculum)의 순으로 배열되어 있으며 그 외측에는 내후각뇌피질(entorhinal cortex)이 위치해 있다. 얼마 후 해마의 내측으로부터 해마고랑(hippocampal sulcus)이 형성되어 해마가 외측으로 밀려나게 된다. 다음에는 해마의 등쪽 내측이 크게 발달되어 치아이랑을 아래쪽으로 밀어내게 된다. 따라서 치아이랑의 내측면과 해마이행부는 해마고랑을 사이에 두고 닿아있게 되며, 해마가 외측뇌실 측두각 내측벽의 대부분을 구성하게 된다.

 

처음에 후각엽은 대뇌반구의 기저부가 약간 돌출된 형태로 나타난다. 후각엽의 일부는 앞쪽으로 돌출되어 후각망울(olfactory bulb)과 후각로(olfactory tract)를 형성하며, 뒤쪽은 후각피질(olfactory cortex)로 분화한다. 후각피질은 다시 전이상엽피질(prepyriform area or cortex), 편도체주위피질(periamygdaloid area or cortex), 내후각뇌피질(entorhinal area or cortex)의 세 부분으로 분화된다. 후각피질에서는 다섯 또는 여섯 층판을 구분할 수는 있으나 비전형적인 형태를 보인다. 후각피질을 구피질(paleocortex)이라고 한다.

원시피질과 구피질을 제외한 대부분의 피질은 6개의 뚜렷한 층판으로 구성되어 있으며, 신피질(neocortex)이라고 한다. 신피질은 성인 뇌에서는 대뇌피질의 대부분을 차지하고 있다. 대뇌피질은 대뇌반구의 등쪽에서 성장하기 시작하며, 앞쪽으로 성장하여 전두엽(frontal lobe)을 형성하고, 뒤쪽으로 성장하여 후두엽(occipital lobe)을 형성하며, 외측 배쪽으로 성장하여 측두엽(temporal lobe)을 형성한다. 등쪽 부분은 두정엽(parietal lobe)이 된다. 태생 6-7개월 사이에 대뇌반구 표면의 신피질은 매우 빨리 성장하여 주름이 형성되며, 안쪽으로 들어간 고랑(sulci)과 인접한 고랑 사이에 있는 이랑(gyri)을 구별할 수 있다. 가장 처음 나타나는 고랑은 태생 4개월에 나타나는 후각고랑(rhinal sulcus)과 해마고랑(hippocampal sulcus)으로 이들은 각각 구피질과 원시피질의 중요한 분계구조가 된다. 이 고랑들이 나타나는 것과 비슷한 시기에 외측고랑(lateral sulcus)도 나타나기 시작한다. 외측고랑은 전두엽과 측두엽 사이에 있으며, 두 대뇌엽이 빨리 자라기 때문에 이 부분의 피질은 출생 무렵까지는 안쪽으로 움푹 파인 구조로 남아 있다. 이 부분을 뇌섬엽(대뇌섬 insula)이라고 하며, 출생 후 계속 성장하는 전두엽, 두정엽, 측두엽에 의해 완전히 덮히게 된다. 이와 같이 뇌섬엽을 싸고 있는 피질 구조를 각각 전두덮개(frontal operculum), 두정덮개(parietal operculum), 측두덮개(temporal operculum)라고 한다. 태생 6-7개월에는 대뇌피질에서 중요한 분계구조가 되는 중심고랑(central sulcus), 두정후두고랑(parieto-occipital sulcus), 새발톱고랑(calcarine sulcus), 측면고랑(collateral sulcus) 등이 나타난다. 이들 고랑들이 발달함에 따라 성인 뇌 표면적의 2/3는 표면에 나와 있지 않고 고랑 내에 면해 있게 된다(그림 1-35).

 

1. 전두덮개(frontal operculum)	5. 뇌섬엽(insula)
2. 측두덮개(temporal operculum)	6. 전두엽(frontal lobe)
3. 두정덮개(parietal operculum)	7. 두정엽(parietal lobe)
4. 외측고랑(lateral sulcus)	8. 후두엽(occipital lobe)

그림 1-35. 사람 대뇌피질 덮개(operculum)의 발생. 대뇌의 배쪽외측이 자라나는 앞쪽과 뒤쪽의 피질에 의해 상대적으로 안쪽으로 함몰되어 외측고랑(lateral sulcus)이 형성되며 함몰된 부분의 피질은 뇌섬엽(insula) 피질이 된다. 앞쪽 외측으로 성장하는 전두엽(frontal lobe)의 피질은 뒤쪽 외측고랑쪽으로도 계속 증식하여 뇌섬엽의 앞쪽을 덮는다. 이와 같이 뇌섬엽의 앞쪽을 덮는 부분을 전두덮개(frontal operculum)라고 한다. 외측고랑 뒤쪽의 측두엽 피질은 앞쪽으로 증식하여 뇌섬엽의 뒤쪽을 덮으며, 이 부분을 측두덮개(temporal operculum)라고 한다. 외측고랑 위쪽의 두정엽 피질은 아래쪽으로 증식하여 뇌섬엽의 위쪽을 덮으며, 이 부분을 두정덮개(parietal operculum)라고 한다. 동시에 피질의 고랑(sulcus)들이 형성되며, 시간이 지날수록 깊어지고 수도 많아진다.

 

계통발생 (Phylogenetic Development)

대뇌피질은 세포층판에 따라 이형피질(allocortex)과 동형피질(isocortex)로 나누어 진다. 동형피질은 태생기에 6층으로 분화된 부분으로 신피질(neocortex)에 해당된다. 이형피질은 포유류의 해마형성체(hippocampal formation)와 같이 세 층으로 구성된 원시피질(archicortex)과 후각뇌(rhinencephalon)에서와 같이 5-6 층으로 구성된 구피질(paleocortex)을 말한다. 원시적인 척추동물의 외측뇌실의 내측에는 원시피질이 위치하며, 외측에는 구피질이 위치해 있다(그림 1-36, 1-37, 1-38). 계통발생학적으로 오래된 이 두 피질에서 신피질이 기원되었다고 생각되고 있다.

이형피질과 동형피질은 명확하게 경계가 있는 것은 아니며, 점진적으로 분화한다. 이형피질 주위에 있는 피질구조를 이형주위피질(periallocortex)이라고 하며, 완전한 동형피질로 분화하지 못한 동형피질 쪽의 피질구조를 동형원피질(proisocortex)이라고 한다. 내측의 원시피질은 동물이 진화함에 따라 점차 등쪽으로 발달하여 이형주위피질과 동형원피질(사람에서는 대상이랑동형원피질 cingulate proisocortex)을 거쳐 동형피질을 형성한다. 이 부분에서 형성되는 동형피질은 외측표면으로도 계속 발달한다. 외측의 구피질은 외측 등쪽으로 점차 발달하여 역시 이형주위피질과 동형원피질(사람에서는 뇌섬엽동형원피질 insular proisocortex)을 거쳐 동형피질을 형성한다(그림 1-37). 사람의 전두엽에서 이 두 원시적인 피질에서 발생한 구조의 경계는 하전두고랑(inferior frontal sulcus)이라고 알려져 있다(Sanides, 1970).

 

A: 원시피질(archicortex)	PA: 원시피질 전구구조
P: 구피질(paleocortex)	PP: 구피질 전구구조
N: 신피질(neocortex)	PN: 신피질 전구구조
B: 기저핵(basal ganglia)	S: 중격(septum)

그림 1-36. 척추동물의 뇌의 단면. 어류(fish)의 종뇌는 포유동물의 대뇌피질(cerebral cortex)에 해당하는 대뇌피질전구부분이 있으나 세포가 산재되어 있고 뚜렷한 층판구조를 이루지 않는다. 대뇌반구의 중앙부에 기저핵(basal ganglia)이 있고 그 내측 배쪽에는 중격(septum)이 있다. 종뇌의 배쪽에는 간뇌(dien- cephalon)의 시상하부가 넓게 자리잡고 있다. 양서류(amphibian)의 종뇌에서 대뇌반구(cerebral hemi- sphere)에는 외측뇌실(lateral ventricle)이 나타나고, 외측뇌실의 배쪽내측에는 중격이 나타나며, 배쪽외측에는 기저핵이 나타난다. 배쪽에는 간뇌가 나타나지만 어류에 비해서는 작다. 파충류(reptile)의 종뇌에는 배쪽에 간뇌가 나타나지 않고, 대뇌피질에서 원시피질(archicortex)과 구피질(paleocortex)이 분화되어 비교적 뚜렷한 층판구조로 나타난다. 기저핵과 중격도 뚜렷하다. 기저핵의 등쪽에는 등쪽뇌실능선(dorsal ventricular ridge)이라는 신피질전구부분이 나타난다. 이 구조는 층판을 이루지 않는 산재된 구조이지만 포유류의 신피질로 발전되는 부분이다. 조류(bird)에서도 원시피질, 구피질이 나타나고 전반적인 형태는 파충류와 유사하다. 기저핵의 등쪽에는 과선조(hyperstriatum) 등 대뇌신피질(neocortex)에 해당되는 구조가 나타난다. 그러나 이 구조는 대뇌피질과는 달리 피질과 같은 층판구조를 이루지는 않는다. 포유류인 식충류(insectivora)에서는 구피질의 발달이 두드러진다. 신피질도 나타나기 시작한다. 갈라고원숭이(부시베이비)에서는 구피질이 상대적으로 줄어들고 신피질이 크게 증가한다.

 

1. 원시피질(archicortex)	5. 일차체감각피질(primary somesthetic cortex)
2. 구피질(paleocortex)	6. 일차시각피질(primary visual cortex)
3. 신피질(neocortex)	7. 일차청각피질(primary auditory cortex)
4. 일차운동피질(primary motor cortex)

그림 1-37. 포유류 뇌의 옆모습과 단면. 고슴도치의 대뇌피질은 원시피질(archicortex)과 구피질(paleo- cortex)이 대부분을 차지하고 있으며, 신피질(neocortex) 부분은 매우 적다. 외측에서는 보이지 않으나 단면에서는 내측에 원시피질인 해마형성체(hippocampal formation)가 나타난다. 하등 영장류(primate)인 나무타기쥐(투파이아 tupaia)의 뇌에서는 원시피질과 구피질이 감소하고 신피질이 증가한다. 영장류에 속하는 여우원숭이(레무르 lemur)에서는 이러한 경향이 더 커지며 사람의 뇌에서는 대뇌피질의 대부분을 신피질이 차지하게 된다.
내측의 원시피질은 동물이 진화함에 따라 점차 등쪽으로 발달하여 대뇌반구 내측의 신피질을 형성하고 점차 외측으로도 발달하여 등쪽외측면의 신피질도 형성한다. 외측의 구피질은 외측 등쪽으로 점차 발달하여 뇌의 기저부와 뇌섬엽 및 등쪽외측면의 아래쪽에서 신피질을 형성한다. 사람의 전두엽에서 이 두 원시적인 피질에서 발생한 구조의 경계는 전두엽(frontal lobe)에서는 하전두고랑(inferior frontal sulcus)이라고 알려져 있다.
또한 하등 포유류에서는 신피질의 대부분을 일차감각피질(primary sensory cortex, 일차체감각피질 pri- mary somesthetic cortex 과 일차시각영역 primary visual area 및 일차청각영역 primary auditory area)이 차지하고 있고 연합피질(association cortex)이 적은 반면, 고등포유류로 진화할수록 일차감각피질에 비해 연합피질이 증가한다. 특히 사람에서는 측두엽과 전두엽의 연합피질이 크게 발달하여 뇌섬엽(insula) 위로 자라나 덮개(operculum)를 형성한다.

 

1. 후각망울(olfactory bulb)	6. 브로카대각선조(diagonal band of Broca)
2. 후각결절(olfactory tubercle)	7. 편도체주위피질(periamygdaloid cortex)
3. 이상엽(piriform lobe)	8. 내후각뇌피질(entorhinal region)
4. 갈고리이랑(uncus)	9. 치아막(fascia dentata)
5. 전이상엽피질(prepyriform cortex)	10. 후각로(olfactory tract)

그림 1-38. 고슴도치(hedgehog)와 사람 대뇌의 기저부(basilar part). 고슴도치의 대뇌 기저부는 대부분이 구피질(paleocortex)로 구성되어 있다. 사람에 있어서는 구피질이 대뇌 기저부의 일부분만을 차지하고 있다. 후각피질의 앞부분은 후각망울(olfactory bulb)을 형성한다. 고슴도치의 후각망울의 바로 뒤쪽에는 후각결절(olfactory tubercle)이 돌출되어 있으나 사람에서는 돌출되어 있지 않고 전관통질(anterior perfo- rated substance)을 형성한다. 사람에서 후각망울과 전관통질 사이에는 후각로(olfactory tract)가 있다. 후각로는 후각정보를 이상엽 피질로 보내준다. 후각결절 뒤쪽의 이상엽(piriform lobe)은 후각정보를 일차적으로 수용하는 부분으로 전이상엽피질(prepyriform area or cortex), 편도체주위피질(periamygdaloid area or cortex), 내후각뇌피질(entorhinal area or cortex)의 세 부분으로 구성되어 있다. 고슴도치의 이상엽은 사람에 비해 크게 발달되어 있고 전이상엽피질, 편도체주위피질, 내후각뇌피질이 모두 사람에 비해 대뇌 기저부에서 차지하는 비율이 높다. 고슴도치의 피질에서는 원시피질(archicortex)에 속하는 해마형성체(hippocampal formation)의 일부인 치아막(fascia dentata)도 기저부 표면에 나타나지만 사람에서는 관찰되지 않는다. 고슴도치에서 이 부분은 갈고리이랑(uncus) 위에 있다.

 

척삭동물(chordate)에 속하는 활유어(amphioxus)에는 외투(pallium) 즉, 피질(cortex)이 나타나지 않으나, 모든 척추동물에서는 원시적인 피질구조가 나타난다. 지구상에 현존하는 모든 동물의 피질은 이미 고도로 진화된 구조이기 때문에 어류-양서류-파충류-조류-포유류 등 동물의 대뇌피질을 바로 비교하면 진화하는 양상이 뚜렷하지 않으나, 각 동물류에서 원시적인 동물 또는 발생시의 대뇌피질을 비교해보면 진화되는 양상을 알 수 있다.

어류는 다른 동물과는 달리 외측뇌실이 없으며, 피질은 전뇌 신경수관의 천장을 이루는 얇은 구조로 나타난다. 어류의 피질은 주로 후각과 연관된 후각피질 즉 구피질이다. 양서류에서 피질구조는 크게 두 부분으로 나누어진다. 내측에는 원시피질이 위치하며 중격핵(septum), 편도체(amygdaloid body)와 밀접하게 연관되어 있다. 외측에는 구피질이 위치하며 선조체(corpus striatum)와 밀접하게 연관되어 있다. 양서류의피질은 포유류 피질의 원형이 된다. 파충류에서도 기본적인 형태는 비슷하지만 외측뇌실쪽으로 돌출된 등쪽뇌실능선(dorsal ventricular ridge)이 나타난다. 등쪽뇌실능선은 피질구조를 이루지는 않지만 포유류의 신피질에 해당되는 부위로 시상을 통해 청각, 일반감각 등 감각성분을 받는 부분이다.

더보기

1) 파충류의 등쪽뇌실능선(dorsal ventricular ridge)과 조류의 신선조(neostriatum), 과선조(hyperstriatum)는 피질구조가 아니므로 포유류의 기저핵(basal ganglia)에 속하는 구조로 생각되었으나, 축삭형질이동(axoplasmic transport)을 이용한 신경원간의 연결에 대한 재검토가 이루어지고, 신경전달물질의 면역조직화학적 연구 및 신경생리학적, 행동과학적인 연구가 진전됨에 따라 포유류의 신피질(neocortex)에 해당되는 구조임이 밝혀졌다(Parent, 1986).

2) 시각신경(시신경 II)은 일반적으로 말초신경으로 분류하지만 실제로는 중추신경계통의 구조라고도 할 수 있다. 시각신경은 뇌막(meninges)에 의해 싸여 있으며, 이 신경과 망막(retina)에서 관찰되는 아교세포도 말초아교세포가 아닌 중추아교세포이고, 중추신경계통의 질환이 있을 경우 시각신경도 손상되는 경우가 많으므로 중추신경계통의 일부로 보는 것이 타당하다. 그러나 전통적으로 말초신경으로 분류했었기 때문에 뇌신경의 하나로 취급, 기술하는 것이 일반적이다.

 

조류에서도 피질은 크게 발달하지 않고 신선조(striatum)와 과선조(hyperstriatum)가 발달해 있으며, 이 구조가 포유류의 신피질에 해당되는 부위이다(그림 1-36).  포유류에서는 신피질이 크게 발달한다. 하등 포유류에서 원시피질은 대뇌반구의 내측벽의 등쪽에 위치하고 있지만, 신피질이 형성되고 양쪽의 신피질을 잇는 섬유다발인 뇌량(corpus callosum)이 발달하면서, 점차 뇌량의 배쪽으로 밀려나게 된다. 신피질이 계속해서 커지기 때문에 사람에서 원시피질은 측두엽의 내측에 작은 부분만을 차지하게 된다(그림 1-37). 하등 포유류에서 동형피질의 대부분은 일차감각영역과 일차운동영역으로 구성되어 있으나 고등동물에서는 직접 감각성입력이나 운동에 관여하지 않고 이들 사이의 통합작용에 관여하는 연합영역(association cortex)이 점차 증가한다. 사람에 있어 이러한 연합영역은 전두엽의 앞쪽(전전두엽피질 prefrontal cortex), 측두엽신피질(temporal neocortex), 후두엽의 시각연합영역(visual association area) 등이며, 언어에 관여하는 영역(speech area)도 사람에서 특히 발달되어 있다.

 

대부분의 동물의 대뇌피질은 좌우 동형의 구조이며, 양쪽이 같은 기능을 한다고 생각되지만, 사람의 대뇌피질에는 좌우가 똑같이 발달하지 않고 서로 다르게 분화하는 부분이 있다. 대뇌언어영역, 특히 브로카운동언어영역(Broca's motor speech area)이 대표적인 예로 어떠한 한 부분이 다른 쪽에 비해 우세한 이런 현상을 대뇌외측화(cerebral lateralization), 또는 대뇌우세(cerebral dominance)라고 한다. 이러한 현상은 대칭적으로 발달한 대뇌피질이 고도의 기능을 중복시키는 데 따른 비효율성을 보상하기 위한 기전의 하나로 생각되고 있다.

해마는 학습과 기억에 중요한 역할을 하며, 특히 서술기억(declarative M)에 중요한 역할을 한다는 것이 잘 알려져 있다. 설치류에서는 서술 기억의 모델로 공간 기억 연구가 주류를 이루는데, 실제로 해마를 손상시키면 동물의 공간 학습 능력이 뚜렷이 저하된다. 해마가 공간 기억에 중요하다는 중요한 증거가 또 하나 있는데, 바로 위치(Place cell)이다.

해마의 추체세포(piramidal cell)이나 과립세포(granule cell) 등은 동물이 특정위치에 있을 때만 활발히 발화하는데 이를 위치세포라 부르면, 이것은 외부공간 정보가 해마에 표상된다는 것을 시사한다. 이에 근거해 해마에 인지적 지도가 표상된다는 유명한 저서 The hippocampus as a cognitive map 1978이 출판된 바 있다.

그림 1. 위치세포의 예. 파란색은 발화하지 않은 부분이고 빨간색은 높은 발화율을 보인 부분이다.

그동안 해마 위치세포에 대한 연구가 집중적으로 수행되었으나, egocentric 공간정보가 어떻게 allocentric 공간정보로 변환되어 해마에서 위치세포의 발화로 이어지는지 알려진 바가 별로 없다. 여태까지 연구의 한계점은 해마로의 입력이 어떤 패턴인지에 대해 아는 바가 별로 없다는 것이다. 이를 해결하기 위해 최근에는 해마의 입출력을 관장하는 entorhinal cortex에 대한 연구가 활발해지고 있다. 지난 수십년간 주로 해마를 대상으로 기억 연구를 해왔으나, 해마를 이해하기 위해서는 그 입력부를 이해해야 한다는 점이 부각되면서 최근에는 해마 주변 부위, 특히 내후뇌피질로 연구중심이 이동하고 있다.

