[북툰] 15분 만에 정리하는 뇌과학(신경과학) 입문

 

 

우주에서 가장 놀라운 것이 우리 머릿속에 들어 있습니다.

우리의 두 귀 사이에 있는 무게 약 1.5kg의 물컹거리는 뇌는

거대한 우주만큼 경의롭고 복잡하며

아직 완전히 탐험하지 못한 미지의 세계입니다.

 

뇌는 약 80%가 물이고 나머지는 지방과 단백질입니다.

이런 평범한 물질 세 가지가

생각과 기억, 감각과 감정 같은 온갖 일들을 한다는 게 놀랍습니다.

 

--

네, 오늘은 이 놀라운 뇌의 가장 깊숙한 곳까지 들어가

뇌를 구성하는 기본 단위인 [뉴런]을 한번 알아보겠습니다.

 

이 작은 신경세포가 하는 일을 이해할 수 있다면

나의 생각과 기억, 감각과 감정이 어떻게 생겨나는지도

더 잘 이해할 수 있으리라 생각합니다.

그러면 아주 간략한 버전에 뇌과학 입문을 시작해 보겠습니다.

 

 

--제1장 뉴런

신경세포라고 불리는 뉴런은

그 이름처럼 생김새부터 좀 신경질적으로 생겼습니다.

작고 둥글둥글한 일반 세포와 달리

크고 비대칭적이며 수많은 돌기가 나 있습니다.

 

우리 뇌에는 이런 뉴런이 천억 개가량 있다고 알려져 있습니다.

천억 개의 뉴런이 하는 일은

서로 쉴 새 없이 이야기하는 것

좀 더 구체적으로는 쉴 새 없이 흥분시키는 것입니다.

 

뉴런은 양쪽 끝에 나 있는 돌기들을 통해

흥분 신호를 주고받습니다.

가지 돌기는 입력을 담당하고 축삭 돌기는 출력을 담당합니다.

가지 돌기로 들어온 신호는

세포체 축삭을 통과해 축삭 말단으로 출력되고

거기서 다시 다음 뉴런의 가지 돌기로 전달됩니다.

 

이 흐름을 화학적으로 해석해 보면 이렇습니다.

뉴런 주위에는 양전하와 음전하 이온들이 잔뜩 있습니다.

뉴런의 가지돌기 끄트머리에 흥분 신호가 전달되면

가지돌기 세포막에 있는 이온 통로들이 열리고

이온 펌프들이 작동하면서 양전하들이 쏟아져 들어옵니다.

그러면 가지돌기 내부는 순식간에 이전보다 양전하가 더 많은 상태

즉 양으로 하전 된 상태가 됩니다.

이를 ‘활동 전위’라 부릅니다.

 

여러 가지 돌기에서 시작된 ‘활동 전위’는

‘축삭 둔덕’이라는 언덕에 모입니다.

언덕에 모인 양전하들이 언덕을 넘을 만큼 충분히 많으면

활동전위는 순식간에 축삭말단까지 퍼집니다.

결국 뉴런의 가지 돌기에서 축삭말단까지 실제로 이동하는 것은

전기적 흥분의 물결이라 할 수 있습니다.

 

물결이 지나가면

뉴런은 재빨리 휴식 상태로 돌아갑니다.

다시 펌프가 작동하고 이번에는 음전하들이 쏟아져 들어옵니다.

활동 전위와 반대로

뉴런 내부가 음으로 하전된 상태를 ‘휴식 전위’라고 합니다.

 

휴식은 흥분만큼 중요합니다.

한껏 흥분한 상태인 활동 전위와

말없이 쉬고 있는 상태인 휴식 전위가

극단적으로 대비를 이룰수록

정보가 정확히 전달되기 때문입니다.

이제 그 정보가 어떻게 다른 뉴런으로 전달되는지 알아보겠습니다.

 

 

--2장 뉴런 둘

흥분 신호가 뉴런에서 뉴런으로 이동한다면

뉴런들은 모두 이어져 있을까요? 아니면 떨어져 있을까요?

 

지금 우리는 그 답을 잘 알고 있지만

19세기까지만 해도 이는 큰 논쟁거리였습니다.

19세기 과학자들은 대체로 뉴런들이

하나로 이어진 세포융합체라고 생각했습니다.

