브레인 스토리/ 자아를 찾아서

  • 대뇌 반구의 4엽
    • 전두엽
    • 두접엽
    • 측두엽
    • 후두엽

뇌를 관찰하는 뇌

  • 뇌에서 종양을 제거하는 새러의 뇌 수술 사례.
    • 새러는 언어 능력을 관장하는 영역 옆에 종양이 생겼음.
    • 언어 능력을 관장하는 부위에 종양을 흡입하는 흡입관이 닿지 않게 하기 위해 의사는 새러의 두뇌에 전류를 흘려 새러가 말을 할 수 있는지 없는지 체크해야 했기 때문에 새러는 깨어 있는 상태에서 수술을 진행.
    • 뇌 자체는 고통을 느낄 수 없기 때문에 가능한 수술 방법.

창조적 치매

  • 30년간 음악 교사로 일했던 링햄의 픽(Pick)병 사례
    • 뇌의 앞부분이 서서히 위축되는 픽병은 치매를 불러 일으킴.
    • 픽병은 드물게 새로운 재능을 보여주기도 하는데, 딕은 한번도 보이지 않았던 그림에 대한 소질을 드러냄
  • 그림을 그리거나 피아노를 연주하는 등의 서로 다른 기술과 재능은 단순히 자율적으로 기능하며 분리되어 있는 뇌의 각 영역에 들어 있는 것이 아니다. 오히려 뇌는 전체적으로 기능한다.
  • 또한 뇌는 우리가 서앙하고 늙고 병듦에 따라 형성되고 재배열 된다.

알츠하이머병과 파킨슨병

  • 알츠하이머병은 사고 과정 자체가 마멸되는 치매 현상이고, 파킨슨 병은 운동장애를 일으킨다.
  • 뇌의 가장 기본적인 부분 안쪽 깊숙이에 검은색의 뇌세포 덩어리 2개를 흑질 (substantia nigra)이라고 하는데, 파킨슨병에 걸리면 이 흑질의 검은 세포가 죽기 시작하면서 운동 기능이 정지된다.
    • 정상적인 흑질 세포는 뇌세포가 서로에게 신호를 전달할 때 사용하는 특수한 화학물질 가운데 하나인 도파민(dopamine)이라는 물질을 분비한다.
    • 뇌는 운동을 관장하기 위해 도파민을 필요로 하는데, 흑질 세포가 없어지면 도파민이 부족해지고 뇌는 운동을 적절히 제어하거나 발현할 수 없게 된다.
  • 알츠하이머병은 전뇌기저부 (basal forebrain area)라는 영역에 손상이 생기는데, 알츠하이머병으로 파괴되는 세포는 아세틸콜린 (acetylcholine)이라는 신경전달물질을 사용한다.
    • 아세틸콜린을 필요로 하는 뇌의 영역이 제대로 작동하지 못하고 이런 기능장애로 인해 의식 혼란, 기억 상실 등의 치매 증상이 나타난다.

부분과 전체

  • 뇌는 다양한 조직이 서로 다른 방식으로 결합되어 있고 좌우 대칭의 형태를 띄고 있기 때문에, 각각의 뇌 부위가 다른 기능을 담당하며 해당 영역이 우리 인간의 다양한 행동 가운데 어느 하나를 관장할 것이라는 가설이 자연스럽게 자리잡았다.
  • 뇌 혈관이 터진 이자벨 레일의 사례
    • 뇌 혈관이 터져 한 부분이 산소 부족으로 죽었던 이자벨은 이후 차차 회복되어, 한가지 기능을 제외하고 모든 장애를 극복하게 되었다.
    • 이자벨의 청각은 완벽하지만, 그녀는 음악을 ‘인지’ 할 수 없게 되었다.
    • 이자벨의 관자놀이 부분에 있는 양쪽 측두부의 매우 작은 부위가 손상되었다는 것까지는 밝혀졌다.
  • 그런데 그 손상된 부분이 음악의 정보를 처리하고 이해하는 독립적인 기관이라기 보다는, 뇌 내부의 더 큰 규모의 체계에서 무언가 결정적인 요소라고 보는 것이 더 합당한 생각일 것이다.
    • 마치 자동차 엔진에서 점화 플러그 같은 셈인데, 점화 플러그 자체는 운동을 일으키지 않지만, 그것이 없으면 엔진이 움직이지 못하는 것과 같은 것이다.