이런 연구의 일환으로 entorhinal cortex의 신경신호를 측정한 결과 특정 부위에서 매우 특이한 특성을 보이는 세포들이 발견되었다. 해마 place cell들은 보통 한곳에서 발화하는데 반하여 이를 세포들은 주어진 공간의 여러 곳에서 발화를 하였으며 발화 중심 지점들이 격자형태를 이루었다. 이를 grid cell이라 명명하였는데 그림 2에서 보는 바와 같이 발화 중심점들은 벌집과 같이 6각형 형태로 격자를 이루었다.

grid cell이 외부공간 표상에 어떤 역할을 하는지는 아직 잘 밝혀지지 않았다. 그러나 격자 세포의 발견은 그동안 해마 기능 연구의 한계를 극복하고 해마 신경계에 공간 정보가 어떻게 표상되는지를 이해하는데 중요한 진전이라는 데는 의심의 여지가 없다. 앞으로 entorhinal cortex에 대한 연구가 더욱 가속화 될 것으로 기대된다.

Nature, 436(7052):801-6, 2005

인간 생명이 끝나는 기준으로서 '뇌사'腦死에 대한 새로운 이론은 인간 생명의 시작에 대한 또 다른 이론,곧 전형적인 인간 대뇌피질의 발달이 인간 개체 발생의 결정적 현상이라는 주장을 부각시킨다.

   처음 몇 주 중 수정란이 자궁에 착상되기 전까지 높은 비율의 수정란 손실이 발생하는 것과 함께 출산 때까지 배아 및 태아의 높은 사망률을 인정한다고 할 때,

또 한가지 간과 할 수 없는 사실은 전혀 인간적인 활동을 할 수 없는 무뇌아(무뇌아의 특징은 뇌의 중요한 부분들이 없는 것이다.)가 생기는 경우도 드물지 않다는 것이다.

한 개인의 생명은 의식,자기 성찰,사고와 자유로운 의사 결정 등을 통해 인간으로서의 본질과 실체를 더욱 명확히 드러낸다고 할 수 있다.

인간의 의식은 필연적으로 대뇌피질에 그 기반을 두고 있다.

고생물학과 인류학의 중요한 발견에 따르면,

사람과 동물을 구별해주는 대뇌피질의 엄청난 비약이 일어날 때가 인간화의 결정적 순간이었다는 것이다.

인간화 없이 인간 개인의 특성이나 활동에 대해 말하는 것은 상상할 수 없는 일이다.

   이 이론에서 매우 중요하게 제기되는 질문은 "생물학적 조건의 발전과 인간 생명으로서 예상되는 발전 없이 그저 움직인다고 해서 한 사람의 인간이 될 수 있는가?"하는 것이다.

방금 전까지 논의했던 이론은 대화적 존재로서,

초기 원인과 상징으로서 착상의 순간을 지지하지만,이 이론은 살아있는 육체와 활동하는 정신 혹은 정신적인 원리 사이의 놀라운 일치에 기초한다고 볼 수 있다.

정신은  육체보다 선재先在하지 않는다는 것이 이 이론의 일반적인 확신이다.

곧 "인간은 육체적으로 대뇌피질의 최소한의 발달 없이 단순히 영적 원리로서만 존재할 수 있는가?"라는 질문이 제기되는 것이다.

이 질문은 육체 안에 그리고 육체를 통해 존재하는 적어도 현재의 삶에서는 오로지 육체와 함께 존재하는 인간으로서 인격의 시작과 관계된다.

그렇기 때문에 이 이론은 대뇌피질이 모든 인격의 상징이며,인간활동의 핵심기관이라는 사실을 강조하면서 인간 생명의 시작에 대한 논의의 출발점으로 삼는다.

   인간의 전형적인 대뇌피질이 기본 구조가 발달되기 시작하는 시기는 수정 후 15일에서 40일 사이인데,이것을 완전한 형성의 시기라고 할 수는 없다.

이 기간 중 특히 15일에서 25일 사이에는 아직도 수많은 발달 부전不全이 일어나는데,

이는 보통 모체의 배아애 대한 자연스런 거부로 이어지기도 한다.

이런 경우 인간의 개체 발생은 성공하지 못한 것처럼 보이기도 한다.

모체가 무뇌아를 계속 보지保持하며 영양을 공급하는 일은 매우 이례적인 일로서 그 비율은 1/1000정도라고 한다.

   또 다른 사례도 매우 흥미롭다.오늘날에는 인체의 살아 있는 세포를 저장하는 일은 물론 세포를 계속해서 유사분열시킬 수 있는 기술이 매우 발달되었다고 한다.

이러한 기술을 통해서 볼 때 인간 생명의 중추 같은 것은 분명히 찾아볼 수 없으며 단지 생물학적 중추만 있을 뿐이다.

그것이 없다면 세포들은 살아 있거나 계속해서 발달할 수 없을 것이다.

이렇게 양육되는 세포들로부터 인간의 모든 유전자를 발견할 수는 있겠지만 개체화는 발견할 수 없다.

   이외에도 또 한 가지 살펴볼 수 있는 것은,

인간 뇌의 상부구조에 최대 10분 동안 산소 공급이 중단되는 경우 생물학적인 생명을 유지하려고 한다면,

인공호흡을 통해 뇌의 하부구조는 재생될 수 있다 하더라도,대뇌 중심의 활동상실은 회복되지 않는다는 것이다.

거기에는 더 이상 의식 있는 생명은 없는 것이다.

우리는 어느 시점에서 '뇌사'를 말할 수 있겠는가?그래서 제기되는 질문은 다음과 같다.

"인간의 전형적인 대뇌피질의 형성 이전에 아직 인간적이고 개체적인 원리가 결핍된 단순히 생물학적인 중추만 존재한다고 말할 수 있겠는가?"

   인간 대뇌피질의 기본 구조는 정상적으로 수정 후 약 15~25일(늦어도 40일)사이에 어느 정도의 윤곽을 갖추게 된다.

8주가 되면 뇌의 활동을 감지할 수 있게 되고,12주까지는 뇌의 구조가 완성된다.

수정 후 25일 혹은 적어도 40일 이후가 되면 이미 발달되기 시작한 대뇌피질의 구조에는 질적 발달보다도 양적 발달이 크게 일어난다.

수정 후 25~40일 사이와 또한 생명의 첫 한 해 동안에는 대뇌피질의 놀라운 발달을 볼 수 있지만,

자궁 내 생활의 3~12주 사이에 형성된 뇌의 기본 구조에 더 이상 자기 초월이나 도약은 없다.

출산 후 약 1년이 지난 아이에게서는 자아의식과 또 다른 특징의 정신적 특성을 채워줄 회백질灰白質의 양적 발달을 볼 수 가 있다.

태어난 지 며칠 또는 몇 주 된 유아乳兒에게서는 진기하게도 인간 인격체의 표현으로서 약간의 미소를 짓는 것도 볼 수 있다.

   과학자들은 반복해서 대뇌피질 형성 과정에서의 질적 도약을 계통발생系統發生과 비교한다.

그러나 이 둘은 같은 것이 아니며,근본적인 차이가 있다.

배아 또는 태아의 개체발생,즉 전형적인 인간 대뇌피질의 발달은 의심할 여지없이 상당한 자기 초월과 놀라운 도약을 가져다주자만,

각각의 포배는 비록 언제나 성공적인 발달을 기대하지 못하는 것임에도 불구하고 자연적인 경향에 따라야 한다는 것은 어쩔 수 없이 받아들여야 한다.

그러나 계통발생은 전혀 반대이다.계통발생에서는 오랜 역사에 의해 준비된,그리고 하나님께서 의도하신 아주 특별하고도 예상을 뛰어넘는 도약이 있을 수 있기 때문이다.

   "인간으로서 영적 정신은 태아 발달의 말기에나 가서야 가능하게 된다."는 이론이 타당하다고 가정한다면 이는 수정란과 영적 생명의 원리를 지닌 인간 생명의 발달 사이에는 아직 인간이라고 할 수 없는 일정한 생물학적 기간이 있다는 것을 의미한다....이러한 경우 우리는 그러한 계체발생이 인간적 계통발생과 정확하게 상통한다고 말할 수 있을지고 모른다.

이 두 가지 사례 모두에서 볼 수 있는 것은 아직 인간이라고 할 수 없는 한 유기체가 복합체를 형성해가고 나아가 영적 영혼의 실재를 지지해줄 생물학적 기반을 형성해가는 과정이라고 할 수 있을 것이다."

   살아 있는 육체 안에 내재하는 인격적 존재는 영적 생명 원리의 기반이라고 할 수는 있지만,

그것을 대뇌피질의 발달에만 의존하게 된다면 단순히 인간으로서 어떤 가능성을 보여주는 것처럼 여겨지게 된다.

만일 그렇다면 적어도 25~40일 사이 대뇌피질이 형성되기 이전의 배아는 아직 인간 인격체로 고려될 수 없다고 감히 말할 수 있겠는가?

그러나 현재로서 이러한 가설은 단지 앞으로 더 신중한 토론을 위한 여지를 제공하는 한 의견에 지나지 않는다.

이 점에 대해 굳이 내 자신의 분명한 견해를 밝힌다면,

나는 대뇌피질의 발달에 의존하는 인간화에 대한 이론이 배아에게서 인간 생명의 기본 원리를 박탈할 어떠한 근거도 제공해주지 못한다는 점을 분명히 하고 싶다.

   소수의 프랑스 과학자들과 윤리학자들에 의해 제기된 새로운 이론은 태아가 어머니에 의해 수용되지 못하는 한 생물학적으로는 '인간 생명'이지만 아직은 '인간화된 생명'이 아니며,

따라서 인격체로서의 특성과 권리가 결여되어 있다는 점을 시사한다.

그러나 이러한 주장이 오류라는 것은 뻔하다.

만일 그렇다면 그들의 이론을 그대로 따른다면 낙태 역시 배아를 생명으로 인정하기를 거부하는 상황에서는 얼마든지 정당화될 수 있기 때문에 살인이 아니라는 주장과 전혀 다를 바가 없다.

이런 식의 '나 -너-인격주의'는 받아들일 수 없다.

4백여 년 전 출산하다 고통 속에 죽은 조선 시대 양반집 산모의 생생한 미라가 발견돼 화제를 불러일으킨 적이 있다.

경기도 파주시 교하읍 파평 윤씨 묘역에서 2002년에 미라가 발견된 것이다. 이 미라의 주인공은 문정왕후의 종손녀. 부검 결과 미라의 태아는 머리가 질 입구까지 내려와 있었고 산모의 자궁은 파열된 끔찍한 상태였다. 자그마한 몸집의 이 여성은 출산의 고통 속에 아기와 함께 인생을 마감한 것이다.

요즘에는 이렇게 목숨을 걸고 출산하는 여성이 없다. 하지만 옛날에는 미라가 된 윤씨처럼 죽어간 산모와 태아가 부지기수였다. 20세기 초에만 하더라도 우리나라의 유아 사망률은 4명 중 한 명 꼴이었다. 출산 과정에서 죽는 것까지 합치면 거의 절반 가량이 세상에 태어나 걷지도 못하고 죽은 것이다.

우리는 흔히 출산의 고통을 당연한 일로 받아들이지만 동물의 출산은 사람보다 훨씬 수월하다. 고통스런 출산은 지난 수백 년 동안 인간이 원숭이에서 사람으로 진화하는 과정에서 두뇌가 커져 생긴 부작용이다. 인간은 두뇌가 커지면서 고도의 기술을 만들고, 추상적 사고 능력과 언어 능력을 키워 복잡한 사회 생활을 할 수 있게 됐지만 그 부작용도 만만치 않았던 것이다.

인간은 같은 몸 크기의 포유류에 비해서는 두뇌의 크기가 6배나 크며, 가장 가까운 친척인 침팬지나 고릴라에 비해서도 3배가 크다. 인간은 머리 큰 기형적 생물체인 셈이다. 인간은 머리가 그렇게 크지 않았던 숲 속의 원숭이 시절에는 누가 도와주지 않아도 외진 곳에서 혼자 아기를 낳을 수 있었다. 침팬지는 골반이 크고 아기의 머리가 작기 때문에 출산이 쉽다. 게다가 침팬지는 산도에서 빠져 나올 때 아기와 엄마가 서로 얼굴을 마주보는 자세로 나오므로 엄마가 자신의 두 손으로 아기의 머리를 잡아당겨 빼낼 수 있다.

하지만 250만～180만 년 전 사람(Homo)속의 영장류인 인간이 출현해 두뇌가 급팽창하기 시작하면서 출산의 고통은 갈수록 커졌고 누군가가 옆에서 도와줘야 아기를 낳을 수 있게 됐다. 세계 어느 문화권이나 조산원이 그 사회에서 중요한 역할을 해온 것도 바로 이 때문이다.

사람의 아기는 큰 머리로 자궁경부를 압박해 열고 나온 뒤 머리를 옆으로 돌려 모체의 골반 뼈를 통과하므로 아기를 잡아 뺄 수 없다. 이런 상황에서 아기를 자기 손으로 무리하게 잡아 빼면 척추나 목을 다치게 할 가능성이 크다. 아기는 임신 9개월이 되면 골반 개구부의 산도를 통해 머리부터 나온다. 산도를 비집고 나오는 아기의 머리는 0.5∼1㎝나 찌그러질 만큼 큰 압력을 받는다.

지난 300만 년 동안 인간의 뇌는 무려 3배나 커졌다. 반면 골반은 오히려 좁아졌다. 네 발로 걷던 원숭이가 직립보행을 하면서 다리와 다리 사이가 좁아진 것이다. 서서 배와 히프를 지탱하려면 두 다리 사이가 점점 좁아져야 한다는 것은 간단한 물리 법칙으로도 이해할 수 있다. 골반이 좁아지면서 아기가 나오는 골반의 개구부도 따라서 좁아졌다. 갈수록 커지는 뇌, 좁아지는 골반 때문에 생겨난 출산의 부작용은 상상을 초월하는 것이었다.

1993년 침팬지와 인간의 뇌를 비교해 발표한 미국 노틀 데임 대학의 제임스 맥케나 박사는 만일 다른 동물처럼 태아가 충분히 성숙한 상태에서 세상에 나온다면 임신 기간이 21개월은 되어야 한다는 사실을 알아냈다. 뱃속에서 9달, 태어나서 12달을 합쳐 21개월이 되어야 아기는 겨우 혼자서 걷기 시작하고 뇌도 어느 정도 성숙하기 때문이다.

태어난 아기의 뇌는 만 한 살이 될 때까지 뱃속 태아와 똑같은 빠른 속도로 성장하다가 비로소 성장이 둔화된다. 세상에 어떤 영장류도 이처럼 특이한 뇌 성장 패턴을 가진 동물은 없다. 그래서 앨런 워커와 팻 쉽맨은 1996년 뼈의 지혜에서 인간이 고등한 지적 존재로 진화할 수 있었던 결정적인 요인은 뇌의 75%가 출산 뒤에 크는 특이한 성장 패턴을 갖게 됐기 때문이라고 주장하기도 했다.

인간과 뇌 - I'm the Brain!!

Scientific American 'Intelligence'(Nov.1998) 표지에서

흔히들 인간의 가장 큰 특징을 들라하면, '창조'를 이야기한다. '만물의 영장'으로서의 인간.

이것을 가능케 한 것은 무엇일까? 과연 무엇이 인간활동을 전영역 즉, 인식,사고, 판단 등의 동적인 의식활동과 다양한 감정, 행동 그리고 더 나아가 고차적 정신세계까지도 담당하는 것일까? 이에 대한 가장 적절한 답은 아마도 '뇌(Brain)'가 될 것이다. 바로 뇌가 있기에 인간을 인간답게 하는 것이다.  인간의 뇌는 비록 우리 몸무게의 2%(약1.5kg)가량에 지나지 않고, 신문지 한 장 정도의 표면적, 그리고 한 되 정도의 부피밖에 안된다. 하지만, 인체가 사용하는 총에너지의 70%이상을 소모하는 뇌로 말미암은 무궁무진한 창조력과 상상력은 인간과 다른 생물을 구분짓는 유일한 가치기준이 된다.

우리의 정신과 마음, 행동, 성격이 뇌로부터 나온다는 점은 모두 인정하고 있는 사실이 되었다. '사람은 곧 그 사람의 뇌다'라는 말도 그래서 일리가 있다 하겠다.

    Brain mapping?

단지 신경세포의 집합체이면서도 고도의 정신활동까지 총괄하는 소우주로서의 뇌는 다가오는 21세기 가장 주요한 연구 주제가 될 것은 의심의 여지가 없다. 이러한 분위기는 과학계의 여러곳에서 감지되고 있다. 창립당시(1969) 천명에 불과하던 미국 신경과학회는 1995년 회원수 2만에 도달하는하는 미국 최대의 학회가 되고 있다. 이러한 상황은 일본에서도 재현되고 있다. 무엇보다 이러한 분위기를 가장 공식적으로 드러난 사례는 1993년 미국립 건강연구소(NIH;National Institute of Health)가 발표한 'THE HUMAN BRAIN PROJECT'라 할 수 있겠다. 미국립 건강연구소(NIH)예하 미국립정신건강연구소(NIMH), 미국립약물 오남용 연구소(NIDA), 미국립노화연구소(NIA), 미국립 유아건강 및 인간발달연구소(NICH/HD), 미국립암연구소(NCI)등과 미국립 과학재단(NSF; National Science Foundation)이 2년여의 준비과정을 거쳐 'THE HUMAN BRAIN PROJECT'를 공표하게 되었다. 이 계획은, 복잡한 뇌의 기본구조와 각종 신경전달물질(neurotransmitters), 그들의 수용체(receptors)의 위치, 뇌속에 약물이 결합하는 부위(binding sites), 특정기능을 하는 부위의 정확한 위치작성은 물론  정신질환 때문에 이상이 나타난 뇌부위에 대한 연구 등 뇌와 행동에 대한 총체적인 연구와 함께, 신경과학자와 행동과학자들에게 첨단 정보처리기술을 제공하고 각종 정보의 원활한 교환을 위해 정보기술 연구과 database 구축에도 지원하기로 했다.

앞으로 20여년에 걸쳐서 진행될 'THE HUMAN BRAIN PROJECT'에서 가장 핵심이 되는 연구가 바로 '뇌지도 작성(Brain mapping)'이다. 이 뇌지도 작성에는 각종 영상기술을 망라한 정교한 첨단 전자공학 기술들이 모두 동원되어야 가능하다. 다음에서는 뇌의 일반적인 기능과 구조, 신경세포의 작용을 간략하게 알아보고, 현재까지 개발되어 주로 적용되고 있는 뇌활동 측정 원리 및 방법과 함께 그에 근거한 각 영상구성기법의 장단점을 알아보고자 한다.

II. 본 론

   뇌의 구조와 기능

뇌의 구조

인체의 신경계는 중추신경계(CNS;central nervous system)와 말초신경계(PNS;peripheral nervous system)로 나뉘는데, 뇌는 척수(spinal cord)와 함께 중추신경계에 속한다.

뇌는 크게, 가장 오래된 후뇌(hindbrain), 뇌줄기(brainstem)의 윗부분을 포함하는 중뇌(midbrain) 그리고 가장 최근에 진화된 대뇌 피질부를 포함하고 있는 전뇌(forebrain) 의 세부분으로 나누어진다.

후뇌는 크게 뇌줄기(brainstem)와 소뇌(cerebellum)로 구성되어 있다. 연수(medulla oblongata)와 뇌교(pons)로 되어 있는 뇌줄기는 5억년 이전 척수가 위로 확대 팽창하면서 형성된 것으로 이부위에는 신체의 호흡과 심장운동을 조절하는 생명중추가 있고, 외부 정보에 대해 우리 의식이 깨어있도록 유지해주는 기능을 가진다. 소뇌는 뇌줄기 뒤쪽에 있는데 평형유지, 신체운동의 미세한 조절을 담당하고 있다. 또한 단순한 학습반응을 기억하는 기능도 갖고 있는 것으로 알려져 있다.

