뉴런 : 행동의 기원

 

대략 10억 정도의 사람들이 4년마다 열리는 월드컵 최종 게임을 시청합니다. 이는 상당히 많은 숫자이지만 지구 상에 살고 있는 약 70억 인구의 14%보다 약간 많은 숫자에 불과합니다. 이보다 더 인상적인 숫자는 월드컵 토너먼트 중 어느 게임이든 간에 한 게임을 본 사람의 숫자인데, 300억 정도로 추정됩니다. 하지만 실제로 엄청난 수는 여러분의 두개골 안에 위치하여 지금 여러분이 읽고 있는 큰 숫자들을 이해하도록 도와주고 있습니다. 여러분의 뇌에는 대략 1000억 개 정도의 신경 세포들이 다양한 과제들을 수행하여 여러분으로 하여금 인간으로 기능할 수 있게 합니다.

인간은 사고를 하거나 감정을 느끼거나 행동을 할 때 자주 눈에 띄는 신호에 의존합니다. 친구를 만나러 가는 동안 여러분이 어떻게 느낄 것인가를 예로 들어 봅시다. 여러분을 지켜보는 사람이 여러분의 얼굴에 나타나는 미소를 보거나 여러분이 빨리 걷는 것을 관찰할 것입니다. 여러분은 친구를 만나면 무슨 말을 할 것인지를 마음속으로 리허설하고 친구에게 가까이 갈수록 행복감을 느낄 것입니다. 이 모든 눈에 띄고 경험적인 신호들은 여러분의 뇌세포들의 활동으로 일어납니다. 여러분이 가지고 있는 기대감, 느끼는 행복감, 걷는 속도 등은 뇌에서 일어난 정보 처리의 결과입니다. 여러분의 생각, 감정과 행동 모두가 하루에 수조 번이나 정보를 받아들이고 행동을 생산해 내는 뇌세포들로부터 초래됩니다. 이 세포들이 뉴런, 즉 신경계에 위치하여 정보 처리 과제를 수행하기 위해 서로 의사소통하는 세포들입니다.

1800년대 과학자들은 자신들의 관심을 사지, 폐와 간 기능의 연구에서 관찰하기 어려운 뇌 작용의 연구로 돌렸습니다. 철학자들은 뇌를 '매혹적인 베틀'로 묘사하였는데, 즉 행동이라는 태피스트리를 짜는 신비스러운 기관으로 묘사하였으며, 뇌에 관한 철학자들의 이러한 은유를 많은 과학자들이 증명하였습니다. 과학자들은 뇌를 정교한 실로 끊임없이 연결된 격자로 보았으며 뇌를 잘 짜인 하나의 큰 망이라고 결론 내렸습니다. 하지만 1880년대 스페인의 의사인 산티아고 라몬 카할이 뇌에 있는 뉴런들을 염색하는 새로운 기법을 적용하였습니다. 이 염색법은 세포 전체의 모양을 드러나게 하였으며, 이에 따라 뉴런들이 서로 다른 형태와 크기를 가진다는 것이 밝혀졌습니다. 

카할은 뉴런들이 세 가지 기본 요소인 세포체, 수상돌기, 축색으로 구성된 복잡한 구조를 가지고 있다는 것을 발견하였습니다. 신체 기관의 세포들처럼 뉴런들은 세포체를 가지고 있으며, 세포체는 뉴런의 가장 큰 요소로서 정보 처리 과제를 조정하고 세포가 살아 있게 하는 기능을 가지고 있습니다. 이곳에서 단백질 합성, 에너지 생산, 신진대사가 일어납니다. 세포체는 핵을 가지고 있는데, 여기에는 DNA, 혹은 여러분이 누구인가에 관한 유전 청사진을 함유하는 염색체가 위치합니다. 세포체는 분자들을 세포 안과 밖으로 이동하게 하는 투과성의 세포막으로 둘러싸여 있습니다.

다른 체세포들과 달리 뉴런은 세포체로부터 확장된 두 유형의 요소를 가지고 있습니다. 즉, 수상돌기와 축색을 가지고 있으며 이들을 통하여 뉴런들이 서로 의사소통을 합니다. 수상돌기는 다른 뉴런으로부터 정보를 수용하여 이를 세포체에 전달합니다. 수상돌기라는 용어는 나무를 뜻하는 그리스어의 dendrite로부터 유래되었는데, 실제 대부분의 뉴런들은 마치 나뭇가지처럼 보이는 수많은 수상돌기들을 가지고 있습니다. 축색은 정보를 다른 뉴런, 근육 혹은 내분비선으로 전달합니다. 척수의 기저 부위에서 발가락에 이르는 축색을 길게 잡아당기면 그 길이가 무려 1미터나 될 정도로 매우 긴 축색도 있습니다.