누가 운동을 결정하는가?

  • 흑질은 운동 중추가 아니다. 필수적이긴 하지만 종합적으로 운동을 창출하는 각 영역의 복잡한 네트워크 중 한 부분일 뿐이다.
    • 마찬가지로 알츠하이머병이 망가뜨리는 전뇌기저부도 기억이나 성격의 중추가 아니다. 이곳은 아세틸콜린이 분비되는 곳으로, 최종적으로는 인간의 개성으로 구현되는 뉴런 활동이라는 광범위한 네트워크에서 필수적인 요소일 뿐이다. 다른 부위와의 결합이 중요하다는 것은 흑질도 마찬가지다.
    • 일반적으로 기억이나 언어, 시각 등 외부로 드러나는 각각의 뇌 기능에는 여러 뇌 부위가 자신의 임무를 담당하며 종합적으로 협력하고 있다.
  • 흑질의 중요 임무는 뇌의 다른 부분, 특히 미상핵과 피핵을 합한 부분인 선조체 (striatum)에 도파민을 공급하는 것이다.
    • 흑질과 선조체는 척수로부터 뇌의 앞부분까지 뻗어 있는 크고 복잡한 일련의 구조인 대뇌기저핵 (basal ganglia)의 한 부분이다.
  • 대뇌기저핵이 손상된 부위에 따라 운동장애도 다르게 나타나는데, 흑질이 퇴화하면 운동 능력이 쇠퇴하는 파킨슨병을 앓고, 미상핵이 손상되면 운동 과다 양상을 보이는 헌팅턴 무도병에 걸린다.
    • 이 두 질병의 대비되는 모습은 선조체와 흑질이 보통은 균형을 이루며 기능한다는 사실을 암시한다.
    • 실제로 약물 투여 결과로도 이 사실은 입증되었는데, 파킨슨병을 치료하기 위해 약물을 투여했더니 헌팅던 무도병이 악화되었고, 그 반대의 경우도 확인되었다.
  • 최근에는 대뇌기저핵의 여러 부분이 갖는 이 복잡한 균형이 파킨슨병의 새로운 치료법에 이용되고 있다.
    • 흑질과 결합된 특정한 구조를 수술로 파괴시키면 놀랍게도 파킨슨병 환자의 다수가 인상적인 수준으로 운동 능력을 회복한다.
    • 따라서 흑질이 운동 중추라고 하는 것은 사실이 아니다. (수술을 받는 중증 파킨슨병 환자는 흑질이 거의 없다.) 이렇듯 관련된 뇌 부위의 관계는 전체가 부분들의 합 이상이라는 것을 의미한다.
  • 대뇌기저핵도 전체로서 운동 중추를 구성하는 것이 아니다. 뇌의 다른 부위가 중요한 역할을 한다. 그 한 부위가 바로 소뇌 (cerebellum)이다.
    • 대뇌기저핵이 초보적 형태라 할 무의식적이고 내부적으로 촉발되는 운동, 다시 말해 앉기, 걷기 등과 관련된 것으로 보이는 반면, 소뇌는 감각기관으로부터 입력된 정보를 바탕으로 조절되는 운동과 관계가 있다.