중뇌는 수많은 신경경로에 의해 전뇌와 후뇌의 각부위를 연결시켜 준다. 인간의 경우 극히 축소되어 대뇌안의 깊숙히 자리 잡고 있다.

반면 전체 뇌의 가장 큰 부피를 차지하는 전뇌는 대뇌외에도 시상(thalamus), 망상체(reticular system), 변연계등을 포함한다. 변연계(limbic system)는 해마(hippocampus), 편도핵(amygdala), 시상하부(hypothalamus), 뇌하수체(pituitary gland)로 되어있으며, 뇌줄기 바로 위 뇌의 중하부에 고리 모양으로 위치하고 있다. 이 구조는 약 3억년에서 2억년 전에 진화 발전되었다고 하며, 기억을 저장하고, 생체의 환경을 일정하게 유지하는 기능을 갖고 있다. 체온, 혈압, 심박동, 혈당을 조절하는 기능이 여기에 속한다. 또한 음식 섭취, 싸움, 도망, 유성생식에 관계있는 감정반응을 조절한다.  특히 시상은 전뇌의 중심부에 위치하고 있으며 의식 조절과 함께, 외부로부터 대뇌로 전해지는 모든 정보를 일차로 분석 분류하여 대뇌 피질(cerebral cortex)로 정보를 중계하는 기능을 한다. 

인간의 뇌에서 가장 큰 부분인 대뇌는 두 반구로 나누어지며 각각 반대쪽의 신체를 조절한다. 이 반구는 약 3억개의 신경세포섬유들로 구성된 뇌량(corpus callosum)에 의해서 연결된다. 각 대뇌 반구는 피질로 덮여 있으며 약 2억년 전에 처음으로 우리 조상에 나타났다. 이 피질이야말로 인간을 인간답게 만드는 부위이다. 바로 이 부위를 통해 창조, 이해, 평가, 대화와 이들을 종합하는 기능을 하기 때문이다. 각 대뇌 반구의 피질은 4엽으로 나누어 지는데, 각각의 서로 다른 기능에 관여한다(Fuctional Localization). 전두엽(frontal lobe)은 계획을 세우거나 의사 결정을 하고 목적지향적 행동을 주관하는 곳이다. 두정엽(pariental lobe)각 신체 부분을 부위별로 나누어 조절한다. 후두엽(occipital lobe)은 시각 중추가 있는 부위이며, 측두엽(temporal lobe)은 청각, 인지 및 기억 기능을 담당한다.

위에서 살펴보았듯이 우리의 대뇌는 주어진 자극이 무엇인가에 따라 특정 부위가 관여하고 활성화된다. 또한 이를 처리하고 반응하는 과정에서 뇌의 여러 부위가 시공간적으로 유기적으로 연관되어 있다.

   뇌의 미세 구조와 신경세포(neuron)

대뇌 피질의 구성요소 - 신경세포(neuron)

뇌의 조직은 100억개 이상의 신경세포와 신경교세포(glial cell)로 이루어져 있는데 이들 세포는 신경조직을 이루는 구조적, 기능적 기본 단위가 된다.  기본적으로 신경세포 많은 가지를 가지고 있으며 이 가지들이 다른 신경세포와 서로 연결되어 신경회로망(neural network)을 형성한다. 가지는 신호를 수용하는 가지돌기(dendrite)와 신호를 다른 신경세포로 전달하는 축색(axon)로 되어 있다. 한 신경세포의 축색은 다른 신경세포가 연결된 부위를 연접(synapse)이라고 하는데, 이곳을 통해 신경전달물질(neurotransmitters)이 분비됨으로써, 다음 신경세포로 신경신호가 전달된다(그림 3). 하나의 신경세포는 여러 개의 연접을 이루는데 이들 여러 신호를 세포체(soma)에서 처리한다. 처리된 신호는 세포체의 axon hillock이라는 부위에서 활동전위(action potential;AP)라는 세포막 전위 펄스 형태의 신경신호로 증폭, 생성되어 축색을 통해 전달된다. 이 all or none형태의 신경신호는, 확산(diffusion)과 삼투(osmosis)현상에 의해 Na+, K+ 이온이 신경세포막의 이온통로(ion channel)를 통해 유입되고 방출되면서 세포막 전위에 변화를 일으켜  한쪽 방향으로 전달된다(그림 4). 마치 전선을 따라 전류가 흐르는 것과 같은 양상이라 할 수 있다(이부분은 저의 지난 99-1학기 탐구과제에서 정리한 바 있음).

   뇌기능 분석과 그 원리

그림 4). 연접(synapse)과  신경신호전달물질(neurotransmitters)

뇌의 기능을 분석하는 가장 간단한 방법은, 위에서 살펴 본 신경신호 전달방식을 원리로 하여 측정대상이 되는 뇌 부위에 전극(electrode)꽂고 그 전위의 변화를 살펴보는 것이다. 이 방법은 실제 동물 연구나 초기 인간의 뇌연구에 적용되었다. 하지만 이 방법은 뇌 조직에 물리적인 손상을 입힐 수 있을 뿐만 아니라, 측정 부위가 한정되므로 순서적이고 유기적인 뇌기능 연구에는 한계가 있다.

이러한 한계점을 극복하여 뇌의 각부위가 각종 자극에 대해 어떻게 반응하고 각각의 정보를 어떻게 유기적으로 처리하는지 알아내는 방법에는 여러 가지가 있는데 주로 활용되고 있는 방법은 다음과 같다.

신경 전류에 의한  electric potential을 검출하는

EEG(EletroEncephaloGraphy; 뇌전도 촬영)

신경 전류에 의한 자기장을 검출하는

MEG(MagnetoEncephaloGraphy; 뇌자도 촬영)

전자-양전자 쌍소멸에 의해 발생하는 감마선을 영상화 하는

PET(Positron Emission Tomography; 양전자 단층촬영)

신경세포활동에 의해 증가하는 산소소모량의 증가를 영상화 하는

fMRI(fuctional-Magnetic Resonance Imaging; 기능 핵자기 공명영상)

각 방법의 기본원리와 특징에 대해 살펴보자

1) EletroEncephaloGraphy; EEG 

그림 5). 2차원 EEG 조합 영상의 예

EEG는 대뇌 피질에서 발생하는 전기 활성을 분석함으로써 뇌의 기능을 측정하는 영상기술이다. 뇌의 특정 부위의 정렬된 신경세포다발이 활성화될 때 생성되는 국소적인 전류(그림 6 참조)에 의한 전기마당이 머리 표피(scalp)까지 미치는데 이것을 머리 표피에 부착한 전극을 통해 측정하는 방법이다.

전극은 금이나 은, 염화은 등의 전도성 금속으로 되어 있으며 전도성 젤(gel)을 매개로 머리표피에 부착된다. 전극에 의해 감지된 작은 전기 신호(20~100mV)는 증폭되어 그대로 보여 질 수도 있지만, 컴퓨터를 이용한 특정 영상기술에 의해 2차원 또는 3차원으로 영상화할 수 있다. 즉 많은 전극을 특정한 패턴으로 정렬 배치하여 측정한후 몽타주(montage) 기법을 사용, 조합하여 영상화하는 것이다(그림 5).

측정 자료는 다양한 주파수로 나타나는데 각각의 주파수는 각각 뇌의 서로 다른 영역과 정신활동에 따라 특징적으로 나타난다. 또한 EEG는 시간 해상력이 높아 뇌의 활성 변화를 시간에 따라 연속적으로 측정할 수 있다. 따라서 기억, 언어, 감정과 같은 인지 과정에 대한 뇌의 유기적 활성 연구를 가능케 한다.

이 방법은 1msec(10-3sec)의 시간분해능(이 값이 높을수록 전위 변화를 연속적으로 측정하는데 용이하다)을 가진다. 그러나 뇌 표피의 주름진 구조로 인해 활성화된 대뇌 피질부위로부터 전극까지의 경로가 굴절될 확률이 높아 공간 분해능(이 값이 작을수록  기능 부위의 정확한 위치를 알 수 있다)을 떨어진다. 머리 표피의 전도도(conductivity)의 다양성 또한 공간 분해능을 떨어뜨리는 한 요인이 된다.

2)MagnetoEncephaloGraphy; MEG 

뇌신경세포에서의 전류 및 자기 형성

MEG는 뇌 신경세포다발에 의해 발생한 전류에 근거한 자기마당을 측정한다(그림 6).  이 또한 머리 표피에서 자기마당을 측정하여, 뇌안에 자기원의 세기와 정확한 위치를 찾아낸다. EEG?세포 외부의 전류를 측정하는데 반해 MEG는 세포내부의 전류에 기반한 자기마당을 측정한다.

 뇌전류에 의한 자기마당 형성

자세히 알아보면, 앞에서 살펴본 바와 뇌신경세포가 활성화될 때 전류가 흐르게 되는데 이때 비오-사바르의 법칙에 따라 자기장이 생기게 된다(그림 7). 자기마당의 경우 생체 투과율이 공기에서와 거의 같기 때문에 머리 표피 밖에서도 왜곡이나 감쇄 없이 자기 마당을 측정할 수 있다. 그러나 그 세기가 지구 자기 마당의 세기의 10억분의 1이하로 매우 미약하기 때문에 이를 측정하기 위해선 고감도의 감지기와 주위에서 발생하는 자기 잡음을 없애주는 장치가 필요하다. 이것이 SQUID(Superconducting QUuantum Interference Device;초전도 양자 간섭장치)이다.

SQUID는 초전도체(superconductor)의 양자적 특성을 이용하여 작은 자기다발의 변화를 측정한다. 두 초전도체를 얇은 부도체 막을 사이로 결합시키면 이 접합 사이로 어느 정도 이상의 전류(임계전류)가 흘러야 그 전위차가 나타나는데 이를 조셉슨 효과(josephson effect)라 한다.또한 초전도체로 고리를 만들고 여기에 자기 마당을 가하여 그 내부로 자기다발이 지나도록 하면, 초전도체는 그 표면에 전류가 흘러 총 자기다발이 항상 일정한 자기다발의 정수배로만 생겨나게 한다. 이러한 현상을 초전도체 고리의 자기다발 양자화(flux quantization)현상이라고 한다. 　

SQUID의 본체는 외부 자기 흐름을 모으는 gradiometer라는 초전도체 코일(검출 고리)과 이와 조셉슨 접합되어 있는 또다른 초전도체 고리로 되어 있다. 검출 고리속에 들어가는 자기다발은 고리에 전류가 흐르도록 한다. 이때 자기다발의 크기가 어느정도 이상이 되어야 임계전류 이상의 전류가 다음 초전도체 고리에 흐르게 된다. 뇌자기다발 양자만큼의 미소한 자기다발 기울기 변화에 따라 고리의 전류가 단속되므로 자기다발의 미세한 변화를 아주 예민하게 검출할 수 있다(그림 8 <a>).  

두 개의 검출고리가 있을 경우(2차 graiometer)이는 서로 반대방향으로 전류가 흐를 수 있도록 디자인되어 있다. 측정지점에서 멀리 떨어진 곳에서 발생한 자기 잡음은 두 개 고리에 대해 거의 일정한 크기의 자기마당으로 존재하므로 출력상에는 아무런 신호가 발생하지 않는다. 하지만 한쪽 코일(검출 코일)이 자기원에 가까워지면 신호가 발생하게 된다. 가까운 검출고리에서 발생한 전류가 먼 검출고리에서 발생한 전류보다 크기 때문이다(그림 8 <b>).  

일정 크기의 자기다발이 검출고리를 통과하는 각도에 따라 그 전위가 달라진다(그림 9). 또한 자기원의 위치가 상대적으로 깊은 곳에 위치할 때 그 전위의 변화폭이 작아진다(그림 10). 전기다발 기울기가 달라지기 때문이다.

하나의 자기원에 대해 1차/2차 검출고리를 복합적으로 사용하면 보다 정교한 영상을 얻을 수 있다. 또한 EEG에서처럼 복합 검출고리를 특정한 패턴으로 정렬 배치하여 측정한후 컴퓨터를 사용하여 분석 조합하면 자기원의 위치 및 크기를 추적할 수 있는 2차원 또는 3차원 영상을 얻을 수 있다(그림 11).

MEG는 EEG와 같이 높은 시간 분해능을 가지고 있어 연속적인 기능 분석이 가능하다. 또한 뇌에 고주파나 동위원소를 전혀 가하지 않는, 원리상 수동적 측정이 행해지기 때문에 인체에 전혀 해가 없다. 무엇보다도 공간분해능이 높아 자기원의 보다 정확한 위치를 파악할 수 있게 해준다. 하지만 이러한 공간분해능은 대뇌 피질의 몇 mm에만 적용된다. 시상이나 중뇌와 같이 뇌속 깊이 위한 부위에서의 자기다발은 머리 표면에서 극히 작게 나타나 측정이 불가하기 때문이다.

자기원이 깊이에 따른 자기다발

SQUID array에 의한 측정결과에 이를 바탕으로한 2차원 영상의 예

  3)PET(Positron Emission Tomography) 

PET에서 사용되는 동시측정 시스템

PET는 MEG나 EEG와는 달리 신경세포의 전기생리학적 특징이 아닌 산소나 포도당의 에너지 대사에 기반한 영상 기술로, 뇌의 국소적 기능을 보여준다.

뉴런의 활동이 활발하면 할수록 보다 많은 에너지생성을 위해 보다 많은 포도당을 소모한다. 포도당이 뉴런내의 미토콘드리아에 의해 분해되어 연료로 쓰이기 때문이다. 결과적으로 방사성 동위원소가 첨가된(labeled) 포도당(glucose)을 뇌혈관속에 주입하면,활성화된 뇌부위에 동위원소가 집중하게 된다. PET 스캐너는 이들 동위원소의 방사선을 기록하는 것이다.

자세히 알아보면 다음과 같다. 방사성 동위원소 중 양전자(positron;positive electron) 방출 핵종은 핵 내부의 양성자 대 중성자의 비가 높은 불안정한 핵종으로서 이들은 양전자를 방출함으로써 안정화된다.

양전자는 양전자 방출체 핵종의 β+붕괴 과정에서 중성미자와 함께 일정량의 운동에너지를 가지고 방출되어 주변 물질에 있는 전자와 충돌하면서 그 에너지를 잃게된다. 정지상태에 이른 양전자는 전자와 결합하여 180°방향으로 방출하는 511 keV 에너지의 소멸 감마선으로 변환된다.

우선 물, 산소, 이산화탄소, 포도당, 아미노산, 지방산 등의 생체 에너지대사 물질에 특정 방사성원소(18F, 11C,13N, 15O등)를 표지한다. 이때 생성되는 감마선쌍은 뇌를 투과하여 머리를 둘러싸고 있는 고리 모양의 감마선 검출기에 의해 동시 측정됨으로써 방사성 동위 원소의 체내 분포에 대한 공간적 위치 정보를 얻게 해준다. 이 자료는 선상(1차원)의 위치만을 말해 주지만 마주보고 있는 검출기를 여러 각도로 배치함으로써 2차원 평면상에 위치를 재구성할 수 있다. 또한 여과후 역투사 기법을 이용하여 주위의 잡음을 제거한다.

방출되는 감마선이 생체를 구성하는 원자들?충돌하여 산란되거나 생체내부의 깊숙한 곳에서 소멸해 버릴 경우 그리고 생체 대사물질의 대사활동(metabolism)이 지속적으로 진행되어 버리는 경우, 그 정확한 위치를 추적할 수 없으므로 PET영상은 상대적으로 낮은 공간 분해력을 갖는다. 또한 감마선 검출기에는 불응시간이라는 것이 있다. 이는 이전에 검출기에 도달란 감마선 광자가 분석되고 기록되는 동안 다른 감마선 광자가 도달해도 처리할 수 없는 시간간격을 말하는데 이로 인해 스캐너의 대상영역내에 많은 양의 감마선이 방출되면 불응시간이 증가하여 스캐너의 시간 해상력 뿐 아니라 공간해상력 또한 낮아진다.

 PET 영상의 예

4)fMRI(Magnetic Resonance Imaging) 

우선 기본원리를 알기 위해 MRI부터 살펴보고자 한다.

*MRI(Magnetic Resonance Imaging)

 

양성자의 스핀과 세차운동

 

 

 

정자장이 가하지 않을 때 가했을 때 양성자의 스핀운동

양성자(proton)와 중성자(neutron)로 구성되어 있는 원자핵은 스핀과 자기모멘트를 갖고 있다. 일반적으로 스핀 축은 제멋대로 배열하고 있지만 일정방향으로 자기마당을 걸어주면 스핀축은 열적평형을 위해 자기마당의 방향으로 정렬하면서 υ= rHo/2π의 주파수로 세차 운동을 한다(그림 14). 이와 같은 세차운동을 라머 세차운동(Lamrmor precession)이라고 하며, 이때의 주파수를 라머 주파수( υ;Lamrmor freq.)라고 한다. 또한 식에서의 r은 물질의 자기 모멘트에 의해 결정되는 핵종 고유의 상수 이다. 식을 통해 라머주파수는 걸어준 자기마당(정자장;Ho)의 크기에 비례함을 알 수 있다. 

그런데  뇌안에서 외부 자장에 따라 세차운동을 하는 특정 원자핵은 수없이 많이 존재하게 되는데, 일정방향의 정자장하에서 이들의 총 자기모멘트는 각각의 핵의 자기모멘트의 총벡터합 형태로 나타난다(그림 15<b>) 즉 뇌의 특정 부위의 MR신호의 강도는 각각의 핵의 밀도에 함수로 관계지을 수 있다.

MRI에서 사용풔?수소원자의 핵은 스스로가 양성자이며, 하나로 짝을 이루지 못한다. 여기에 정자장이 가해지면 양성자의 스핀 양자수에 근거하여 두가지 에너지 준위를 갖는다. 이 때 이 두 에너지 준위차에 해당하는 주파수(라머주파수와 일치)의 RF를 쪼여주면  이것을 양성자가 흡수하여 낮은 에너지 상태에서 높은 에너지상태로 들뜨게 된다. 이를 공명 흡수라고 하며 이러한 현상이 바로 핵자기 공명이다.  이때 RF를 끊어주면 높은 에너지 준위에 있던 양성자가 흡수한 만큼의 에너지를 방출하면서 다시 낮은 준위로 돌아오게 되는데 이를 이완(relaxation)이라고 한다. 이때 방출되는 에너지 신호를 포착하고 이완시간을 차별화함으로써 MR신호를 검출한다.  이는 이완하는데 걸리는 시간이 정자장의 크기와 비례하는 성질을 이용하는 것이다.

MRI시스템은 크게 정자장 발생장치, shimming coil, gradient coil, 그리고 RF(Radio frequency) coil로 구성된다. 정자장 발생장치는 보통 높은 자기마당을 발생시켜 높은 해상도의 영상과 높은 시간 분해능을 가능케 하는 초전도 자석(super conductive magnet)방식이 많이 쓰인다.  RF coil은 고주파의 발신과 생체에서의 MR신호를 수신하기 위한 코일이다. shimming coil은 정자장 내부에 위치하여  낮은 자기 마당을 만들어 냄으로써 정자장의 비균일성을 부분적으로 보정하는 역할을 한다. gradient coil은,  MRI에서는 2차원 또는 3차원 영상을 구성할 수 있도록 하는데, 우선 관심 대상이 되는 단면을 선택한 후 양성자를 라머 주파수와 일치하는 RF고주파로 가하여 자기공명 현상이 일어나도록 한다.  그러나 gradient coil을 이용하면 정자장의 세기를 일정간격으로 변화시킬 수 있다. 선택된 단면의 수소 원자핵의 라머주파수에 해당하는 공명 주파수를 가해주면 해당 단면의 수소 원자핵만이 공명을 일으키게 되는 것이다. 그런데 여기서 z방향의 한 단면에만 특정 크기의 이때 발생하는 라머주파수는 정자장의 세기와 비례하므로  만일 정자장의 세기가 모두 같다면 인체 모든 부분의 양성자가 같은 라머주파수로 공명하게 되므로  공명원의 위치를 파악할 수 없게 된다공명주파수를 가해주었다면 로 그 위치를 정확히 알 수 없을 것이다. x와 y방향에도 같은 방법을 취하면 뇌의 어느 한 부분에서의 특정 위상과 주파수를 알 수 있게 되는 것이다. 이 MR신호를 분석 변환으로 처리하여야 각각 위치에서 나오는 신호강도를 분리할 수 있게 되어 공간상에서의 위치와 그 크기를 알 수 있게 되는 것이다.결과  MRI는 상당히 높은 공간 분해능을 갖게 되었다. 하지만 이러한 특징은 단점도 된다. 뇌활동에 직접 연관된 신호 역시 작을 경우 이것이 주위환경에 의한 잡음과 구별되지 않기 때문이다. 그밖에 다른 단점으로,  정자장에 의해 정렬하는 과정에서 뇌안에 이를 방해하는 물질이 확산될 수 있는 것이다. 이러한 물질의 확산은 온도나 조직 구조등 주변환경의 조건에 따라 그 정도가 결정되므로 어느 정도의 보정은 가능하지만 자기 공명신호의 강도를 감소시킬 수 있다. 이는 fMRI의 측정 기본원리가 되기도 한다.

