인체의 신비 두뇌
1. 두뇌란 무엇일까?
인간의 몸에서 가장 활발히 활동하고 있는 기관이 바로 뇌일 것이다. 뇌는 모든 신경 활동을 통합하고 조절하는 중심으로 작용한다. 인간과 동물은 뇌를 통해 보고 듣고 느끼고 생각할 수 있게 되는 것이다. 예를 들어 눈을 통해 들어온 색깔에 대한 정보는 뇌에 도달해야만 그것이 빨간색인지 파란색인지를 판단할 수 있게 된다. 뇌는 인간의 두개골 속에 존재하고 있으며, 외부의 충격이 쉽게 전달되지 못하도록 구성되어 있다.
사람의 신생아의 뇌 무게는 300g 정도이지만 태어나서 3살까지, 4~7살까지, 그리고 15살 전후까지의 3단계를 거쳐 발달하며 완성된다. 완성된 뇌 무게는 남자가 1,500g, 여자가 1,300g 정도이다. 뇌의 무게는 키와 거의 비례하지만 지능이나 성격에는 직접적인 관계가 없다. 우리몸의 약 3% 밖에 되지 않는 무게이지만 몸 에너지의 70%를 소비하고 혈액의 4분의1을 소비하며 생명 유지의 핵심인 산소가 끊기면 가장 먼저 타격을 받는 곳이다.
이러한 뇌에는 1,000억 개의 신경세포(뉴런)와 100조 개의 시냅스, 그리고 축색돌기를 뻗어 내어 다른 신경세포들과 복잡하고 정교한 연결을 이루고 있다. 사람의 정신활동에 관계하는 신경세포는 약 140억 개나 되며, 서로간의 기능적 연결(시냅스)에 의해 생각하고 기억하는 등의 역할을 수행할 수 있게 된다. 이러한 기능적 연결 부위에서 일어나는 수많은 일들과 연결의 강도에 의해 기억과 같은 고등한 정신적 활동이 결정되게 된다.
뇌는 모든 인간 활동의 중심으로 작용하고 있다. 따라서 뇌에 대한 이해는 인간의 행동을 이해 하는데 있어서 핵심적인 부분이다. 그럼에도 불구하고 직접 보고 경험하기 어려운 뇌의 특징상 일반인들이 뇌에 관한 정보를 얻고, 역할을 이해 하는데 있어 어려움이 존재한다.
2. 겨우 1,500g이지만 만물의 영장인 비밀의 열쇠
“뇌는 1,500g 밖에 안되지만 인체의 70%의 칼로리와 혈액의 4분의 1을 사용하는 매우 복잡한 신체 기관이다. 바깥은 회백질, 안쪽은 백질로 구성돼 있으며 속에는 수많은 신경세포인 ‘뉴런’(neuron)이 존재한다. 뇌에는 1,000억 개 정도의 뉴런이 있고, 이런 뉴런은 인접 뉴런과 연결돼 있다. 이 뉴런의 접합점이 바로 시냅스다. 우리 몸에는 100조 개 이상의 시냅스가 존재한다.”
시냅스는 특수하게 분화된 구조를 통해 뇌가 다양한 능력을 갖게 한다. 인간이 고등동물로서 사람마다 다른 개성과 능력을 갖게 된 데에는 시냅스가 기여하는 바가 크다는 설명이다.
“어떤 충격이 시냅스에 도달하면 기름방울처럼 생긴 시냅스 돌기는 그 속에 들어있는 신경전달물질이라는 화학물질을 분비한다. 이 물질은 시냅스를 가로질러 퍼져나가면서 시냅스후막에 있는 수용체 분자에 결합해 시냅스후뉴런에 신경충격을 전달하면서 생각과 다양한 감정 등을 주고받는다.”
시냅스의 생성은 신경회로의 생성으로 연결되고, 이렇게 생성된 신경회로는 뇌의 기능을 발달시킨다. 뇌는 시냅스의 이런 분화 기능을 통해 신체의 그 어느 곳보다 복잡한 신경네트워크를 발달시켰다.
“수많은 시냅스를 통해서 신경이 활동하고 인간의 뇌가 발달했다. 사람이 생각을 하고 시를 쓰거나 음악을 작곡하는 등의 창작활동을 할 수 있는 이유도 모두 시냅스가 있기 때문이다. 시냅스가 두 개 연결되면 짝을 이뤄서 더욱 강한 신경전달을 한다. 이는 학습의 원천으로 작용한다.” 즉 시냅스 전위 A에 두 개의 시냅스 전위 W(약한 반응)와 S(강한 반응)가 각각 별도로 연결돼 있다면, A-W 연결은 처음에는 약한 반응을 보일 것이다. 반면에 두 개의 구조가 짝을 이룰 경우에는 상황이 달라진다. 강한 반응을 하는 A-S구조와 짝을 이뤄 A-W시냅스 역시 강한 반응으로 바뀐다.
시냅스의 이런 독특한 구조는 뇌의 발전에 결정적인 역할을 했다. 러시아의 생리학자 파블로프의 개를 이용한 조건반사 실험은 시냅스의 특징을 더욱 분명하게 보여주는 실험이었다.
“종소리를 들려주면 개의 시냅스 A-CS 연결은 처음에 약한 반응을 보이며 침을 흘리지는 않는다. 그러나 음식을 줄 때 반응하는 A-US 연결은 개가 침을 흘리며 강한 반응을 보인다. 이때까지 두 개의 시냅스 연결은 별개의 것이다. 하지만 A-CS와 A-US가 A를 통해 짝짓기를 이루면 개는 종소리만을 반응하는 약한 시냅스인 A-CS에서도 침을 흘리게 되는 것이다.”