  • 소뇌가 손상된 환자는 피아노 연주나 똑바로 걷기 등 감각기관을 통해 지속적으로 받아들이는 정보에 바탕한 복잡한 운동을 조절할 수 없다. 소뇌에 의존하는 운동은 감각기관과 밀접하게 관련되어 있다.
    • 파킨슨병은 소뇌 손상과 무관하기 때문에 상태를 개선하는 한 가지 치료법으로 흑질에 의존하는 운동을 소뇌에 의존하는 운동으로 전환하려고 시도하는 것을 생각해 볼 수 있다.
  • 우리가 근육을 의식적으로 통제할 필요가 없는 까닭은 소뇌와 대뇌기저핵의 작용 때문이다. 소뇌의 경우 감각기관과 운동의 섬세한 상호작용이 먼저 학습되어야 한다.
    • 자동차를 운전하거나 피아노를 연주하기 위해 노력해 본 사람이라면 잘 알고 있듯이 말이다.
    • (시스템사고에서 시스템1의 무의식적이고 자동화된 행동이라는 것은 결국 소뇌의 행동이라는 건가?)
  • 소뇌와 대뇌기저핵의 범위를 넘어서는 운동의 또 다른 차원이 존재한다. 그리고 그것은 의식적인 운동의 의지와 관련이 있다. 언제, 어디서, 어떻게 움직일지를 관장하는 두뇌의 영역은 어디일까? 대뇌피질의 어느 부분일 거라는 것이 답이다.
  • 대뇌피질은 인류라는 종에게만 유별나게 큰, 두뇌 바깥쪽의 주름진 부분이다. 우리는 대뇌피질에서 운동 통제와 관련해 중욯나 역할을 수행하는 부분들을 더 많이 발견하게 될 것이다.
  • 과학자들은 두개골에 전극을 설치하고 뇌의 각기 다른 영역이 만들어내는 미세한 전기 신호, 곧 뇌파를 측정함으로써 사람들이 의식적인 운동을 결정할 때 대뇌피질에서 무슨 일이 일어나는지를 어렴풋이나마 알게 되었다.
    • 운동이 발현되기 1-2초 전에 대뇌피질의 위쪽 뒷부분인 두정엽 피질에서 검출되는 뇌파의 유형이 변한다. 그것은 마치 뇌가 ‘준비해’라고 말하는 것과 같다.
    • 다음으로 2차 뇌파가 대뇌피질 앞에서 검출되는데 이는 ‘자세 유지’라고 말하는 것이다.
    • 마지막으로 운동이 발현되면서 3차 뇌파가 대뇌피질 앞부분 바로 뒤에서 검출된다. 뇌가 ‘시작’이라고 명령하는 것이다.
  • 운동 의지를 준비시키는 것처럼 보이는 두정엽 피질이 자유 의지의 사령탑이라고는 말할 수 없다. 왜냐면 두정엽 피질 또한 다른 여러 두뇌 영역에서 차례로 신호를 받아들이고 있기 때문이다.
  • 운동 결정을 두뇌의 특정 부위에서 내린다고 한정해 규명할 수 없다. 그것은 감각기관으로부터 비롯되는 기억과 감정과 정보의 최종 결과물이다.
    • (두뇌도 결국은 하나의 협업 네트워크. 어떠한 최종 결과물을 얻기 위해 분업화된 협업을 하는 것.)