 MRI 3차원 영상의 예

* fMRI(fuctional-Magnetic Resonance Imaging)

fMRI영상의 예

fMRI는 기본적으로 MRI와 기본원리를 같이 한다. 다른 점이 있다면 MRI의 경우 물분자내의 수소원자 자체의 자기적 성질을 영상화하지만 fMRI는 혈액의 주성분인 hemoglobin에 결합하는 산소원자의 흐름과 양을 반영한다는 것이다.

신경세포가 활성화될 때 연료 산화를 위해 산소를 소모한다. 따라서 특정 뇌부위가 활성화될 때 그 부위에 산소 밀도가 감소하게 된다. 그러다가 일정시간이 지나면 부족된 산소를 공급하기 위해 모세혈관이 평시 수준이상으로 부풀 정도로 혈액이 몰린다. 그런데, 혈액의 주성분이 되는 hemoglobin은 산소를 함유할 때와 함유하지 않을 때 그 자기적 성질이 다르다. 산소를 함유하지 않은 hemoglobin은 상자성적(paramagnetic)인 성질을 갖고 있다.

보통 전자의 자기적 효과로 인해 원자 전체가 자기쌍극자 모멘트를 갖게 되고, 이 역시 정자장이 걸리면 자기장 방향으로 정렬하게 된다. 그러나 분자 구조에 따라 이들은 원자의 진동운동으로 인해 분자를 이루고 있는 원자들 사이에 충돌이 일어나, 애써 이뤄졌던 원자들의 자기 모멘트 정렬은 파괴되는 경우가 있다. 이러한 성질을 상자성이라고 하며 이때 만들어지는 총 자기모멘트는 작은 값을 가진다. 결국 상자성체에 있어 정렬을 위해 큰 자기마당이 필요하지만,정렬을 깨뜨리는 일은 쉽게 일어난다.

산소를 갖고 있지 않는 hemoglobin 역시 MR신호를 만들어내는 수소원자에 위와 같은 영향을 끼쳐 수소원자의 자기모멘트를 깨뜨리고 따라서 그 MR신호를 약화시킨다. 반면 산소를 함유하는 hemoglobin은 수소원자에 별다른 영향을 끼치지 않아 원래 강도의 MR신호가 나오도록 한다. 결과적으로 활성화되어 산소가 많이 몰린 뇌부위와 그렇지 않은 부위는 차별화된다. 이처럼 fMRI는 BOLD(Blood Oxygen Level Dependence)효과에 기반하여 hemoglobin의 자기적 성질을 이용한다.

위에서 살펴 보았듯이 fMRI는 산소 소비에 따른 뇌의 기능적 영상을 제공한다는 점에서 해부학적 구조만을 보여주는 MRI와는 다르다. 하지만 기본적으로 같은 원리를 공유하므로 fMRI 또한 높은 공간 분해능을 갖고 있음은 당연하다. 그리고  PET처럼 방사성 동위원소를 주입해야 하는 위험을 감수하지 않아도 된다.

하지만  fMRI는 신경세포의 활성을 직접적인 방법으로 영상화하는 것이라기보단 산소 요구에 대한 혈관계의 반응을 보여준다. 혈관계의 반응은 동일속도로 진행되지 않아 fMRI영상을 부정확하게 하는 한 요인이 된다. 시간 분해능이 떨어지는 것이다. 또한 뇌의 정맥은 복잡한 구조를 이루고 있어 이미지 처리과정에서 혈관과 혈액이 혼동되어 나타나는 경우가 있다. 이 경우  MRA(Magnetic Resonance Angiography)라는 방법을 사용하여 혈관만을 이미지한 후 fMRI영상에 비추어 중복 부위를 보정한다.  

  현재 뇌기능 분석에서의 문제점과 해결

각종 뇌영상기술의 시/공간 분해능

인간의 뇌를 조사하기 위한 다양한 영상화 기법은 크게 구조영상화(Structural Imaging)기법과 기능영상화(Functional Imaging)기법의 두 부류로 나눌 수 있다. 구조영상화 기법은 뇌의 모양을 보여주는 반면, 기능영상화 기법은 뇌의 어느 부위가 어떤 기능을 수행하는지 또 , 각 부위의 활성이 어떤 순서로 일어나는지에 대한 조사에 사용된다. 지금 현재 구조영상화기법은 MRI로 말미암아 뇌의 구석구석을 매우 세밀하게 그려내는 수준에 까지 이르게 되었다. 그러나 현재까지 우리의 뇌 기능에 대한 지식은, 영장류의 기능적 해부나 우연한 사고를 당한 머리외상 환자에 의한 실험에 의존해 왔다. 이것이 시공간 차원에서 그리 정확치 않은 기능 영상을 제공하는 것은 두말할 나위 없다.

또한 우리의 뇌는 주어진 하나의 자극에 대해서만 반응하는 것은 아니다. 일상적으로 주어지는 자극에 대해서도 끊임없이 반응하기 때문이다. ERP(Event-related Potentials;뇌신경에 발생한 생체전위)외에 일종의 잡음이 생기는 것은 바로 이러한 까닭이다. 소위 Inverse Problem이란 이렇게 신경신호가 유일성을 획득하지 못하여 발생한다.

이들 문제를 해결하기 위해 사용하는 가장 일반적인 방법은 특정 자극에 대한 반응을 여러번 반복 측정한후 통계적인 방법을 바탕으로 컴퓨터를 이용하여 잡음을 제거하고  AEP(Averaged Evoked Potentials)를 검출하는 것이다. 통계적인 방법외에도 영상기술에서 기술적 처리(예를 들어 MEG에서 3차 이상의  gradiometer, EEG에서의 3차 전극 등)를 통해 소음을 제거한다. 더 나아가 각 기술을 결합하여 재영상화함으로써 특정자극에 대한 반응 및 처리부위를 보다 정확하게  mapping할 수 있다(그림 19).

III. 결 론 

MEG와 MRI를 사용하여 손가락자극 담당 뇌부위를 mapping한 예

앞으로의 뇌연구

신경세포가 신경계의 가장 기본단위가 됨을 안 것은 불과 100여전의 일이다. 이전까지 알고 있던 우리의 뇌 기능에 대한 지식은 영장류연구나 머리외상환자등에 의존하여 뇌의 적절한 의미를 제시하지 못했다. 지금 현재에 있어서도, 수십 년전부터 태동한 과학기술의 발달에 따라 뇌의 신비가 벗겨지기 시작했다고는 하지만 부족한 점이 많이 있다.

그렇다면 우리에게 남아있는 과제는 무엇인가? 많은 난제가 산적해 있겠지만 그중에서도, 뇌를 포함한 신경계의 진화 및 발생과정, 신경회로망의 작동메커니즘, 그리고 마음(mind)의 의미등이 가장 어려운 과제가 될 것이다. 특히 인간의 감정, 의지 ,동작, 심상, 사고, 언어, 의식, 학습, 기억 등과 같은 인지 기능의 메커니즘은 마음을 생물학적으로 이해하기 위해 선결되어야 할 과제로 보인다. 인간의 고차원적 인지과정은 앞에서도 살펴보았듯이 대뇌의 피질에서 주로 수행되고 있고,  뇌지도 작성 이에 중점이 맞춰져 수행되고 있는 경우가 있다(그림 20).

인지과정(그림 이름짓기)에서, 각 뇌부위에서의 뇌자기의 변화(MEG+MRI)

뇌를 진정으로 이해하기 위해서는 분자 단계부터 행동 및 인지의 단계에 이르기까지 다양한 정보의 통합이 요구된다. 그러나 각 단계마다 정보가 폭발적으로 증가하고 전문화되어 각 단계별 연구자들이 뇌에 대한 통합적 시각을 유지하는 것이 불가능하다. 그러므로 뇌연구에서는 학제간 연구가 필수적이다. 이에 따라 분자 신경생물학, 행동신경과학, 계산신경과학 등 새로운 분야를 포함하는 신경과학의 영역은 계속 확장되고 있다. 분자생물학에 의해 분자수준에서 일어나는 뇌의 기능이 지속적으로 밝혀지고 있다. 특히 계산신경과학은, 뇌를 입출력 연산을 수행하는 컴퓨터로 보고 신경계의 정보처리 기능을 모델링하는 분야로, 컴퓨터과학의 발전과 함께 뇌연구의 핵심 분야로 떠오르고 있다. 최근에는 근본적인 돌파구를 마련하기 위해서 생물학 뿐만 아니라 수학, 물리, 공학 등에서의 정량적 도구, 기본적 이론, 그리고 전산과학 및 인공지능 분야에서의 정보처리 등과 관련된 개념들을 통합하는 새로운 패러디임이 형성되고 있다. 고도의 정신활동까지 총괄하는 소우주로서의 뇌는, 이렇게 여러 의미에서, 다가오는 21세기 가장 주요한 연구 주제가 될 것이다.

   요약

인간의 뇌는 단순히는 신경세포의 집합체 일뿐이지만 인간활동을 전영역 즉 호흡, 수면과 같은 기본적인 생명활동에서부터 고차적 정신세계까지를 담당한다. 이러한 뇌의 기능은 국소화되어 있다. 뇌의 특정 부위가 특정한 기능을 수행한다는 것이다. 이전까지 우리의 뇌 기능에 대한 지식은 영장류연구나 머리외상환자등에 의존하여 뇌의 적절한 의미를 제시하지 못했다. 그러나 생물학, 물리학, 컴퓨터 과학의 발전에 따라 인체영상기술이 발달함에 힘입어 현재 뇌의 보다 정확한 해부학적 기능을 알기 위해 뇌지도작성(brain mapping)이 시도되고 있다. 현재 이 연구활동과정에서 사용되는 주요 뇌영상기술로는 신경 전류에 의한  electric potential을 검출하는 EEG(EletroEncephaloGraphy; 뇌전도 촬영), 신경 전류에 의한 자기장을 검출하는 MEG(MagnetoEncephaloGraphy; 뇌자도 촬영), 전자-양전자 쌍소멸에 의해 발생하는 감마선을 영상화하는 PET(Positron Emission Tomography; 양전자 단층촬영) 그리고 신경세포활동에 의해 증가하는 산소소모량의 증가를 NMR현상에 근거하여 영상화하는 fMRI(fuctional-Magnetic Resonance Imaging; 기능 핵자기 공명영상)이 있다. 각 방법은, 제각기 다른 원리에 기반한 장점과 단점을 갖고 있지만 각 방법간의 복합적용이나 과학과 기술의 진보로 보다 정확한 뇌지도 작성에 공헌하고 있다. 고도의 정신활동까지 총괄하는 소우주로서의 뇌는 다가오는 21세기 가장 중요한 연구 주제가 될 것이다. 생물학, 의학, 심리학, 물리학, 컴퓨터 공학등 각 학문간의 유기적인 발달은 도모함은 물론, 더 나아가 미래 인류 생활의 진보에 크게 공헌할 것이기 때문이다. 

“이론들은 오고 가지만 개구리는 변함없네” 인간과 원숭이와 RNA (6) 2010년 03월 26일(금)