 

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많은 뉴런들에서 축색은 수초로 덮여 있는데, 수초는 지방성 물질의 절연층입니다. 수초는 신경계에서 관찰되는 지지 세포인 교세포로 만들어집니다. 비록 여러분의 뇌에는 1000억 개의 뉴런들이 바쁘게 정보를 처리하지만 뉴런보다 10~50배 정도 더 많은 교세포들도 다양한 기능을 수행합니다. 일부 교세포들은 죽은 뉴런의 일부를 소화하고 일부 교세포들은 뉴런에게 물리적 지지와 영양을 공급하며, 또 다른 교세포들은 수초를 형성하여 축색으로 하여금 더 효율적으로 정보를 전달하도록 돕습니다. 축색이 절연 물질인 수초로 둘러싸여 있으면 다른 뉴런, 기관 혹은 근육으로 더 효율적으로 신호를 전달하게
됩니다. 실제 다발성 경화증과 같은 탈수초화 질환에서는 수초가 상실되며 이로 인하여 한 뉴런에서 다른 뉴런으로의 정보 전달이 느려집니다. 이 결과 다양한 문제들, 즉 사지의 감각 상실, 부분적 시력 상실, 협응 운동과 인지 기능의 어려움 등이 초래됩니다.

카할은 뉴런의 수상돌기와 축색들이 서로 붙어 있지 않는 것도 관찰하였습니다. 한 뉴런의 축색과 다른 뉴런의 수상돌기 혹은 세포체 사이에 작은 틈이 존재합니다. 이 틈이 시냅스, 즉 한 뉴런의 축색과 다른 뉴런의 수상돌기 혹은 세포체 사이의  접합 부위의 일부입니다. 여러분의 뇌에 있는 1000억 개의 뉴런들 중 많은 뉴런들이 수천 개의 시냅스 접합을 가지고 있기 때문에 대부분의 성인 뇌에 100~500조의 시냅스가 존재한다는 것은 전혀 놀랄 일이 아닙니다. 시냅스를 통한 정보 전달이 뉴런들 사이의 기본적인 의사소통 수단이며 이로 우리가 생각하고 느끼고 행동하게 됩니다.

세 가지 주요 뉴런 유형에는 감각 뉴런, 운동 뉴런, 개재 뉴런이 있으며 각 유형의 뉴런은 독특한 기능을 수행합니다. 감각 뉴런은 외부 세계로부터 정보를 수용하고 이 정보를 척수를 통하여 뇌로 전달합니다. 감각 뉴런들은 자신들의 수상돌기 끝에 특별한 구조를 가지고 있으며, 이를 통하여 빛, 소리, 접촉, 맛, 냄새에 관한 신호를 수용합니다. 예를 들어 우리 눈에 위치하는 감각 뉴런의 끝부분은 빛에 민감합니다. 운동 뉴런은 신호를 척수로부터 근육으로 전달하여 운동이 일어나게 합니다. 이 뉴런들은 종종 긴 축색을 가지고 있어 신체 말단의 근육까지 연결됩니다. 하지만 신경계의 대부분은 세 번째 유형의 뉴런, 즉 개재 뉴런으로 구성되어 있는데, 개재 뉴런은 감각 뉴런, 운동 뉴런 혹은 다른 개재 뉴런들을 서로 연결하는 기능을 합니다. 일부 개재 뉴런들은 감각 뉴런으로부터 정보를 받아 신경계로 전달하는 한편 일부 개재 뉴런들은 신경계로부터 운동 뉴런으로 정보를 전달합니다. 또 다른 개재 뉴런들은 신경계 내에서 다양한 정보 처리 기능을 수행합니다. 개재 뉴런들은 작은 회로를 통하여 단순한 과제, 예를 들어 감각 신호의 위치 탐지 등을 행하거나 친숙한 사람의 얼굴 인식 등과 같은 훨씬 더 복잡한 과제를 수행하기도 합니다.