살아 있는 뇌의 사진

  • 신경학자들은 특정한 정신 작용을 담당하는 하나의 센터 같은 것은 없다는 것을 알고 있었다. 그러나 다수의 두뇌 영역이 놀라운 수준으로 협동한다는 사실은 근래에 도입된 혁신적인 사진 영상 기술로 밝혀질 수 있었다.
  • 뇌가 특정한 역할을 담당하는 기능 중추들로 나뉠 것이라는 생각이 매우 단순한 개념임이 밝혀진 것처럼 각각의 신경전달 물질이 특정한 정신 작용을 담당하는 화학물질이라는 생각 역시 지나치게 단순한 것이다.
  • 예컨대 흑질에서만 도파민이 생성되는 것이 아니다. 흑질 바로 옆의 복측피개야라고 하는 부위에서도 도파민이 생성되는데 이곳에서 도파민 분비에 문제가 발생하면 파킨슨병이 아니라 정신분열증에 걸리게 된다.
    • 파킨슨병과 달리 정신분열증은 도파민 분비량이 많아지면 생기는 것 같다.
    • 사람들이 스스로 정신분열증과 유사한 증상을 느끼려면 각성제인 암페타민 (amphetamine)을 대량으로 복용하면 된다. 암페타민은 뇌에서 사용할 수 있는 도파민의 양을 증대시킨다.
  • 도파민과 정신분열증의 증상 사이의 관련성이 밝혀지면서 뇌 연구자들은 처음에 정신분열증이 도파민이 과다하게 분비되어서 일어난다고 생각했다. 그러나 사태의 전모가 그렇게 간단할 수만은 없다.
    • 우리는 도파민과 다른 신경전달 물질, 그리고 다른 뇌 영역 사이의 섬세한 상호작용과 이 상호작용이 정신분열증에서 확인되는 불완전한 사고로 어떻게 이어지는지에 관해 여전히 더 많은 것을 배워야만 한다.
    • 하나의 기능장애에 두 개 이상의 신경전달 물질이 관여하는 것처럼, 도파민처럼 하나의 신경전달 물질이 두 개 이상의 기능 장애에 관련될 수도 있다.
  • 뇌졸중처럼 뇌의 일부가 손상을 당하더라도 대부분의 경우에 어느 정도까지는 회복이 가능하다.
    • 뇌졸중은 뇌의 특정 부위에 혈액 공급이 갑자기 중단되면서 발생하는데, 대개 혈관이 막히거나 터지면서 그렇게 된다.
    • 주변의 뇌세포가 산소 부족으로 사멸하면서 수족 마비나 언어 능력 상실과 같은 다양한 장애를 겪게 되는 것이다.
    • 그러나 많은 경우 뇌졸중은 어느 정도까지 회복이 가능한데 가끔은 사멸한 뇌 부위의 인접 영역이 완벽하게 그 기능을 대신하기도 한다.
    • (동일한 부위에 동일한 크기로 뇌출혈이 나타난 두 환자의 회복이 그 사람이 살아온 배경에 따라 달라진다는 사례를 들었다. 단순 노동을 하던 공장 노동자에 비해 머리를 많이 쓰던 대학 교수의 회복이 더 잘 되었다는 사례)
  • 뇌졸중으로 인한 손상이나 기타의 기능장애가 흑질, 전뇌기저부, 기타 뇌 깊은 곳의 주요 부우에서 발생할 때만 파킨슨병이나 알츠하이머 병이 생기는 것이다.

부록: 주름투성이 뇌

  • 바다 민달팽이 아플라시아처럼 아주 단순한 동물들도 원시적이지만 일종의 뇌를 갖고 있다.
    • 인간의 뇌세포가 1조개인 반면 아플라시아의 뇌세포는 17,000개에 불과하다
  • 동물의 뇌는 운동을 돕기 위해 필요하다. 뇌가 감각기관을 통해 주변 상황에 관한 정보를 받아들인 다음 적절한 반응을 조절하는 것이다.
  • 움직이지 않는 동물은 뇌가 필요없다. 식물도 마찬가지.
    • 예를들어 우렁쉥이는 바닷속을 헤엄치는 유생 때만 뇌를 가진다. 다 자라면 한곳에 들러붙어 바닷물에서 먹이가 되는 미립자를 걸러 살아가는데, 더 필요가 없는 뇌는 소멸된다.
  • 뇌는 크기와 모양이 당야하다. 그러나 기본적인 지도는 진화의 과정 속에서 동일하게 유지되었다.
    • 모든 뇌는 뉴런이라 불리는 신경 세포 집단으로 구성된다. 그리고 이 신경 세포들은 서로 연결된 복잡한 네트워크를 형성한다. 다시 이 네트워크가 육안으로도 확인할 수 있을 만큼 특징적인 부위를 구성한다.
  • 모든 포유동물은 소뇌, 대뇌기저핵, 대뇌피질을 갖고 있다.
    • 소뇌는 머리 뒤쪽에 있는 콜리플라워 모양의 구조물로 그 자체로 독립적인 뇌처럼 보인다.
    • 대뇌기저핵은 대뇌의 중심에 자리하고 있는 일련의 연결된 부위들이다.
    • 대뇌피질은 대뇌의 바깥층을 이룬다.
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The author

지성을 추구하는 디자이너/ suyeongpark@abyne.com

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