미르(miR) 이야기 “인간의 특징을 유전학적 시선으로 바라보는 작업을 잠시 멈추고, 산의 중턱쯤에서 잠시 쉬어가는 것도 좋을 듯 하다. 분자생물학적 설명들은 독자들의 뇌를 즐겁게 하는 것이 아니라 오히려 슬프게 한다는 것을 필자는 잘 알고 있다. 분자들은 눈에 보이지도 않고, 우리의 일상에서 어떤 비유를 찾기도 어려운 그런 무미건조한 대상이기 때문이다. 하지만 원숭이는 조금 다르다. 과학의 대상이 분자에서 원숭이로 옮겨가기 시작하면, 독자들의 관심도 따라서 증가한다. 인간의 두뇌는 일상생활에 관계되는 것에 더 주의를 기울이도록 진화했는지도 모른다. 그런 성향을 가진 조상들이 더욱 많은 자손을 퍼뜨렸을지도 모르겠다. 책을 읽는 것보다 텔레비젼을 보는 게 쉽듯이, 염색체니 RNA니 하는 골치 아픈 존재들보다는 원숭이나 인간에 대한 과학이 우리의 흥미를 끄는 것도 당연하다. 권위와 사랑 심리학의 실험들 중엔 대중들에게 널리 알려진 것이 많다. 스탠포드에서 행해진 스탠리 밀그램(Stanley Milgram)의 ‘권위에의 복종 실험’, 영화로도 만들어진 필립 짐바르도(Philip Zimbardo)의 ‘스탠포드 감옥 실험’은 아마 가장 널리 알려진 종류일 것이다. 밀그램과 짐바르도는 일련의 실험들을 통해 우리의 행동이 환경에 의해 얼마나 쉽게 영향을 받는지를 보여주었다1. 마치 성악설을 지지하는 것처럼 보이는 스탠포드의 두 심리학 실험은 나치의 악몽과 겹치면서 가끔 우리의 희망을 짓밟곤 한다. 하지만 하나의 실험으로 우리의 운명이 결정되는 것은 아니다. 인간의 잔인성을 보여주는 위의 두 실험들과는 반대로, ‘사랑’을 주제로 한 유명한 실험도 있다. 붉은털원숭이를 대상으로 수행된 ‘엄마기계’라는 실험은 태어나자마자 어미에게서 고립된 새끼 원숭이가 철사로 만들어진 우유병을 가진 엄마보다, 천으로 만들어진 엄마에게 더욱 집착한다는 사실을 보여주었다2. 이 실험을 수행한 해리 할로우(Harry Harlow)는 원숭이의 학습실험을 연구하는 도중에 우연히 발견한 아이디어로 스타가 되었다. 그는 원숭이들이 질병에 걸리지 않도록 하기 위해서 태어나자마자 어미에게서 분리시켜 키웠는데, 이 원숭이들이 수건에 집착한다는 사실을 발견했다. 이 조그만 천조각이 없으면 새끼원숭이들은 대부분 살아남지 못했다. 그리고 그 유명한 ‘엄마기계’가 새끼원숭이들에게 주어졌다. 새끼원숭이들은 모두 털로 뒤덮인 엄마기계를 선택했다. ‘사랑의 본성’을 우리에게 알려주던 할로우 박사가 실은 자상한 아버지가 아니었다는 사실은 논외로 하자3. 어린 원숭이들에게 우유보다 중요한 것은 수건이었다. ▲ 서열화는 서구의 나쁜 지적전통이기도 하지만 우리의 원초적인 본능이기도 하다. 이 그림을 보면 인간의 두뇌에 대한 조금은 비서열화된 이미지를 얻을 수 있을 듯 하다. 인간의 두뇌는 크기로도, 주름의 정도로도 절대 최고가 아니다.  이론과 실험 프로이트에게서 유래한 ‘3대 혁명론’이 있다. 물리학에서의 코페르니쿠스와 생물학에서의 다윈, 그리고 심리학에서의 프로이트가 과학사에서의 3대 혁명이라는 이론이다. 자기자신의 업적을 혁명이라고 칭한 것도 재미있지만, 많은 사람들이 이 말을 프로이트가 했다고 생각하지 않는다는 점도 재미있다. 과학의 혁명론은 참 많은 이들에게 영향을 미쳤는데, 심지어는 스티븐 제이 굴드도 고생물학의 ‘깊은 시간’의 발견을 제4의 혁명이라고 불러야 한다고 주장했다. 프로이트 이후 혁명에 도취된 학자들은 ‘제 4의 혁명’을 찾기 위해 혈안이 되어 있었다. 하지만 에른스트 피셔의 말처럼 “과학에서 혁명들은 큰 소리를 내지 않4”는다. 시간이 흐른 뒤에 역사가들이 그 결과들을 혁명이라고 요란하게 포장할 뿐이다. 프로이트의 무의식 연구는 과학자들에게는 비과학적인 이론으로, 인문학자들에게는 일종의 성배로 추앙 받는 묘한 위치에 놓여 있다. 프로이트의 정신분석학 전통을 물려받은 라깡의 이론은 이제 사회를 분석하는 만능칼처럼 사용되기도 한다5. 프로이트의 무의식은 인간의 성욕과 폭력성을 설명하는 도구로, 우리를 조용히 지배하는 본능의 충동으로 대중의 마음 속에 각인되어 있다. 프로이트의 이론은 참으로 많은 것들을 설명하는데, 물리학에서조차 통일장 이론이 여전히 요원한 꿈이라는 점을 생각하면 참 대단한 일이다. 인간의 본성을 설명하는 것으로도 모자라 이젠 사회의 정신병리학까지를 아우르고 있는 정신분석학을 바라보면, 실증적 과학의 경계를 넘어선 학문들은 참으로 쉽고 편하게 세상을 설명하는 것 같아 부러운 마음이 들 지경이다. 필자가 오랜 시간 동안 거닐던 포항공대 생명과학과의 한쪽 귀퉁이에는 “이론들은 오고 가지만 개구리는 변함없네(Theories come and theories go. The frog remains)”라는 문구가 새겨진 개구리상이 놓여 있었다6. 실험실의 과학자들은 프로이트처럼 용맹하지 못한 것인지도 모른다. 몇 가지 실험으로 세상을 발칵 뒤집고 대중의 마음을 사로잡는 심리학과 동물행동학의 실험들은 오히려 사정이 나은 것인지 모른다. 같은 실험이라도 전문적이고 난해한 연구들, 대중과 언론의 관심을 끌지 못하는 연구들은 곧 잊혀지게 마련이다. 실증주의란 참 중요하지만 답답한 연구방법이다. 토마스 쿤과 같은 과학사학자는 한 걸음씩 확실한 지식을 쌓아나가는 과학자들을 그저 퍼즐을 푸는 답답한 일개미들로 묘사해버렸다. 혁명은 뉴턴이나 아인슈타인이 만드는 것이며, 그 외의 모든 과학자는 조연일 뿐이다. 일반화의 유혹이야 과학자라면 누구나 겪는 딜레마일진데, 오늘도 개구리를 연구하는 학자들은 개구리를 설명하기 위해 노력할 뿐이다. 프로이트처럼 멋진 이론은 개구리를 연구하는 학자들의 것이 아니다. 막스 베버가 인종차별주의자였던 것과 하이데거의 나치 전력은 관용될 수 있는 것이고, 우생학자들은 처벌되어야 하는 것이다. 삼중뇌(Triune brain)의 진실 이론은 오고 간다. 따라서 이론에 편중된 과학의 전통엔 언제나 일반화의 오류가 존재한다. 일반화의 오류야 설명이 되지 않는 현상을 예외로 치부하면 그 뿐이지만, 해당 이론이 제대로 된 실증적 연구에 기반하고 있지 않다면 그건 큰 문제가 된다. 인간의 두뇌가 세 개의 층으로 구성되며, 각각은 인류의 진화과정을 보여준다고 말하는 ‘삼중뇌 이론’도 그 중 하나다. 당장 구글이나 네이버의 검색창에 ‘파충류 뇌’라는 검색어를 입력해보자. 아마 대중에게 뇌과학을 쉽게 소개하는 웹페이지들이 검색될 것이다. 그리고 그 웹페이지들에는 영어 표기조차 제대로 되어 있지 않은 ‘폴 맥클린(Paul D. MacLean)’이라는 학자의 이름이 나타날 것이다. 그리고 다음과 같은 설명이 등장한다(마크린이 바로 맥클린이다. 원어 발음에 충실하자는 영어 표기법을 따르자면 그렇다) 이번 시간은 다소 지루할 지도 모르겠습니다만, 폴 D. 마크린이라는 대뇌생리학자에 대한 이야기를 하겠습니다. 그는 '인간의 뇌는 신의 실패작이다.'라고 말했습니다. 인간의 뇌가 인간다운 것은 대뇌신피질이 발달한 결과인데 인간의 뇌에는 파충류의 뇌와 하등 포유류의 뇌가 공존하고 있기 때문이라는 것입니다. 그는 계속해서 이렇게 말합니다. '그래서 인간은 이성과 본능의 상극 때문에 괴로워 한다.' 다음 그림이 마크린의 3층 뇌 모델이라고 불리는 것으로 그는 인간의 뇌를 다음과 같이 분류합니다. 1. 파충류의 뇌: 수면, 먹는 것, 성(性) 등의 기본적인 생명활동을 담당한다. 일명 '악어뇌'라고도 한다. 2. 고대 포유류의 뇌: (주로 외적으로부터 몸을 지키기 위해서) 시각, 청각, 취각에 의해서 받아들인 정보를 처리한다. 일명 '말 뇌'라고도 한다. 3. 신 포유류 뇌: 이성, 지성, 논리적인 사고를 담당한다. 일명 '사람 뇌'라고도 한다7.. 맥클린이 제시한 삼중뇌의 정확한 명칭은 위에서 소개된 것보다 조금 더 복잡한데, 각각 전파충류뇌(Protoreptilian brain), 원시포유류뇌(Paleomammalian brain), 그리고 신포유류뇌(Neomammalian brain)이다8. 맥클린의 이론은 간단 명료하고 이해하기 쉽다. 우리의 뇌는 진화과정에서 한 겹씩 쌓아 올려진 것이고, 따라서 가장 오래된 파충류의 뇌는 본능과 같은 원시적인 기능을 담당하고, 가장 최근에 더해진 신 포유류의 뇌는 이성이나 지성과 같은 현대적인 기능을 담당한다는 것이다. 마치 독일의 발생학자 헤켈에 의해 만들어진 ‘계통발생설’을 연상시키는 맥클린의 이론은, 뇌에 대해 조금만 관심을 가지게 된 이들이라면 반드시 거치게 되는 일종의 상식처럼 통용되고 있다. 그런데 신피질이 논리적 사고를 담당하는 인간의 뇌라면, 좌뇌는 논리적인 사고를, 우뇌는 감성적인 사고를 담당한다는 또 다른 상식은 어떻게 통합되어야 할까? 좌뇌와 우뇌를 신피질에 국한시킨다 하더라도, 맥클린이 감정중추라고 단정지었던 포유류뇌가 신피질에 존재해야 한다는 아이러니가 남는다. 하지만 영재교육을 홍보하는 이들에 의해서 확고한 정설처럼 굳어진 좌뇌와 우뇌의 구분9도 실은 그다지 신빙성 있는 이론은 아니니 따지는 것은 그만두도록 하자10. 단순하게 세상을 설명하는 이론일 수록 대중과 언론의 사랑을 받는다. 두뇌의 기능을 파충류, 말, 인간으로 명쾌하게 잘라버리는 건 얼마나 유쾌한 일이며, 두뇌를 반으로 갈라 논리와 감정을 영역별로 나누어 버리는 건 또 얼마나 신나는 일인가. 세상이 그렇게 단순하다면 과학자들은 별로 할 일이 없을지도 모른다. 하지만 세상은 복잡하고, 인간의 두뇌도 인류의 진화과정도 생각처럼 단순하지 않다. 과대광고의 해악 칼 세이건(Carl Sagan)이라는 천문학자를 모르는 이가 있을까. <코스모스>라는 불후의 저서로, <콘택트>라는 영화로, 칼 세이건은 우리 곁에 우뚝 서 있다. 딱딱한 과학을 대중에게 전달하는 데 있어 세이건이 기여한 바는 잊혀질 수 없다. 아마도 칼 세이건의 영향으로 우리나라의 교양과학도서 시장도 성장하지 않았을까? 칼 세이건은 <에덴의 용: 인간 지성의 기원을 찾아서>11라는 작품도 썼다. 바로 이 책에 맥클린의 삼중뇌 이론이 소개된다. 그 뿐만이 아니다. 과학이 우리나라에서 대중적 관심을 받게 되는 1970~80년대에 신과학운동이라는 이름으로 전개된 조류가 있었다. 프리초프 카프라(Fritjof Capra)의 <현대 물리학과 동양사상>과 함께 선풍적인 인기를 끌었던 에릭 얀치(Erich Jantsch)의 <자기조직하는 우주>12라는 책에도 맥클린의 이론은 버젓이 정설인 것처럼 소개되고 있다. 참 재미있는 일이다. 슈뢰딩거의 <생명이란 무엇인가>에서 나타나는 타분야에 대한 몰이해13가 정확히 똑같이 반복되어 있으니 말이다. 각각 천문학자와 화학자가 인간의 지성에 대해 야심 차게 저술한 책들엔 당시에도 비판이 끊이지 않았던 맥클린의 삼중뇌 이론이 당당하게 자리잡고 있다. <이기적인 유전자>를 읽고 "유전자란 이기적이기 때문에 나는 유전자가 싫다"라고 주장하는 사람이 있다고 해서 그 사람을 나무랄 일도 아니다. 대중서를 통해 공개되는 학자들의 이론엔 언제나 공허함이 존재하는 법이다. 조직화된 다른 학문에 조심스럽게 접근하는 것도 중요한 문제다. 하지만 과대광고가 위험한 것처럼 유명한 학자들에 의해 잘 포장된 책들이 대중에게 오해를 불러일으키는 것도 문제다. 맥클린의 삼중뇌가 상식처럼 퍼지게 된 기저에는 세이건이나 얀치히 같은 학자들의 과오가 있다. ▲ 폴 맥클린의 '삼중뇌'이론은 유혹적이다. 우리의 뇌는 진화과정에 따라 세개의 층으로 구성되며 가장 원시적인 것에서부터 현대적인 것으로, 가장 하등한 것에서부터 고등한 것으로 구획되어 있다. 게다가 프로이트의 예지력은 대단해서 이드, 에고, 수퍼에고의 분류법과도 딱 맞아 떨어진다. 하지만 이러한 단순함에는 함정이 있다.  삼중뇌 이론의 오류 맥클린의 삼중뇌에 아무런 근거가 없는 건 아니다. 실은 맥클린의 이론은 아주 오래된 뿌리를 가지고 있다. 감정을 다루는 두뇌의 영역이 어디인가를 두고 벌어진 오래된 논쟁이 삼중뇌 이론의 출발점이 된다. 1937년, 제임스 파페즈(James Papez)라는 미국의 신경해부학자는 고양이의 뇌에 래비스 바이러스(rabies virus)를 주사해서 ‘파페즈 회로(Papez circuit)’라는 감정의 중추 회로를 밝혔다고 주장한다. 두뇌의 각 영역이 하나의 기능을 가지고 있다는 생각은 당시의 과학자들을 사로잡고 있었다. 언어중추를 발견한 폴 브로카(Pierre Paul Broca)에 이르러 만개한 이러한 사고방식은 프란츠 조셉 갈(Franz Joseph Gall)이라는 18세기 말의 인물이 창시한 골상학(Phrenology)까지 거슬러 올라가는 오랜 전통을 가진다. 갈의 이론도 단순하다. 갈은 "인간의 심리적인 특성은 독립된 여러 개의 기능으로 나눌 수 있으며 각 기능은 대뇌 표면의 각 부위에 일정하게 배위(配位)되며 각 부위의 크기는 그 곳에 자리한 심적 기능의 발달 정도를 나타내므로 대뇌를 둘러싼 두개골의 형상에서 그 밑에 있는 대뇌 부위의 요철을 알 수 있으며 인간의 심리적 특징을 짐작할 수 있다"14고 주장했다. 파페즈의 감정중추를 둘러싼 뿌리 외에도, 맥클린의 이론은 러시아의 유명한 발생학자 폰 베어(Karl Ernst von Baer)에게도 빚지고 있다15. 폰 베어가 비슷한 생각을 제안한 것은 1828년의 일이다. 맥클린의 이론은 단순히 신경해부학만을 다루고 있는 것이 아니다. 그의 이론은 진화과정 속에서 인간의 두뇌가 새로운 기능을 획득한다는 비교해부학까지를 아우른다. 따라서 그의 이론이 지지되려면, 정말 우리의 두뇌가 진화과정 속에서 한 층씩 두뇌를 쌓아 올렸는지가 실증적 연구로 지지되어야 한다. 그리고 각 단계마다 새로운 구조가 탄생해야만 한다. 진화의 대부분이 자동차의 땜질을 수리하듯이 진행된다는 것은 논외로 치더라도, 맥클린의 이론은 원시포유류뇌에만 존재해야 할 해마(hippocampus)가 조류에서도 발견된다는 것만으로도 기각될 수 있다. 맥클린의 이론에 따르면 포유류의 조상에서 새로 나타난 편도체(amygdala)는 파충류에는 존재할 수 없지만, 많은 학자들은 편도체에 해당하는 두뇌 부위가 파충류에 존재한다고 말한다16. 요약하자면 맥클린이 포유류에게서만 나타난다고 주장했던 부위들이 실제로는 파충류와 조류 모두에서 나타난다는 뜻이다. 게다가 맥클린이 포유류와 비포유류로 나누어 지나치게 단순화한 행동양식들조차 실제로 그렇게 단순하지 않다는 것이 밝혀지고 있다. 사회생활을 하는 두뇌는 포유류에게만 존재하는 것이 아니라 조류, 파충류, 양서류뿐만 아니라 심지어 어류에게도 존재한다. 존재의 대사슬과 프로이트 맥클린의 이론은 이미 폐기처분된 헤켈의 ‘계통발생설’을 연상시킬 뿐 아니라, 고대 그리스로까지 소급되는 ‘존재의 대사슬(Great chain of being, scala naturae)’의 재탕이기도 하다. 굴드가 서양의 나쁜 지적 전통 중 하나로 꼽았던 ‘서열화’의 화신인 ‘존재의 대사슬’은 미생물, 식물, 동물, 인간, 천사와 신을 수직선상에 배열한다. 존재의 대사슬에 시간 개념을 더하면 진화를 진보로 오해하는 이론이 탄생한다. 가장 단순한 것에서부터 가장 복잡한 것으로의 선형적 진보를 진화라고 착각하게 된다는 뜻이다. 맥클린에게 있어 신포유류의 뇌는 가장 진보된 것이고, 파충류의 뇌는 가장 하찮은 것이다. 그래서 무뇌아라는 말이 있는 것인지도 모르겠다. 감정은 하찮은 것이고, 이성은 고귀한 것이다. 그래서 맥클린에 따르면 인간에게 가장 중요하고 유일한 것은 이성이 된다. 맥클린의 삼중뇌 이론을 보고 즉시 프로이트를 떠올린 독자들이 많을 것이다. 프로이트의 ‘원초아(Id), 자아(Ego), 초자아(Superego)’는 맥클린의 '파충류 뇌, 고대 포유류 뇌, 신 포유류 뇌'와 기가 막히게 맞아 떨어진다. 프로이트를 연구하는 학자들이 기뻐한 것도 무리는 아니다17. 프로이트의 이론이 물질적 기반을 갖추게 되었으니 기쁨이 더할 나위 없이 컸을 것이다. ▲ 김우재 UCSF 박사후연구원  맥클린의 이론이 틀렸다면 생물학적 기반을 갈구하던 프로이트 연구자들의 바람도 바람처럼 사라질 테지만 -그리고 이미 언급했듯이 맥클린의 이론은 사태를 지나치게 단순화했다. 맥클린의 이론을 수정한다면 프로이트의 이론도 수정되어야 한다. 하지만 프로이트 연구자들이 경전에 손을 댈 것 같지는 않다- 진정 놀라운 것은 적어도 맥클린을 있게 해준 수 많은 선대 신경해부학자들의 노력을 뛰어넘는 프로이트의 예지력이다. 만약 프로이트를 과학자라고 생각하는 독자가 있다면, 그래서 프로이트처럼 위대한 과학자가 되고 싶다면 실험은 필요 없다. 사색하고 독서하고 또 사색하도록 하자. 그래서 몇 개의 이론을 체계화시켜 후대에 어떤 성실한 과학자들이 그 이론에 실증적 토대를 갖추도록 격려하는 것이다. 생각해보면 이미 수 천년 전에 데모크리토스가 원자론을 예견하지 않았던가. 그래서 우리는 데모크리토스를 위대한 과학자의 반열에 올려야 하는 것 아닌가. 개구리는 오늘도 실험실에서 조용히 알을 낳는다. 1. 스탠포드라는 공간에서 행해진 저 유명한 실험들을 조금 더 자세히 알고 싶은 독자들은 번역되 저자들의 책을 통해 이를 접할 수 있다. 스탠리 밀그램의 <권위에의 복종>과 필립 짐바로드의 <루시퍼 이펙트>는 모두 번역되어 있다. 2. 이 실험결과를 담은 논문은 처음에는 The Nature of Love (1958) - Harry Harlow, American Psychologist, 13, 573-685 라는 제목으로 출판되었고, 이듬해 사이언스지에 다시 실렸다. Affectional responses in the infant monkey; orphaned baby monkeys develop a strong and persistent attachment to inanimate surrogate mothers. HARLOW HF, ZIMMERMANN RR. Science. 1959 Aug 21;130(3373):421-32. 3. <매드 사이언스 북: 엉뚱하고 기발한 과학실험>, 레토 슈나이더, 2008. 4. <과학을 배반하는 과학>, 에른스트 피셔, 2007, p59 5. 굳이 예를 들지 않겠다. 라깡을 모르면 바보가 될 정도로, 대한민국의 인문학은 라깡의 이론을 과학으로 포장하고 있다. 6. 사이언스온, [수첩] “이론은 변하지만 개구리는 변함없네”, 오철우, 2010.01.22 7. http://www.amusementkorea.co.kr/class/gamecol/1-8.htm 폭넓고 깊게 진화하는 게임 디자인: 맥클린의 이론을 아주 자세하게 설명하고 있는 웹사이트도 많다. 예를 들어http://kr.blog.yahoo.com/mossben2002/1161 뇌의진화. 인공지능 연구자들에게는 꽤나 유명한 다음 웹사이트에도 맥클린의 이론이 실려 있다. http://www.aistudy.co.kr/physiology/brain/brain_definition.htm 뇌란 무엇인가? 8. MacLean, Paul D. (1990). The triune brain in evolution: role in paleocerebral functions. New York: Plenum Press. 9. 예를 들어 조선일보의 다음 기사를 보자. [안진훈의 교육비타민] 좌뇌 '쓰는' 교육해야 창의성이 커진다. 조선일보, 연세대 책임교수 '아이머리 바꿔야 성적이 오른다'저자. 2008.09.01 10. 예를 들어 다음 웹페이지를 참고할 것. http://blog.daum.net/glnara/15851252 11. 오랫동안 절판상태였던 이 책은 최근 재출간되었다. 에덴의 용: 인간 지성의 기원을 찾아서, 원제 The Dragons of Eden: Speculations on the Evolution of Human Intelligence (1977, 2006), 칼 세이건, 사이언스북스, 2006 12. 자기 조직하는 우주:새로운 진화 패러다임의 과학적 근거와 인간적 함축, 에리히 얀치, 범양사, 1989; 다음 논문을 참고해도 좋다. Erich Jantsch, Sociobiological and sociocultural process: a non-reductionist view, Journal of Social and Biological Systems, Volume 2, Issue 1, January 1979, Pages 87-92. 13. 이에 관해선 필자의 다른 글을 참고. 사이언스 온, [연재] 파리방의 분투: ‘첫 유전자 배열’의 전설을 이루다, 김우재, 2010.02.26 14. 한글 위키피디아 '골상학' 페이지 15. Carl Ernst von Baer on the study of man and nature, Arno Press (New York), 1981, Edited by William Coleman. 16. Butler AB, Hodos W (2005). Comparative Vertebrate Neuroanatomy. Evolution and Adaptation. 2a. Edição. Hoboken: John Wiley & Sons. 17. Sci Am. 2004 May;290(5):82-8. Freud returns. Solms M; 당연히 반박이 뒤따랐다. 과학자들은 바보가 아니다. Sci Am. 2004 May;290(5):89. Freud returns? Like a bad dream. Hobson JA.

김우재 UCSF 박사후연구원 | korean93@postech.ac.kr 저작권자 2010.03.26 ⓒ ScienceTimes   어떤 기능을 보다 정밀하게 강화하기 위하여 진화됨 없었던것이 새로 생겨난 것이 아니라 있었던 것을 더 자세하게 만들어냄 교육정책을 담당하는 교육부에 그 기능을 더 잘하게 하기위해 자문위원회나 트별팀을 짜듯이

두뇌에 대한 집착은 대부분 틀렸다 인간과 원숭이와 RNA (8) 2010년 04월 21일(수)