이뿐이 아니다. 사람마다 지능이나 자아가 다른 점도 시냅스에 기인하는 바가 크다. “학습에 의해서 우리의 뇌는 변해간다. 따라서 사람의 뇌는 일 년 전과 일 년 후의 모습이 같을 수 없다. 아울러 우리의 자아는 뇌의 인지시스템과 감정시스템, 동기시스템으로 이뤄져 있다. 무의식적으로 작동하는 이 시스템들은 시냅스에 의해 연결되고 스스로 자아가 만들어진다. 사람마다 개성이 다른 이유는 시냅스의 연결패턴이 각자 다르기 때문이다.”
3. 몸의 통증도 없어서는 안 될 소중한 기능이다.
‘통증: 파수꾼인가, 재앙인가?’로 강연한 고려대 의대 생리학과 나흥식 교수는 우리 몸에서 느끼는 통증의 비밀에 대해 설명했다.
“우리 인간은 촉각과 미각, 후각, 청각 등의 감각기관을 갖고 있다. 그런데 매우 짜거나 매운 음식을 먹으면 고통을 느끼게 된다. 그 이유는 무엇일까? 감각은 외부의 자극을 선별해서 받아들이는 정보성을 갖는 반면, 아픔을 전달하는 통각은 선별 능력 없이 방어적 성격만을 갖기 때문이다.” 그렇다면 통증 없는 삶이 과연 행복할까? 나 교수의 설명에 따르면 절대로 그렇지 않다. 인체가 통증을 느끼는 이유는 면역은 물론 죽음과 관계가 깊다. 나 교수는 14세 소년의 사례를 들어 이를 설명한다.
“2007년 네이처 12월호에 통증을 전혀 느끼지 못하는 14세 소년의 이야기가 실렸다. 이 소년은 통각이 없는 환자로 압정을 밟고도 전혀 아파하지 않는다. 하지만 어떻게 되었을까? 결국 이 소년은 사망하고 말았다. 그 이유는 통각이 없으면 외부의 자극에 몸 속의 백혈구가 견디지 못하게 되고, 결국 면역체계 이상으로 죽게 되는 것이다.” 다시 말해 사람은 통증을 느껴야 살 수 있다는 말이다. 통증을 전달하는 통각신경은 촉각신경과는 분명히 다른 통로를 갖고 있다.
“아픔을 전달하는 통각신경은 가느다란 감각신경으로 수초가 없는 무수신경이거나 가는 유수신경으로 되어 있다. 이에 비해 감각을 전달하는 촉각신경은 가는 유수신경이다. 또 촉각신경은 전달 속도가 빠른 반면에 통각신경의 전달 속도는 느리다.”
즉 신경이 가늘기 때문에 저항이 많을 수밖에 없고 통증이 있게 된다. 그런데 왜 통각신경의 전달 속도는 촉각신경보다 느릴까? 거기에는 오묘한 비밀이 숨어있다. 나 교수의 설명에 따르면 방어성인 통각신경은 가늘어서 느리기 때문에 몸 전체에 분포할 수 있었고, 각종 외부의 위험에서 온몸을 방어할 수 있게 최적화 되었다는 것이다.
3. 에로스 사랑과 아가페 사랑은?
‘마음은 어떻게 생겨날까?’로 발제한 연세대 의대 정신과 김재진 교수는 마음과 뇌의 관계를 신경정신학적인 관점에서 설명했다. 인간의 뇌에서 마음처럼 미스터리 한 부분도 없다. 하지만 의학과 과학의 발달로 이제 마음은 뇌의 작용이라는 견해가 확고하게 자리 잡았다.
“과거에 마음의 상징은 심장으로 인식되었다. 그러나 심장은 자율신경계의 지배를 받고 있기 때문에 결국 마음의 지배자는 뇌라고 할 수 있다. 마음의 과정은 뇌과학으로 이제 설명이 가능해진 것이다.”
마음에서 많은 영역을 차지하는 부분은 무엇일까? 그것은 바로 감정이고 그중에서도 공포는 가장 기초적인 마음의 작용이다. 이 공포 역시 뇌와 관계가 있다. “인간의 뇌에서 공포를 담당하는 곳이 뇌 안쪽에 있는 편도(Amygdala)다. 일례로 우리가 뱀을 만나면 본능적으로 빠르게 피하는 경향이 있다.
그런데 여기서 분명한 사실은 사람이 뱀을 본능적으로 피하는 것은 판단에 의해서가 아니라는 점이다. 인간은 편도에 이미 뱀이 위험하다는 공포의 정보가 입력돼 있고 그것을 통해서 피하게 되는 것이다.”
공포 다음으로 마음에서 중요한 영역이 바로 사랑이다. “사랑은 대뇌피질에 있는 변연계가 관장한다. 실험을 통해서 남녀가 사랑할 때, 뇌의 활성화되는 부위가 어머니가 아들을 사랑할 때 활성화되는 부위가 같음이 확인됐다. 그 이유는 사람은 사랑할 때, 똑같이 뇌에 있는 변연계의 지배를 받기 때문이다.”
과학자들이 뇌를 연구하는 궁극적인 목적인 무엇일까? 뇌를 만들어내는 바탕은 유전 정보다. 이 유전 정보에는 인간의 뇌 비밀이 들어있다. 결국 뇌의 정보에는 인간의 진화이거나 창조이거나 하는 정보가 들어있고, 뇌 연구는 바로 인간 자체의 연구인 것이다. 물론 대부분의 뇌과학은 인간의 진화를 전제로 하는 연구이며 가설이다.
결국 성격, 심리학, 학습 능력 등 모든 것은 사람의 뇌를 모른다면 전혀 발전할 수 없는 것들이다. 사람의 두뇌를 알아야 각 사람 개개인이 특성을 알 수 있는 것이다.
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