그러다 19세기 후반에 들어

뉴런들이 좁은 틈을 통해 정보를 전달한다는 새로운 주장이 등장했습니다.

 

결국 뉴런들이 서로 이어져 있다는 주장과

떨어져 있다는 주장이 치열하게 맞섰습니다.

당시에는 뉴런의 미세한 틈을 확인할 만큼 성능 좋은 현미경이 없었기 때문에

정답을 알려면 머리를 염색하는 수밖에 없었습니다.

머리카락이 아닌 진짜 머리를.

 

1873년에 이탈리아의 해부학자 카밀로 골지가

신경세포에 달라붙는 염료를 개발하면서

마침내 뉴런의 구조가 선명하게 시각화되었습니다.

 

골지의 업적 덕분에

과학자들은 뉴런의 틈을 확인하는 실험을 할 수 있었습니다.

만약 신경세포가 서로 이어진 융합체라면

염색은 퍼져 나갈 것이고

그렇지 않다면 퍼지지 않을 것입니다.

 

실험 결과 염색은 뉴런에서 뉴런으로 퍼지지 않았습니다.

뉴런은 하나하나가 개별 세포이며

축삭말단과 가지돌기 사이에는 틈이 있음이 분명했습니다.

과학자들은 그 틈을 ‘시냅스’라 불렀습니다.

 

시냅스의 존재는

1950년대에 전자 현미경이 발명되면서 완전히 확인되었습니다.

 

이렇게 정답을 알아냈지만, 의문은 남았습니다.

틈이 있다면 흥분 신호는

어떻게 공간을 건너뛰어 다른 뉴런으로 될까요?

양전하가 그대로 공간을 건너뛸까요?

 

그렇지 않습니다.

전기적 신호는 틈새를 뛰어넘지 못합니다.

틈을 뛰어넘으려면 화학적 형태의 신호로 바뀌어야 합니다.

그 화학적 형태가 바로 ‘도파민’ ‘세로토닌’ 등으로 불리는

‘신경 전달 물질’입니다.

 

모든 축삭 말단 내부에는

작은 풍선 모양의 소낭(소포)이 붙어 있습니다.

소낭에는 신경전달물질들이 가득 들어 있습니다.

멀리서 밀려온 활동 전위가 축삭 말단을 덮치면

소낭들이 터지면서 신경전달물질을 방출합니다.

방출된 신경전달물질은

시냅스를 헤엄쳐서 건너편에 가지 돌기에 도달합니다.

 

가지 돌기의 세포막에는

특정 신경전달 물질에 꼭 들어맞는 수용체가 있습니다.

신경전달 물질은 마치 열쇠와 자물쇠처럼

자신의 단짝 수용체하고만 결합합니다.

둘은 엉뚱한 자물쇠에 달라붙지도 않고

엉뚱한 열쇠를 받아들이지도 않습니다.

완벽한 파트너끼리 결합을 하면

가지 돌기에 있는 이온 통로들이 열리면서

흥분의 물결이 일어납니다.

 

하지만 물결은 영원하지 않습니다.

활동 전위는 불과 몇 밀리초 동안 벌어지고 사라지는 현상입니다.

활동 전위가 지나가면

신경 전달 물질들은 수용체에서 떨어져 나갑니다.

뉴런은 쓸모가 없어진 신경전달 물질들을 곧바로 처리합니다.

 

처리 방법은 두 가지입니다.

-첫째 환경을 생각하는 뉴런이라면 신경 전달 물질을 재활용합니다.

축삭 말단 세포막에 있는 펌프가

신경 전달 물질들을 재흡수해서

다시 소낭에 집어넣고 계속 써먹습니다.

 

-두 번째 처리 방법은 방류입니다.

시냅스에 있는 효소가 신경전달 물질을 분해한 뒤

그 찌꺼기를 바다로 흘려보냅니다.

한때 우리의 행동과 감정과 생각을 담당했던 신경전달 물질들이

조각조각 부서져

세포 밖으로 –뇌척수액으로 -혈류로 마지막으로 -방광으로 흘러갑니다.

 

신경전달 물질을 처리하는 것은 대단히 중요합니다.

만약 세로토닌이라는 신경전달 물질이

그 흐름이 약해져 흥분이 전달되는 정도가 떨어진다면 어떻게 해야 할까요?