미르(miR) 이야기 인간이라는 종의 특징을 유전학적으로 해부하려는 학자들의 노력은 때론 지나친 단순화와 외삽으로 마무리된다. 흔히 환원주의적 접근이라 불리는 분자생물학과 유전학의 해부학적 연구방식의 끝엔 언제나 몇몇 유전자만이 덩그러니 놓이고 만다. 그렇다고 해서 인간을 인간답게 만드는 유전적 특성이 무엇이냐고 묻는 일이 무의미한 것만은 아니다. 오히려 그 대답을 찾는 과정에서 우리는 인간이 가진 특징을 더 잘 이해하게 될지도 모른다. 그리고 과학은 스스로 오류를 극복해 나가는 유일한 학문이다. 과학자들은, 아니 유전학자들은 인간의 지위에 대한 질문에 대해서도 그렇게 잘 해나가고 있다. 고전유전학의 한계 단일 유전자들을 대상으로 한 오래된 접근법이 염색체의 결손이나 중복과 같은 좀 더 거시적인 관점에 의해 극복될 수 있다는 것은 이미 언급했다. 인류만이 가진 표현형과 연관되어 있다고 발표된 많은 유전자들이 이러한 염색체 수준의 거시적인 변화 속에 포함되어 있을 것이다. 사실 "단 하나의 유전자가 인간의 진화에 결정적인 기여를 했다"라는 것만큼 무모한 주장도 없다. 이는 과학자들의 시각이 좁기 때문으로만 설명될 수 있는 것이 아니다. 유전학자들이 단일 유전자에 인류의 진화라는 거대한 현상을 연결시키려 했던 이유는 유전학이 발전해 온 과정과 무관하지 않다. 유전자의 돌연변이로 인해 나타나는 다양한 돌연변이들이 보고되어 있다. 예를 들어 가장 치명적이고 극적인 유전병은 헌팅턴 무도병이다. 헌팅틴이라는 단백질에 일어난 작은 돌연변이가 헌팅턴 무도병의 유일한 원인이다. 환경적 요소는 고려의 대상도 되지 않는다. 모건의 파리방에서 발달한 고전유전학은 이러한 관점을 더욱 공고히 하는 계기가 됐다. 초파리들의 모든 유전자에 돌연변이를 만들 수 있었고, 돌연변이를 통해 유전자의 기능을 연구하면서, 유전학자들은 진화와 인류에까지 그 관심의 폭을 넓힐 수 있었다. 고전유전학에는 하나의 유전자와 그 유전자를 둘러싼 소수의 유전자들을 연구하는 방식 외에 다른 기술은 존재하지 않았다. 비록 환원주의적인 연구방법이라고 비판을 받았지만, 그들에게 다른 식으로 생각할만한 도구는 주어지지 않았다. 과학자들은 할 수 있는 한계 내에서 자연을 분해하고 이해한다. 그것이 과학자들에게 주어진 도구적 제한이다. 인류의 표현형적 특징 인간과 침팬지의 유전체를 모두 해독해서 전체적인 비교를 해보면 생각보다 많은 유전학적 차이를 발견하게 될지도 모른다. 인간과 침팬지의 유전체 염기서열의 차이가 생각보다 적으니 많으니 말들은 많지만, 유전자 발현의 수준에서는 아주 작은 차이가 큰 차이를 만들어내기 때문이다. 예를 들어 조절 유전자의 발현을 통제하는 프로모터 부위에 생긴 돌연변이는 인트론에 생긴 돌연변이와 질적으로 다르다. 따라서 인간과 유인원의 차이를 이중나선의 염기서열 속에서만 찾으려는 노력은 무모하고, 경우에 따라서는 기껏해야 연구의 시작을 알릴 수 있을 뿐이다. 따라서 한 유전자, 혹은 유전자의 발현과 인간의 지위를 연결하기 위해서는 표현형에 대한 고려가 필수적이다. 단순히 인간의 두뇌에서 유인원의 두뇌보다 많이 발현되는 유전자라고 해서 중요하다고 단정지을 수 없는 것이다. 그 발현량이 반드시 표현형과 직접적인 연관관계에 있을 때에만 우리는 해당 유전자가 인류의 진화에서 중요했을 것이라고 이야기할 수 있다. 유전자에 일어나는 많은 돌연변이가 중립적이기 때문이기도 하지만, 진화를 이야기할 때에는 어쩔 수 없이 적응적 진화를 고려해야 하기 때문이기도 하다. 표현형에 집착하던 오래 전 진화종합의 선구자들이 쓸데 없는 고민을 한 것만은 아니다. 질병에 해당하는 유전자를 찾기 위해서는 오랜 경험을 가진 의사들의 세밀한 진단이 필요하듯이, 인류를 유인원과 갈라놓은 유전자를 찾기 위해서는 인류가 지닌 독특한 표현형을 세밀하게 분류하는 일도 중요하다. 다시 한번 환원론과 전일론은 조우한다. 과학을 지속시키기 위해서는 두 관점 모두가 중요하다. 인류의 특징: 두뇌 인간의 특징을 이야기할 때 당연히 가장 먼저 거론되는 것은 두뇌다. 확실히 인간의 뇌는 크다. 그리고 진화론에서 흔히 거론되는 것이 '대뇌화(encephalization)'라는 현상이다. 대뇌화란 몸의 체적에서 두뇌가 차지하는 비율을 의미한다. 흔히 대뇌화를 통해 호미니드의 진화과정에서 피질로 많은 기능이 이동되었고 이는 자연선택의 결과라고 설명된다. 다윈도 오랑우탄이나 침팬지에 비해 인간의 대뇌화가 절대적인 우위에 있고, 이를 통해 인간의 정신적인 능력을 설명할 수 있다고 믿었다1. ▲ 인간의 우월함을 꼭 두뇌에서만 찾아야 할까? 정말 큰 차이들은 인간의 손에, 피부에, 몸에 존재하는 것인지도 모른다.  하지만 현대 인류의 행동양식들이 나타나기 시작한 것은 호미니드의 대뇌화가 현재에 이르기 십만 년 전의 일이다. 즉, 대뇌화로 인해 현대 인류의 행동학적 특성들이 나타났다고 보기엔 무리가 있다는 뜻이다. 더불어 골상학 연구자들의 수많은 노력에도 불구하고 두뇌의 크기와 인지능력 사이에는 그다지 뚜렷한 상관관계가 나타나지 않았다. 대뇌화는 진화론의 역사에서 지나치게 강조되었다. 대뇌화에서 조금 더 발전한 전두엽의 크기로 인류의 특징을 구분 지으려는 시도도 의심받고 있는 실정이다2. 크기에 대한 집착은 과학, 특히 생물학의 발전에서 언제나 시도되었고 또 도전 받아온 실패의 역사다. 오히려 두뇌의 특정영역을 유전학적 차이와 연결시키려는 노력이 성과를 얻고 있다. 즉 언어를 담당하는 영역, 예술이나 수학적 능력과 관계된 다양한 영역, 계획을 담당하는 전두엽의 특정 부분에 대한 연구에서 많은 유전학적 성과들이 도출되고 있다3. 많은 이들이 주목하고 있지는 않지만, 일차 감각과 관련된 두뇌의 영역들에서 인간과 침팬지의 큰 차이가 나타난다는 연구결과도 있다. 정신, 언어, 사회 사회적 지각능력, 즉 사회적 지능과 관련된 인간의 능력과 유전체학의 연구결과도 접목되고 있다. 가장 좋은 예는 사회적 지각이 상실된 자폐증 환자들을 대상으로 한 연구들이다. 이들을 대상으로 사회적 지능과 관련된 두뇌 영역을 분석하고 이를 유전학적 비교분석으로 통합하는 노력이 진행 중이다. 유인원과 비교했을 때, 인간의 도피질(insular cortex)과 대상피질(singulate cortex)에만 집중적으로 분포하는 스핀들 뉴런(spindle cell neuron, Von Economo neuron)은 특히 관심의 대상이 된다4. 특히 이 세포들은 전두측두엽성 치매 환자5들의 두뇌에서 사라지는 대표적인 세포인데, 환자들이 사회적 지각능력을 상실하게 된다는 점을 주목할 필요가 있다. 스핀들 뉴런에 대한 연구가 인류의 특징을 모두 밝혀주지는 못하겠지만 상당히 많은 것을 밝혀줄 수 있을지도 모르겠다. 인간은 사회적 동물이고 이처럼 거대한 사회를 이루고 사는 거의 유일한 존재라고 배우지 않았던가. 언어유전자가 발견되었다고 전 세계의 언론이 흥분했던 당시, 대한민국은 2002년 월드컵으로 들떠 있었다6. 언어장애를 지닌 한 가계에 대한 조사에서 정체를 드러낸 FOXP2라는 유전자가 주인공이었고, 이 연구는 독일 막스 플랑크 연구소의 스반테 파보 박사 연구팀에 의해 수행되었다. 이후 계속된 연구와 비판에도 불구하고 FOXP2는 여전히 언어유전자로 사람들의 기억 속에 각인되어 있다. 심지어 FOXP2가 새들이 서로의 노래를 배우는 데에도 관여하며, 인간 뿐 아니라 박쥐의 계통에서도 빠르게 진화했다는 보고가 있다. 실은 언어처럼 복잡한 행동을 단 하나의 유전자로 해결하려던 노력 자체가 헛된 것이었는지도 모르겠다. 그리고 당연히 FOXP2는 언어유전자가 아니다. 기껏해야 FOXP2는 음성을 발화하는 다양한 종의 운동신경 발달에 관여하는 전사인자일 뿐이다. 인간의 언어능력을 박쥐의 초음파나 새의 지저귐, 혹은 개가 짖는 소리와 동일시해도 좋다면 FOXP2를 언어유전자라고 불러도 별 상관은 없다. 언어장애를 가진 한 가계에서 FOXP2라는 유전자가 망가져 있다는 것은 확실하다. 하지만 FOXP2가 화려하게 네이쳐지를 장식했을 때 많은 이들이 그 가계의 자손들이 정말 언어장애를 지닌 것인지, 아니면 발화에 문제가 있는 것인지에 관한 의문을 제기했었다. 같은 언어장애라 해도 인류의 특징인 보편문법 형성에 문제가 있는 것이 아니라 단순히 발화에 장애가 있는 것인지도 모르기 때문이다. 게다가 언어란 배우지 않으면 획득할 수 없는 선천적이자 후천적인 능력이다. 비록 해프닝으로 끝나가고 있기는 하지만, FOXP2의 사례는 세밀한 표현형적 분석이 전제되지 않은 유전학적 연구결과의 과잉해석이 현상을 얼마나 과격하게 단순화하는지를 보여준다. 다시 한번 말하지만, FOXP2는 언어유전자가 아니다. 인류의 특징: 몸 삼원색을 구별할 수 있는 시각능력 및 손가락에 존재하는 과도한 감각신경을 제외한다면, 인간의 감각능력은 다른 포유동물에 비해 전반적으로 퇴화되었다. 특히 쥐에서 보이는 다양한 후각과 관련된 수용체들은 인간에겐 거의 존재하지 않는다. 분명 인간은 냄새에 아주 민감한 종은 아니다. 유인원들과 비교해보았을 때 인간에게 쓴 맛을 느낄 수 있게 해주는 수용체들도 대부분 퇴화했다. 감각신경에만 국한해서 살펴보면, 인간은 눈과 손이 비정상적으로 발달한 괴물과 같다7. 도대체 이런 종이 어떻게 아프리카의 그 험한 환경에서 진화했는지는 미스테리가 아닐 수 없다. 신의 보살핌이 있었던 것일까?8 ▲ 두뇌에 집착하는 태도를 조금만 버린다면 인간과 유인원의 더 큰 차이들을 발견할 수도 있다.  두뇌에 집착하는 태도를 조금만 버린다면 인간과 유인원의 더 큰 차이들을 발견할 수도 있다. 예를 들어 인간의 피부, 특히 땀샘과 털, 가슴은 유인원과 큰 차이를 보인다. 인간의 상처 재생능력은 형편없으며 근육도 우리와 가까운 유인원들에 비해 약하기 짝이 없다. 피부와 근육은 비교유전체학을 위한 샘플 채취가 용이한 조직들이다. 연구자들이 두뇌에 집착하는 태도를 조금만 버린다면 인간을 인간답게 만드는 유전자는 피부와 근육에서 발견될지도 모를 일이다. 혹시 아는가, 인간의 피부에 그 위대함을 결정지을 단서가 존재했던 것인지 말이다. 이족보행이 인류의 특징 중 하나라는 견해도 널리 받아들여지고 있다. 하지만 이족보행이 자연스럽게 얻어지는 특징인지, 아니면 언어처럼 학습에 의해 가능한 것인지 자체가 논란거리일 뿐 아니라, 그것이 적응적이었는지도 의문이다9. 이족보행으로 인한 수많은 척추 질병들을 생각해보자. 생식과 관련된 특징들도 독특하다. 물론 아주 적응적이라는 말은 아니다. 특히 여성들은 커다란 두뇌 때문에 출산에 언제나 어려움을 겪게 되었고, 가임 기간 전에 완전히 발달하는 유방을 지니게 되었으며, 폐경기를 겪어야만 하고, 월경 중 과다 출혈로 철분부족을 호소하기도 한다. 이와 관련된 유전학적 연구는 거의 전무한 상태다. 지난 세기 유전학과 유전체학은 진일보했다. 그리고 많은 학자들이 인류의 지위를 유전학적으로 설명하기 위해 뛰어들었다. 하지만 역설적으로 우리가 지닌 표현형적 지식, 해부학적 지식의 제한에 걸려 많은 연구들이 무의미해지기도 했다. 그런 의미에서 과학은 언제나 학제간 연구 속에 존재한다. 과학의 다양한 분과를 서열화하고 한 분야만을 발전시켜보면 과학은 금방 한계에 봉착한다. 인류의 비교유전체 연구가 보여주는 역사가 남긴 교훈은 바로 그것이다. 실패를 통한 발전 살펴본 것처럼, 인간을 인간답게 만드는 것은 그토록 위대해 보이는 정신능력, 즉 두뇌 때문만은 아니다. 두뇌에 대한 집착에서 기원한 골상학은 대부분 틀렸다. 그리고 IQ로 인간을 서열화하는 못된 전통까지 확립해 놓았다. 실은 인간의 두뇌가 어떻게 특별한 것인지, 그것이 전적으로 유전적인 것인지에 대한 의문은 이제부터가 시작이다. 분명한 것은 구세대 학자들이 생각했던 것처럼 답이 간단하지 않다는 사실이다. 뇌도 몸도 모두 인간을 인간답게 만드는데 일조하는 것인지 모른다. ▲ 김우재 UCSF 박사후연구원  단일 유전자의 돌연변이를 연구하던 고전유전학의 전통은, 많은 것을 이루어냈음에도 불구하고 지나치게 현상을 단순화하는데 일조했다. 인간의 특징이 몇몇 유전자의 변화로 나타났다고 생각하는 것이 좋은 예다. 실은 과학자들은 가끔 자신들이 자연에 대해 이야기할 수 있는 한계를 넘어 발언한다. 그리고 그런 발언들은 언제나 수정되어 왔다. 말할 수 없는 것에 대해서는 침묵해야 한다지만, 과학의 발전이 보여주는 역사는 “말할 수 없는 것을 말하는 대신에 비판에도 열려 있으면 된다”라는 역설이다. 이 역설을 이해하지 못하면 과학을 이해할 수 없다. 그래서 골상학자들도, 고전유전학에 기대어 인류의 특징을 정의하려던 학자들도 무조건 비판할 수 없는 것이다. 적어도 그들은 인간에 대한 이해에 조금은 기여했다. 과학은 스스로의 오류를 수정한다. 과학은 완전한 것을 추구하지만 언제나 불완전하기 때문에 발전한다. 칼 포퍼의 말을 빌자면, 과학은 열려 있으므로 발전하는 셈이다. 그러므로 과학을 있는 그대로 이해하고, 과학의 한계를 통찰하는 사회에서 과학이 발전한다. 과학이 불완전하다는 이유로 과학연구를 탄압하거나, 과학은 위대하므로 모든 것을 과학으로 설명해야 한다고 생각하는 사회에 과학이 존재할 여지는 없다. 대한민국은 어디쯤에 서 있는지 고민해볼 일이다. 1. 위키피디아, 'encephalization' 항목 참고 2. Wood, B. & Collard, M. Anthropology — the human genus. Science 284, 65–66 (1999); Tramo, M. J. et al. Brain size, head size, and intelligence quotient in monozygotic twins. Neurology 50, 1246–1252 (1998); Bates, E. et al. Differential effects of unilateral lesions on language production in children and adults. Brain Lang. 79, 223–265 (2001); Semendeferi, K., Lu, A., Schenker, N. & Damasio, H. Humans and great apes share a large frontal cortex. Nature Neurosci. 5, 272–276 (2002). 3. Abrahams, B. S. et al. Genome-wide analyses of human perisylvian cerebral cortical patterning. Proc. Natl Acad. Sci. USA 104, 17849–17854 (2007); Sun, T. et al. Early asymmetry of gene transcription in embryonic human left and right cerebral cortex. Science 308, 1794–1798 (2005); Rilling, J. K. et al. The evolution of the arcuate fasciculus revealed with comparative DTI. Nature Neurosci. 11, 426–428 (2008) 4. Preuss, T. M., Qi, H. & Kaas, J. H. Distinctive compartmental organization of human primary visual cortex. Proc. Natl Acad. Sci. USA 96, 11601–11606 (1999); Nimchinsky, E. A. et al. A neuronal morphologic type unique to humans and great apes. Proc. Natl Acad. Sci. USA 96, 5268–5273 (1999). 5. 전두측두엽 치매의 강박적 행동과 초기 증상, J korean Neurol Assoc 18 (6) : 681~686, 2000 6. Enard, W. et al. Molecular evolution of FOXP2, a gene involved in speech and language. Nature 418, 869–872 (2002). 7. 두뇌가 아니라 손에 주목할 필요도 있다. 다음 책을 참고할 것. <손이 지배하는 세상: 정신의 부속 도구가 아닌 창조자로서의 손>, 마틴 바인만, 해바라기, 2002 8. Wang, X., Thomas, S. D. & Zhang, J. Relaxation of selective constraint and loss of function in the evolution of human bitter taste receptor genes. Hum. Mol. Genet. 13, 2671–2678 (2004); Fischer, A., Gilad, Y., Man, O. & Pääbo, S. Evolution of bitter taste receptors in humans and apes. Mol. Biol. Evol. 22, 432–436 (2005) 9. Bramble, D. M. & Lieberman, D. E. Endurance running and the evolution of Homo. Nature 432, 345–352 (2004).

김우재 UCSF 박사후연구원 저작권자 2010.04.21 ⓒ ScienceTimes

두뇌 가소성의 비밀, RNA에 달려있을까 환경의 인지조율사 RNA (3) 2010년 07월 20일(화)

미르(miR) 이야기 RNA 편집을 담당하는 효소들을 ADARs 라고 부른다. 이 효소들의 발현이 강하게 나타나는 곳은 신경계라고 알려져 있다. 특히 ADAR3이라는 효소는 두뇌에서만 발현되는 특징을 가지고 있다. 따라서 유전정보의 흐름을 RNA 수준에서 질적으로 뒤바꾸는 RNA 편집현상이 신경계에서 중요한 역할을 가질 것이라는 추측이 가능하다. RNA 편집이 학습과 같은 외부신호에 따라 두뇌의 기능을 조절할 수 있는 몇 가지 가능성이 존재한다. ▲ 영장류의 두뇌는 환경의 단서들을 포착해서 내부의 상태를 조율하는 뛰어난 가소성을 지니고 있다. 이러한 가소성을 나타내도록 해주는 분자수준의 물질은 어쩌면 RNA일지도 모른다.  첫째, 신경들간의 신호전달을 담당하는 단백질들의 아미노산을 조금 수정해서 기능을 강화하거나 약화시킴으로써 신경계의 전체적인 네트워크를 미세조절 할 수 있다. 미르가 해당 단백질들의 유전자 발현양을 조절함으로써 미세조절을 한다면, RNA 편집은 유전자의 질적 정보를 수정함으로써 기능하는 셈이다. 둘째, 미르들의 염기서열을 수정함으로써 특정 미르의 특이성을 강화하거나 약화시키는 방법으로 기능할 수 있다. 미르도 RNA이고 RNA 편집이라는 현상으로부터 자유롭지 않기 때문이다. 미르는 표적이 되는 전령RNA의 말단부위에 붙어서 단백질 번역과정을 저해한다. 미르와 전령 RNA 사이에는 염기간의 상보적 결합이 일어나는데 보통 정확히 일치하지는 않는다. RNA 편집과정은 미르의 염기를 수정해서 이 상보적인 염기결합의 특이성을 높이거나 낮출 수 있다. 셋째, 두뇌에서 기능하는 다양한 논코딩RNA들의 정보를 수정하는 것이 가능하다. 두뇌에는 단백질로 발현되지 않지만 신경계의 기능을 조절하는 다양한 종류의 논코딩RNA들이 존재하는 것으로 알려져 있다. RNA 편집과정이 그러한 RNA들을 표적으로 삼게 되면 다양한 조절 기작이 가능해진다. ADAR 효소들의 발현과 세포내에서의 위치는 다양하다고 알려져 있다. 특히 ADAR 효소들 자체도 선택적 접합과정을 통해 하나의 유전자로부터 조금씩 다른 기능을 가진 단백질들로 선택적으로 번역된다. 더욱 중요한 사실은 ADAR 효소들의 발현이 환경신호에 상당히 민감하게 반응한다는 것이다. 예를 들어, 세로토닌의 편집을 담당하는 ADAR 효소들은 외부신호에 따라 활성이 변하는 것으로 알려져 있다. 예쁜꼬마선충과 초파리, 그리고 생쥐를 대상으로 한 ADAR 효소 돌연변이 연구로 RNA 편집과정이 두뇌의 인지과정과 행동에 매우 중요한 역할을 한다는 것이 알려졌다. ADAR이 기능하지 못하면 신경퇴행이 심각하게 초래된다는 결과도 있다. RNA 편집효소의 활성이 제대로 조절되지 않으면 신경계의 발달에도 장애가 생긴다. RNA 편집과정이 환경에 민감하게 반응한다는 단서는 ADAR2 효소가 촉매부위에 IP6 혹은 파이틱 산(phytic acid)이라는 물질을 가지고 있다는 것으로부터 나온다. 파이틱 산은 식물들이 인산을 저장할 때 사용하는 반응 물질인데, 동물들은 식물의 씨앗이나 견과류 등을 통해 이를 섭취한다. 신경신호전달물질인 글루타민이나 세로토닌의 수용체들이 RNA 편집과정의 주요 표적이라는 사실도 환경의 신호를 신경계에 전달하는 RNA 편집과정의 기능을 짐작하게 해준다. 영장류의 쓰레기 DNA와 RNA 편집과정 최근 들어 알려진 사실 중 하나는 생쥐보다 인간에서 A-I 로의 염기전환이 더욱 빈번하게 일어난다는 것이다. 이러한 RNA 편집과정은 90% 이상이 Alu라는 염색체의 부위에서 발생하는데, Alu는 잘 알려진 쓰레기 DNA의 일부다. 특히 A-I 전환이 일어나는 Alu 부위는 전령RNA의 논코딩 부위인 UTR이 되는 것으로 알려져 있다. Alu라는 반복적 염기서열이 영장류의 진화과정에서 폭발적으로 증가했다는 것은 우리 염색체의 약 10%가 Alu로 이루어져 있다는 사실에서 알 수 있다. 물론 Alu의 기능에 대해서는 더 많은 연구가 필요하지만 다음과 같은 추측을 해볼 수 있다. (1) RNA 편집과정은 두뇌에서 가장 활발하며 두뇌의 기능에 매우 중요하다. (2) 인간은 생쥐보다 2배 이상 많은 RNA 편집과정을 보인다. (3) 인간에서 증가된 편집과정은 주로 Alu 부위에 집중되어 있다. 이러한 Alu 부위는 영장류에 특이적인 염기서열이다. (4) 영장류는 진화과정 중에 인지능력의 폭발적 증가를 겪었다. 따라서 영장류 진화에서 증가한 Alu 부위가 진화의 잔재일 수도 있지만, 인지 능력을 최대화하려는 일종의 적응적 선택일 가능성도 배제할 수 없는 것이다. 만약 이러한 가설이 맞다면, 호미니드의 인지능력의 향상과 Alu 부위의 비정상적인 증가, 그리고 RNA 편집과정의 연관을 우연으로 보기 어려울 것이다. 환경과의 인지조율 도구 RNA ▲ 김우재 UCSF 박사후연구원  RNA 편집과정이 수정하는 염기서열은 단백질로 번역되는 코딩 부위에만 한정되는 것이 아니다. 전령 RNA들이 지니고 있는 UTR이라는 논코딩 부위와, RNA 접합과정이 일어나기 전에 존재하는 인트론에서도 활발하게 RNA 편집이 일어난다. 이러한 부위들 중 상당수가 영장류에 특이적인 Alu 부위에서 비롯된 것이다. 따라서 RNA 편집과정이 단백질의 생화학적인 활성에만 영향을 미친다고 보는 것보다, 생화학적인 활성 뿐 아니라, 전체적인 단백질 네트워크에 영향을 미친다고 보는 것이 올바를 것이다. 특히 상당수의 미르들이 Alu 부위에 코딩되어 있고, 두뇌의 기능과 발생과정에 미르들이 중요한 기능을 담당하고 있다는 점, RNA 편집과정이 미르들을 표적으로 삼는다는 점은 RNA 편집과정과 미르의 특이성이 함께 두뇌의 기능을 미세조절하는 데 기여하고 있다는 추측을 가능하게 한다. 이러한 추측을 뒷받침이라도 하듯, RNA 편집효소가 미르의 번역과정 저해에 영향을 미친다는 결과들이 속속 발표되고 있다. 실제로 인간의 유전체에서 RNA 편집의 표적이 되는 단백질들을 조사해보면 상당수가 신경계의 발생과정이나 두뇌의 가소성과 연관되어 있다는 것을 알게 된다. 아직 많은 연구들이 필요하지만, RNA 편집과정은 환경으로부터 전해지는 신호들을 인지해서 다양한 표적들을 질적으로 미세 수정함으로써 신경계의 네트워크가 환경과 조율되는 하나의 방법으로 사용되는 것 같다. 또한 미르의 양적인 미세조절과 더불어 RNA 편집과정의 질적인 미세조절은 함께 시너지 효과를 나타내기도 한다. 두뇌의 기능이 엄청난 가소성을 보여줄 수 있는 비밀은 RNA라는 물질에 달려 있는 것인지도 모른다.

김우재 UCSF 박사후연구원 저작권자 2010.07.20 ⓒ ScienceTimes

1. 반응 형태로서의 정서

정서반응은 행동, 자율신경계 및 호르몬의 요소  세 가지 유형의 구성요소로 되어있다.

자율반응은 행동을 촉진하고, 격렬한 운동을 위한 에너지를 신속히 가동하도록 해 주며, 호르몬 반응은

자율신경계의 반응을 강화시킨다.

1) 공포

- 실험동물에 대한 연구

   편도체는 공포 또는 분노를 산출하는 상황에서 행동, 자율신경계 및 호르몬 반응을 조직화한다.

   편도체는 모성행동을 포함한 생식과 관련된 생리학과 행동에 대한 페로몬의 효과에 관여한다.

   편도체는 12개의 영역들로 분할되는데, 이들은 각각 몇개의 하위영역들을 포함한다.

   그 중 다섯개의 주요 영역들을 보면,

  * 내측핵(medial nucleus) : 감각입력을 수용하여 내측 기저전뇌와 시상하부에 정보를 전달하는

               몇개의 하부핵들고 구성된다.

  * 외측핵(lateral nucleus) : 일차감각피질, 연합피질, 시상 및 해마로부터 정보를 받는다.

               또한 복측 선조체와 전전두피질영역에 투사하는 시상의 배내측핵을 포함하는 뇌의 다른

               부위들로 정보를 보낸다.

  *  중심핵(central nucleus) : 정서반응의 다양한 요소들의 표현에 관여하는 시상하부의 영역들,

                중뇌, 뇌교 및 연수와 신경적 연결을 갖는다.

  * 기부핵(basal nucleus)와 부기부핵(accessory basal nucleus)

  # 고전적 조건형성 : 중립적 자극에 따라 어떤 반응을 자동적으로 유발하는 자극이 오면 발생한다.

- 인간에 대한 연구

  편도체가 인간의 정서반응에 관여한다. 이 연구들은 뇌의 부위, 예를 들면, 시상하부에 대한 자극이

  공포와 불안과 관련된 자율신경계 반응들을 발생시켰으나, 편도체가 자극되었을때에만 사람들이

  실제로 두려움을 느꼈다고 보고하였다.

 * 편도체의 손상은 사람들의 정서반응을 감소시키며, 기억에 대한 정서 효과를 방해하였다.

2) 분노, 공격성 및 충동통제

공경행동은 종 특수절인데, 즉 움직임의 형태는 동물이 유전자에 의해 프로그램 되어 발달하는 신경회로에

의해 조직화된다. 대부분의 공격적 행동은 생식과 관련이 있다.

- 실험동물 연구

  ① 공경행동의 신경 통제 : 동물이 공격을 하거나 또는 방어를 하기 위해서 하는 특정 근육운동은 뇌간에

       있는 신경회로에 의해 프로그램 되어 있다. 뇌간회로의 활동은 많은 다른 종 특수의 행동들에도 영향을

       주는 시상하부와 편도체에 의해 통제되는 것 같다.

  ② 세로토닌의 역할 : 세로토닌성 시냅스의 활동이 공격성을 억제함을 시사한다. 전뇌에서 세로토닌성 축색의

        파괴는 공격적 행동을 촉진한다.

- 인간에 대한 연구

  ① 세로토닌의 역할 : 세로토닌성 뉴런이 인간의 공격성에 대해 억제적 역할을 한다.

  ② 복측 전전두피질의 역할 : 전전두피질은 복잡한 사회적 상황의 정서적 중요성을 재인하고 그런 상황에서

       우리의 반응들은 조절하는 데 중요한 역할을 한다. (안와전두피질은 전두피질의 기저부에 위치한다.)

  # 복측 전전두피질의 역할은?

    학습되거나 학습되지 않은 자동적 정서반응에 관여하는 뇌 기제들과 복잡한 행동의 통제에 관여하는 뇌

    기제들 사이의 인터페이스로서 역할을 한다. 이 역할은 우리의 행동을 안내하는 데 있어서 정서반응을

    사용하는 것과 다양한 사회적 상황에서 정서반응을 통제하는 것을 포함한다.

 * 편도체의 활동 증가는 부정적인 정서를 나타내는 경향성의 증가를 반영하고 전전두피질의 활성화 감소는

   정서를 조절하는 능력의 감소를 반영한다.

 * 북측 전전두피질은 분노와 폭력을 초래하는 정서반응을 포함하는 우리의 정서반응들을 조절하고 통제하는

   능력에서 결정적인 역할을 한다.

2. 정서의 전달

인간을 포함한 많은 종의 동물들은 몸짓의 변화, 얼굴 표정 및 비언어적 신호에 의해 서로 정서를 전달한다.

1) 정서의 얼굴 표정 : 선천적 반응

* Charles Darwin(1872/1965) : 정서표현들이 선천적이라는 결론을 내림.

  -  인간의 정서표현이 다른 동물과 유사한 표현으로부터 진화하였다고 시사하였다.

  -  정서표현이 복잡한 운동의 집합으로 구성되는 선천적이로 학습되지 않은 반응이라고 하였다.

* Ekman & Friesen(1971, 1980) : 얼굴의 정서표현이 선천적인 종 특유적인 유형의 얼굴 근육운동을 사용하는

     다윈의 가설을 확인해 주었다.

* Woodworth & Schlosberg(1954, 1971) : 문화 간 비교연구와 눈이 먼 아이들에 대한 연구는 선천성을 확인해준다.

2) 정서 전달의 신경적 기반 : 재인

- 정서재인의 편재성 : 우리는 다른 사람들의 감정을 시각과 청각에 의해 재인한다.

                                 우반구가 좌반구보다 정서의 이해에서 더 중요한 역할을 한다.

                                 순수단어농들도 말의 어조에 의해 표현된 정서를 확인하는 데 곤란을 겪지 않았다.

- 편도체의 역할 : 편도체는 정서의 재인에서도 어떤 역할을 할 수 있다.

                          편도체의 손상은 목소리의 통에서 정서를 재인하는 능력에 영향을 미치지 않는다.

- 정서표현의 재인에서 모방의 역할 : Adolps등은 체감각과 정서재인 사이의 연결을 발견하였다.

    우반구 손상을 가진 환자의 얼굴 표정으로 정서를 재인하는 능력은 체감각자극을 지각하는 능력과 상관있다.

- 혐오 : 도피질과 기저핵의 손상이 혐오의 얼굴 표정을 재인하는 능력에 장애를 초래한다.

            Wicker등에 의한 기능 영상법 연구는 혐오스런 냄새를 맡는 것과 혐오의 표정을 짓고 있는 사람의

                 얼굴을 보는 것은 도피질을 활성화시킨다는 것을 발견하였다.

3) 정서전달의 신경적 기반 : 표정

- 정서의 얼굴 표정들은 자동적이고 불수의적이다.

- Ekman & Davidson : 진정한 웃음이 가짜 웃음 또는 타인에게 인사할 때 짓는 사교적 웃음과는 대조적으로,

                              눈 근처의 안륜근(듀센근육)의 수축을 포함한다.

- Duchenne : 첫번째(폅골근)는 의지에 복종하지만 두번째(안륜근)는 영혼의 달콤한 정서에 의해서만 움직인다.

                    가짜의 기쁨, 거짓의 웃음은 후자의 근육을 수축시킬 수 없다.

  * 수의적 얼굴마비 ; 일차운동피질의 얼굴영역 또는 이 영역을 얼굴근육의 운동과 관련이 있는 근육을

                               통제하는 안면신경의 운동핵과 연결하는 섬유에 대한 손상에 의해 초래된다.

  * 정서적 얼굴마비 : 전전두피질의 도피질연역, 전두엽의 백질, 또는 시상의 하위구조들에 대한 손상에 의해

                               초래된다.

3. 정서의 느낌

1) 제임스-랑게 이론

정서를 산출하는 상황이 몸을 떨기, 땀 흘리기 및 심장박동의 증가와 같은 적절한 생리적 반응들의 집합을

유발한다고 진술함.

2) 가장된 정서로부터의 피드백

Ekman과 동료들은 공포, 분노, 놀람, 혐오, 슬픔 및 행복의 정서표정을 흉내내기 위해 피험자들에게 특정

얼굴근육을 움직이도록 요청하였다 → 자율신경계에 의해 통제되는 여러 생리적 반응들을 검색하였다 →

가장된 표정은 자율신경계의 활동을 변화시켰다 →그러므로 다른 사람의 정서를 모방하는 경향은 선천적이다.

 * 모방은 유기체가 자신의 정서를 소통하는 통로 중 하나이다. 그리고 공감의 느낌을 불러일으킨다.

뇌의 영역들

뇌와 척수는 중추신경계를 구성하고 두개골과 척추라는 골격구조에 둘러싸여 있다.

일반적 으로 뇌의 부위들은 서로 다른 기능을 하도록 특화되어 있다.

여기서는 아래쪽부터 시작하 여 위에 있는 구조로 올라간다.

척수

길고 끝으로 갈수록 가늘어지는 척수는 척추를 따라 달리고 둥근 척추골 속에 싸여 있다. 척수는 피부, 관절, 근육, 인대에 있는 신경에서 전달되는 정보를 받고, 운동을 위한 운동명령을 전달한다. 만약 사고나 부상의 결과로 척추가 잘려 나가면(절제되면) 손상된 지 점 아래의 신체 부위는 감각과 수의적 운동을 상실한다.

뇌간

뇌간에는 세 부분이 있다.

'연수'는 척수가 뇌간과 만나는 부분에 있으며,1인치 가량 되는 생명 유지에 긴요한 조직이다. 연수는 숨쉬기, 말하기. 노래하기, 삼키기. 토하기, 혈압 유지 같은 일을 통제하고 심지어는 (부분적으로) 심박률까지도 통제한다.

'뇌교' (어원이 bridge이다)는 연수 바로 위쪽에 있고, 대뇌피질과 소뇌를 신경으로 연결하는 신경섬 유로 이루어진 넓은 띠다. 뇌교 위쪽에 연결되어 있는 부위가 '중뇌' 인데 뇌간에서 가장 작 은 부위이다.

중뇌는 기초 수준의 시각과 청각을 제공한다.

간뇌 뇌간에서 몇 센티미터 위에는 간뇌가 있고, '시상' 과 '시상하부'가 여기에 포함된다. 시상은 후각을 제외한 모든 감각을 처리한다. 그 바로 아래에 시상하부가 있고, 시상하부는 생명에 중요한 활동들을 조절하는 중추이다.

시상하부가 조절하는 기능은 내분비물의 수준, 물 균형, 성 주기, 음식 섭취, 자율신경계의 활동 등으로 많은 것들이 우리의 의식적 인 자각 밖에 있다. 또한 시상하부는 분노, 차분함, 피로, 배고픔 등을 비롯한 여러가지 븜 잡한 정서 상태와 동기 상태에 관한 명령을 내리는 중추이다.

소뇌

소뇌는 뇌교 뒤쪽에 있고 주로 운동 범위와 힘을 조절하는 것에 관여한다. 소뇌가 없으면 어떤 물체를 떨어뜨리거나 옮기 지 못할 것이다.

변연계

변연계는 감정적인 뇌(감성을 통제하므로) 또는 원시 뇌, 옛날 뇌(진화 초기부터 존재했으므로)로 시상하부에 있는 신경중추들로 이루어진 연결망이다. 변연계는 피질중추인 측두엽(사고와 고위 인지 기능에 관련된다)과 연결되고 시상하부와 연결되어 있기도 하다. 또 분노, 공포, 공격성, 배고, 성적 흥분 등의 시상하부와 동일한 감정 및 동 기 사태에 관련되어 있다. 이렇게 이중적으로 관계함으로써 감정을 의식적인 자각에 닿도록 하고. 인지적인 환상이나 관찰이 우리에게 감정적으로 영향을 주도록 해준다.

대뇌반구

두 개의 대뇌반구는 우리의 가장 고차적인 지각기능과 운동기능에 관련되어 있 다. 대뇌반구는 반구 전체를 다 덮는 대뇌피질.

소뇌와 함께 모든 신체 움직임을 조정하는 기저핵.

세 개의 커다란 신경핵 덩어리인 미상핵(尾狀核), 피각(被殼), 그리고 담창구(淡蒼球)로 이루어져 있다. 두 개의 반구들은 마치 우리가 두 개의 뇌를갖고 있는 것 처럼 거의 닮았다.

각 반구는 각각 특화된 역할을 하는 전두엽, 두정엽, 후두엽, 그리고 측두 엽이라는 서로 떨어진 영역들로 나뉘지만 그 구분이 궁국적으로는 인위적으로 나누어진 영토들이다. 서로 다른 역할을 한다고는 하지만 신경과학자들이 뇌에 대한 지식을 넓혀 갈수 록 하나의 뇌 영역과 다른 부분을 구분하는 경계가 이전에 생각했던 것보다는 훨씬 덜 뚜렷 하다는 것이 명백해지고 있다.
전두엽은 운동과 복잡한 운동 프로그램을 짜는 데 관련하고 있다. 가장 앞쪽에 있는 부위인 전두전 섬유는 행동을 억제하는 통제력을 행사하여 우리의 행동을 사회적인 기대에 부합시킨다. 이 영역이 손상을 입으면 불쾌하고 사회적으로 수용할 수 없는 행동들을 야기한다. 피질이 있는 쪽과 반대쪽의 신체운동을 통제하는 영역인 운동피질에 손상을 입으면 (뇌일혈처럼) 마비가 올 수 있다.

두정엽은 뇌의 '느끼는' 부분인 1차 '감각피질' 을 포함한다. 1차 감각피질은 신체의 모든 감각수용기에서 오는 신경 충동을 수용한다. 신체의 각 부위는 두정엽에, 그 부위의 중요성과 비례하여 표상되어 있다. 따라서 말하자면 손은 등허리보다 더 큰 표상을 가지고 있다.
측두엽은 청각. 기억, 그리고 어떤 사람의 자아에 대한 감각과 시간 감각에 중요한 부위이다. 기시경험(실제 경험하지 않은 것을 경험했다고 지각하는 것)의 근원지도 바로 여기이다. 측두엽은 변연계와 연결되어 있기 때문에 정서적인 경험에도 중요한 역할을 한다.
후두엽은 뇌의 시각중추로 눈의 망막에서 전달되는 정보를 변형하는 엄청나게 복잡한 일을 맡고 있다. 이 부분이 뇌일혈이나 다른 부상으로 손상당하면 심한 시각장애가 일어나거나 맹인이 된다.

두개의 뇌

비록 두 개의 반구가 보기에는 흡사하지만 이들은 서로 다른 방식으로 정보를 처리한다.

우반구는 통합적으로 기능한다. 따라서 머릿속에 자신의 거실 모습을 그려 보는 일은 우반구가 더 잘한다. 반면에 좌반구는 대상을 구성요소들로 쪼개는 일에서 앞서간다. 거실 안에 있는 의자의 수를 머릿 속으로 세는 일은 좌반구가 더 잘하는 것이다. 좌반구는 우반구가 만들어낸 거실 전체의 그림을 끌어들여 거실 안에 있는 의자에 따라서 마음속에서 거실의 그림을 더 세부적으로 나눈다.

언어는 따로따로 떨어진 단위들(단어들)을 한데 모아 절이나 문장을 만들므로 오른손잡이의 96~99퍼센트, 왼손잡이의 70퍼센트에서 좌반구는 언어에 특화되어 있다.
우반구는 통합 처리를 하기 때문에 심적 지도를 형성하는 것, 머릿속에서 기하도형을 회전하는 일, 친구의 얼굴을 알아보는 일 같은 시공간 과제를 더 잘 한다. 그러나 심적 지도를 "첫째 네거리에서 우회전. 다음에는 재빨리 좌회전을 해요"와 같은 언어 지시 로 바꾸거나 "재닛. 오늘 헤어스타일이 바뀌었니?"와 같은 식별이 필요한 경우에는 좌반구가 끼여든다. 그렇지만 중요한 것은 두 반구는 대뇌피질 아래 깊숙이에 있는 다른 부위들뿐만 아니라 서로서로 통신함으로써 뇌는 언제나 전체로서 일한다는 사실을 기억 해야 한다.

가소성 [可塑性, plasticity] 의 사전적 의미

외력에 의해 형태가 변한 물체가 외력이 없어져도 원래의 형태로 돌아오지 않는 물질의 성질을 말하며 탄성한계를 넘는 힘이 작용할 때 나타난다.

뇌 가소성 [腦可塑性; brain plasticity]

가소성 [可塑性, plasticity] 의 사전적 의미

외력에 의해 형태가 변한 물체가 외력이 없어져도 원래의 형태로 돌아오지 않는 물질의 성질을 말하며 탄성한계를 넘는 힘이 작용할 때 나타난다.

뇌 가소성 [腦可塑性; brain plasticity]

아동의 두뇌발달

1. 컴퓨터와 인간 두뇌와 다른점

① 수동적으로 조립되는 컴퓨터와 달리, 인간은 자신의 두뇌를 형성하는데 관여하며 환경이 중요한 역할을 함. 피드백을 받으며 변화함

② 환경은 두뇌 발달의 전반적인 방향뿐만 아니라, 두뇌에 있는 신경회로의 망이 어떻게 구성될지에도 영향을 줌.

③ 개인 각자의 특수한 연결패턴 즉, 각 두뇌의 배선도(配線圖)가 인간을 각각의 고유한 사람이 되게 해줌.

2. 환경의 중요성

․인지신경과학자들은 환경과의 상호작용이 두뇌발달에 절대적 요건이라는 사실을 거듭 강조함.

3. 시냅스의 형성과 제거

① 두뇌가 과제를 수행하려면 수십억 개의 뉴런과 수조 개의 시냅스가 필요

② 출생 직후 영아의 두뇌 - 이미 충분한 수의 뉴런이 존재

③ 영유아기 - 시냅스 성장이 극적으로 이루어지게 됨

④ 이후 7년 동안 - 시냅스 생성과 제거가 대략 균형을 이룸

․과잉의 시냅스가 있어서 복잡하고 효율적인 신경통로의 형성이 가능

․시냅스의 반복적 이용 : 강화를 받아서 영속적인 회로가 됨

․아동의 긍정적․부정적 경험은 성인기에 어떤 망을 형성할지에 영향을 줌.

4. 환경의 긍정적․부정적 영향

① 인간은 살아가면서 망을 재형성하고 수정할 대략적인 설계도만을 가지고 태어남

　② 고무적인 환경에서 피질의 크기가 증가(성장) - 인지신경과학자들

　③ 결핍된 환경 - 수상돌기 가지를 가늘게 하거나 피질의 두께를 줄임.

　④ 조기의 심각한 부정적 경험으로 인해 인지능력이 손상되고 두뇌의 망이 부정적 행동에 적합하게 고정되어, 그런 경험을 한 아동은 후에 스트레스 상황이나 욕구좌절 상황에서 공격이나 폭력으로 반응할 수도 있음

5. 아동의 두뇌발달

1) 조기에 두뇌의 가소성이 크다는 것 － 무한한 기회와 무거운 책임을 동시에 부여

2) 학습은 전 생애에 걸쳐 이루어지지만, 최적의 기회가 있음

3) 시기에 따라 특히 효율적인 학습영역이 달라짐

4) 학령기 초기인 5-7세 무렵 : 두뇌의 크기와 기능상의 변화, 성장고조(growth spurt) 및 인지기능의 변화를 포함한 발달이 주를 이룸.

5) 아동이 책임감, 독립성 및 사회적 역할에서 현저한 변화를 보임

6) 아동기 동안에는 변연계와 신피질의 상호연결이 증가하고 다양화됨

- 정서발달에서 질적 변화가 나타남

7) 모든 감각을 종합하고 공간지각력을 담당하는 부위인 두정엽의 일부가 성숙하게 되어 여러 종류의 새로운 학습과 수학․과학학습이 가능해지고, 언어를 담당하는 측두엽이 발달하여 외국어학습과 쓰기학습이 한층 용이해짐

8) 우반구는 4-7세 무렵, 좌반구는 7-9세 무렵이 성장고조기임.

보통 양반구의 전문화가 완전히 이루어지는 시기는 9-12세 무렵

- 전두엽의 발달이 왕성, 뇌량의 발달이 현저하게 나타남.

9) 다양하고 풍요로운 경험 → 두뇌 활성화 → 수초와 수상돌기 가지가 많아짐

→ 뇌량이 두꺼워짐 → 두뇌 영역간이나 양반구간의 처리속도는 더욱 빨라짐.

조작적 사고, 아이디어와 개념을 다루는 능력, 형식적 추리 가능

10) 10대 이후 : 시냅스 형성보다 시냅스 제거가 급속도로 이루어짐.

- 뇌간 부위에서는 변화가 적은 편

- 대뇌의 피질부위에서는 시냅스 제거(초당 약 33개)가 가장 극적으로 이루어짐.

- 학습을 증진하거나 방해하는 상태에 신속하게 반응

- 적응에 이익을 주어, 다양한 조건과 상황에 쉽게 적응할 수 있음.

∴ 아동의 두뇌는 탁월한 가소성을 가지고 있기 때문에

1. 부모, 교사 및 각 분야의 정책 결정자들

- 아동의 성장과 발달을 증진시키고 지원할 기회가 훨씬 더 많음.

2. 초등교육

- 두뇌에 기반을 둔 교육을 통해 최적의 두뇌발달과 학습을 유도해야 할 것임.

3. 교사들이나 교육 행정가들

- 아동의 두뇌에 대해 정확하고 검증된 지식을 구축하여 교육 실제에 적용할 뿐만 아니라, 아동의 두뇌가 어떻게 학습하고 작용하며 얼마나 가소성이 있는지에 대해 학생이나 부모에게도 알려야 할 것임

명상수련에 따른 뇌 활동의 변화

1) 명상(瞑想, Meditation)이란 무엇인가

현재의 고통으로부터 해방되어 아무런 왜곡 없는 순수한 본래의 마음상태로 초월해가는 수행법

․ 1970년대 이후 현대인의 스트레스를 효율적으로 대처하기 위한 방법으로 주목받음

․ 1975년 하버드의대 내과교수 허버트 벤슨 - 이완반응 명상법 소개

- 부교감신경계의 활동을 높이고 교감신경계의 기능을 억제해서 스트레스에 의한 유해반응을 정반대 방향의 평화와 이완반응으로 바뀌게 하는 것

2) 명상을 할 때 나오는 것은 세타파

뇌파 유형

①베타파(β파):빠른 주파수, 활동하는 동안 나타나는 뇌파, 정상적 인지기능이나 불안관련 정서 상태 뇌파

②알파파(α파):느린 주파수, 이완 상태에서 나타나는 뇌파, 쾌적한 기분

③세타파(θ파):베타파보다 두 배에서 네 배 정도 느림, 각성과 수면 사이에 있는 명상 상태, 깊은 개인적 통찰 경험, 창의적인 생각이나 창의적인 문제해결력이 솟아오름, 유쾌하고 이완된 기분과 극단적안 각성과도 결합된 뇌파

④델파파(δ파):매우 느린 뇌파, 불규칙적, 수면에 들었을 때 나타나는 뇌파

3) 세타파가 기억력을 촉진시킨다

․난관 돌파, 통찰력의 순간, 깨우침과 같은 직관이 나타날 때-세타파 발생

․세타파가 장기 증강(long term potentiation, LPT)이라는 기억응고 과정을 강화시킴

․ LPT-어떤 특정한 정보를 다음에 그 정보가 나타나면 생물학적으로 기억하기 쉽도록 만드는 것

․ 운동 도중 세타파 발생하면 고통, 피로감, 실패에 따를 공포감이 사라지고 최상의 쾌감이 수반됨

4) 명상 상태에서 나타나는 뇌의 변화

․ 벤슨박사(하버드의대) 이완반응을 넓혀 본격적 명상 단계에 이르면 “안정과 동요라는 모순적 상태가 동시에 뇌속에서 일어난다“

- 명상 동안에 전반적인 뇌 활동은 줄어듬. 주의집중과 관련있는 자율신경계 활동을 조정하는 뇌 부위는 활동성이 높아짐. 즉, 전반적으로 뇌 활동은 안정 상태를 보이지만 주의집중과 자율신경계 조절 주추는 활성 상태를 보임

- 명상을 통해 안정과 동요의 경지를 경험해본 사람은 고혈압, 불면증, 우울증, 월경전 통증 증후, 암, AIDS 증후가 경감됨

- 돌파원리 : “명상 도중 통찰과 같은 ‘돌파’가 일어난 때가 나타난다”, 뇌의 전반적 활동성은 낮아지지만 혈압, 심장박동, 호흡의 조정과 관련 있는 뇌 부위의 활동성과 주의집중, 공간-시간 개념의 각성이나 의사 결정 조정과 관련 있는 뇌 부위의 활동성은 증가함

- 명상도중 평소 머리 아프게 해 오던 어려운 난제가 풀리는 통찰적 상황이 발생함

5) 마음챙김 명상이 독감을 내쫒았다.

․ 데이비드슨 박사(위스콘신대 감성신경과학연구소 소장)

- 불안, 분노, 불쾌한 감정 - 편도체(정서중추), 우측 전전두피질이 활성화됨

- 낙관적, 열정에 차 있고 기력이 넘칠 때 - 좌측 전전두피질이 활성화됨

- 티베트 고승 175명 스님 좌우 반구 활성 비율 검사 - 모두 좌반구 쪽으로 기울어짐

- 마음챙김 명상법 : 원래 불고 수행 가운데 사념처 수행 또는 위파사나 수행에서 나온 것

- 마음챙김 명상이 면역기능을 강화시킴 : 독감바이러스 주사후 혈액 속 독감 항체 양 측정시 보통보다 높아 면역체계가 강화됨, 독감에 걸려도 증상이 경미함.

6) 명상동안 일어나는 산화질소의 분출

․ 명상동안 난제 해결과 같은 통찰이나 직관이 일어날 때 산화질소 분출됨

․ 산화질소(nitric oxide, NO) : 기체 확산성 조절자로 작용하는 활성산소기

- 뇌의 시냅스 사이에서 신경전달물질로 작용하여 기억과 학습을 증진시킴

- 도파민, 엔도르핀과 같은 신경전달물질의 방출 촉진, 안정감 증진, 최상의 신체적 쾌감을 경험하도록 도움

- 전 신체에 걸쳐 혈류 이동 조정, 중풍 발생과 관련있는 뇌 부위 혈행을 개선, 산소 부족 치료에 도움을 줌

- 에스트로겐 투여 효과를 높임, 특히 폐경 후 우울증 치료에 효과적

- 혈관 확장, 심장에 대한 혈액 흐름 개선 - 남성의 성적 무기력증 개선, 면역 계통 강화

7) 질병 치료와 예방에 이용되는 명상법과 요가

․ 칼사 박사(인도출신, 미국 마취 및 통증 전문의, 요가 수련가)

- 의료명상을 질병 치료와 예방에 활용

- 명상은 내분비기관의 퇴화 저지, 노화 방지, 회춘 시킬 수 있다는 것

- 요가와 명상이 서로 결합된 명상이 더 효과적

- 의료 명상 형태 : 기도, 삼상법, 수피명상, 유도심상, 마음챙김 명상, 이완반응, 초월명상, 선불교 명상, 미국 원주민 명상, 태극권과 기공 등 운동명상 등

기타) 대체의학의 주류인 이완반응, 스트레스 감소 훈련 목적으로 시작된 마음챙김 명상,

박티 요가에 기원을 둔 초월명상, 의료계에 명상을 적용하기를 기대함

소비하는 인간의 뇌

1) 소비 없이 살아갈 수 없는 현대인

․ 현대인에게 있어 소비란 살아 있음의 증명이며 우리의 일생은 소비재를 구입, 사용하고 서비스를 체험하는 긴 여정이다.

2) 소비자․광고심리학, 어떻게 연구하는가

․ 심리학은 인간을 연구하는 과학이다.

․ 소비자․광고심리학은 과학적 관점과 목적, 연구방법론에 따라 소비 행동, 혹은 광고에 대한 소비자의 심리적 반응과정을 연구하고자 한다.

․ 객관적 관찰이 매우 어려운 소비자의 심리를 들여다보는 것이 자기보고법이다.

- 자기보고법 : 연구 대상 스스로 자신의 의식적 경험을 되돌아본 후, 이를 관찰 및 계량 가능한 글이나 말로써 연구자에게 보고하는 방법, 설문지의 경우 글, 면접의 경우 말

3) 신경 소비자․․광고심리학의 새로운 접근

․ 소비자의 생각과 느낌을 바로 채록하는 기법은 뇌에게 바로 물어보는 것

․ 중국집에서 식사 주문 : 메뉴판에 씌어 있는 글자→안구→시각피질→대뇌피질 언어영역 브로카 영역, 베르니케 영역→‘자장면’ 음식명으로 이해→의미기억(자장면이 무엇인지 사전적 기억), 일화기억(자장면에 얽힌 갖가지 개인적인 추억과 경험 관련기억)도 회상됨→체감각영역의 달콤짭잘한 식감이 떠올라 입에 침이 고임→신체 반응에 대한 해석 및 의미부여 과정이 언어영역에서 이루어지고, 운동영역의 적극적인 활동을 통해 입의 근육이 움직여 ‘자장면 곱빼기’ 주문이 됨

․ fMRI, PET - 뇌 활동 양상을 사진으로 찍어 관찰할 수 있는 기법

4) 뇌에 아로새겨진 브랜드, 명품

․ 명품(名品), luxury goods, designer's goods, 디자이너가 만든 제품

․ 명품일 경우 브랜드 로고만 보더라도 전대상회가 활성화됨, 대중품의 경우에는 그렇지 않음

- 전대상회 : 중요한 보상 가치를 지니고 있는 자극을 보고 선택적인 주의를 할 때 활성화되는 영역, 즉, 자극이 자신에게 중요한 가치를 만족시켜줄 것이라는 기대를 하면 활성화 되는것

예)코카인중독자-코카인을 보는것 만으로 전대상회가 활성화됨,

명품-소비자에게 사회적 또는 경제적 위상을 만족시켜줄 것이라는 기대를 생기게 함

․ 대중품의 로고는 후대상회를 활성화시킴

- 후대상회 : 자극과 관련되어 있는 개인적이 추억이나 경험을 회상할 때 기능하는 일화기억 영역, 보고 사서 입어본 경험이 많은 대중품에 대해서 일화기억이 쉽게 형성됨

․ 패션 명품의 로고는 설전부를 활성화시킴, 그림이나 사진의 형태로 저장되어 있는 정보를 회상, 머릿속에서 상상의 그림을 그려낼 때 활성화되는 영역

․ 명품에 대해 남는 기억이란 대중품처럼 뚜렷한 추억이 아니라 막연히 머릿속에 떠오르는 고급스럽고 세련된 이미지의 형태로 저장됨

․ 현재 명품과 대중품을 소비할 때의 심리를 같은 지시문, 같은 척도, 같은 질문을 통해 비교하고 있다. 명품연구의 실마리는 설문지가 아닌 뇌기능 영상에서 찾아야한다.

5) 미키마우스, 쥐인가 사람인가?

․ 최근 부각되고 있는 소비현상은 대중문화 소비 트렌드임

․ 영화<쥬라기공원>(1991)-중형차 150만대의 몫, <실미도>,<태극기 휘날리며>(2004)-천만명이상의 관객 동원

․ 대중문화 상품은 캐릭터를 중심으로 이야기가 전개되는 서사구조임. one source multi use

예)해리포터-책, 영화, PC, 콘솔게임, 책으로 벌어들인 인세 1조 3천억원,

․ 상품 캐릭터(딸기, 헬로키티, 탄빵 등 대중문화화 되지 않고 상품으로만 출시됨)인 경우

-생명이 없는 인공적인 사물을 지각할 때와 관련 있는 영역인 좌반구 설부가 활성화됨

․ 대중문화 캐릭터(미키마우스, 푸, 둘리처럼 만화나 애니메이션을 통회 소개됨)의 경우

-양반구의 후측 대상회와 시상이 활성화됨, 친구․친지의 사진을 보고 추억을 떠올리게 한 신경과학 실험에서 활성화된 곳과 같은 영역임

6) 미인 모델을 바라보는 뇌

․ 모델을 이용하는 광고 전략, 아름다운 것에 정서적으로 끌리는 것은 인간의 본성

․ 매력적인 얼굴 - PET, fMRI 측정결과 명품에서 활성화 된 바 있는 전두엽 안와전두피질, 기저핵의 복측 선조체가 활성화됨

․ 광고의 경우 모델 시선이 어긋날 때 효과가 높음, 정면을 바라보는 모델보다 시신을 먼 곳에 두거나 고개를 살짝 돌리는 모델이 더 우아하고 신비로운 느낌을 자아냄

7) 눈으로 못본 것을 뇌는 보고 있다.

․ 1975 극장주인이 영화 중간중간 누구도 인식하지 못할 찰나의 순간에

‘Drink Coca-Cola’, 'Eat Popcorn'을 섞어서 보여줌→평소보다 17%, 58% 콜라와 팝콘 판매 증가함

․ 토론토 몇몇 백화점-가청 범위 밖의 작은 소리로 도난 방지 메시지 전달

․ 미국 중서부 지역 경찰당국-살인자를 설명하는 TV 뉴스 프로그램 사이에 잠재의식 메시지를 삽입하여 범인을 잡고자 함

․ 역하자극에 대한 관심, 대부분 역하광고를 금지함

8) 소비자의 진화, 소비자․광고심리학의 진화

․ (옛)합리적이고 경제적인 소비자, 깐깐하게 눈을 뜨고 모든 요소를 고려한 소비자

→ (현) 그때그때 변화하는 감각과 감성에 따라 상품을 사고 서비스를 즐기는 소비자

머리가 아닌 가슴과 온몸으로 소비하고 광고를 보는 소비자

예)전지현 광고로 올림푸스 매출액상승

1. 그 여자의 뇌, 그 남자의 뇌

1) 그 여자와 그 남자, 무엇이 다른가?

여자 : 언어 능력 우수 - 언어습득 빠르고 어휘력, 언어 표현력 풍부

남자 : 공간 능력 우수 - 언어 발달 느림, 모형 장난감을 조립 능력 탁월

2) 그 여자와 그 남자, 뇌도 다른가?

․ 남자의 뇌 : 여자의 뇌보다 약 100g 정도 더 무겁고 신경세포의 수도 40억 개 더 많다고 함

․ 뇌의 크기와 IQ 간의 상관관계 : 거의 없음

3) 그 여자의 뇌는 기본형, 그 남자의 뇌는 옵션형

․ 성경의 창세기 - 아담을 만드신 후 그 갈비뼈 하나로 이브 만듬→남자:원형, 여자:파생형

․ 생물학적 - 여자:기본형, 남자:Y염색체로 인한 옵션(테스토스테론이라 부르는 남성 호르몬)

- 성염색체가 X일때 여자, Y일때 남자

- 수정 직후의 포유류 생식기도 미분화상태, 뮐러관(여자생식기), 볼프관(남자생식기) 가짐

→뮐러관은 더 이상의 조건이 없어도 발달, 볼프관은 테스토스테론이라는 남성 호르몬이 있어야 발달, Y염색체-테스토스테론이 만들어지기 위해 필요한 것

- 테스토스테론이 영향력을 발휘하는 시기 : 임신 4-24주 무렵(첫번째 시기), 출생직후부터 5개월 동안(두번째 시기), 성호르몬이 분비가 왕성한 사춘기(세번째 시기)

․ 성 호르몬에 반응하는 세포-생식기, 뇌 안에도 존재

․ 남녀의 신체 모양을 다르게 만드는 성 호르몬이 남녀의 뇌 모양도 다르게 만듬

4) 그 여자의 뇌와 그 남자의 뇌, 어떻게 다른가?

․ 성 호르몬은 여자와 남자의 뇌를 다르게 만드는 주된 요인

5) 뇌 생김새가 다르다

․ 뇌 일부 생김새가 기본형과 다소 다를 뿐 기본 구조 자체가 완전히 달다지는 것은 아님..

․ 성호르몬의 신호에 반응하는 세포들이 있는 곳에서 주로 성 차이가 발견됨

①덩어리 구조(예를 들면 특정 영역의 표면적이나 무게, 단위 면적당 신경세포 밀도 등)

②개별 세포 구조(예를 들면 수상돌기 가지의 길이, 시냅스의 개수 등)

6) 덩어리 구조가 다르다

7) 개별 세포의 미세 구조가 다르다

․ 측두엽의 베르니케 영역 : 크기, 뉴런의 수상돌기 - 여자>남자

․ 대뇌피질의 두께 : 남녀 유사, 전체피질의 개수 남자가 더 많음