일단 세로토닌의 방출량을 늘리거나

수용체의 개수를 늘리는 방법이 있을 겁니다.

둘 다 활동 전위가 일어날 확률을 높이는 방법입니다.

 

하지만 전혀 다른 방법도 있습니다.

재흡수 펌프의 활동을 억제하면 됩니다.

재흡수 길이 막히면

신경 전달 물질은 시냅스에 더 오래 머물면서

수용체와 반복해서 결합합니다.

이는 결과적으로 신호를 증폭시키는 효과를 낳습니다.

 

아니면 분해 효소의 활동을 억제해도 비슷한 결과가 만들어집니다.

신경전달 물질들이 덜 분해되면

시냅스에 더 오래 머물게 되어

마찬가지로 신호 증폭의 효과가 나옵니다.

 

결국 인간의 행동과 사고 그리고 개인차는

신경전달 물질의 생성량과 방출량,

수용체나 재흡수 펌프 그리고 분해 효소의 양에 달려 있습니다.

 

만약 우리에게 영혼이란 게 존재한다면

신경전달물질의 오작동 유무와 상관없이

우리는 고유의 정신세계를 유지할 수 있을 겁니다.

하지만 아직까지 그런 사례가 보고된 적은 없습니다.

우리가 아는 한 신경전달 물질에 탈이 나면 정신세계도 탈이납니다.

 

과학자들은 지금까지 수십 가지의 신경전달 물질을 확인했습니다.

신경전달 물질마다 방출량, 지속 시간이 제각각이고

심지어 전하값이 다른 경우도 있습니다.

그래서 도파민, 세로토닌, 글루타메이트처럼

흥분 효과가 큰 흥분성 신경 전달 물질이 있는 반면

가바처럼 활동전위를 억제하는 억제성 신경전달 물질도 있습니다.

 

덕분에 우리 뇌속의 정보 흐름은 훨씬 복잡해질 수 있습니다.

언덕에 모인 신호를 취합해 보니

흥분성 신호뿐 아니라 억세성 신호도 섞여있는 것입니다.

우리 뇌는 영리하게도

이런 복잡성을 역이용해서

신경 회로를 구성하기도 합니다.

 

뉴런들로 구성된 신경회로가

어떻게 만들어지고 어떻게 작동하는지

몇 가지 사례를 알아보겠습니다.

 

 

--3장 뉴런 셋 이상

편의상 뉴런들을 간단히 표시해 보겠습니다.

세포체와 가지돌기들은 동그라미 안에 집어넣고

긴 축삭 끝에 축삭말단들이 있습니다.

 

뉴런 A는 모든 축사 말단을 뉴런 B에 투사하고

플러스 부호로 표시된 흥분성 신경 전달 물질을 방출합니다.

다시 말해 뉴런 A가 뉴런 B를 자극합니다.

 

뉴런 A는 수많은 축상 말단 중 일부를 뻗어서 뉴런 C를 자극합니다.

그리고 뉴런 C는 다시 뉴런 A를 자극합니다.

뉴런들은 보통 복수로 연결되어 있기 때문에

여기까지는 별다를 게 없습니다.

 

그런데 뉴런 C가 뉴런 A에게 방출하는

신경전달 물질이 흥분성이 아니라 억제성 신경 전달 물질이

흥분성이 아니라 억제성 신경 전달 물질이네요.

덕분에 뉴런 A와 뉴런 C 사이에

일종의 피드백 고리가 형성되었습니다.

 

이제 무슨 일이 벌어지는지 보겠습니다.

뉴런 A는 활동 전위가 끝나면

곧바로 펌프를 돌려서 휴식 전위에 들어가야 합니다.

펌프 작동에는 에너지가 필요하죠

 

그런데 뉴런 C가 억제성 신호를 쏘아 준 덕분에

힘들이지 않고도 음전하들이 꽉 들어찼습니다.

뉴런 C가 뉴런 A의 휴식 전위 일을 대신해준 셈입니다.

더 좋은 점은 신호의 대비가 더 선명해졌다 것입니다.

앞에서 보았듯이 신경계는 대비가 중요합니다.

활동 전위와 휴식 전위 대비가 선명할수록

정보 전달력이 높아지기 때문입니다.

 

뉴런 C는 뉴런 A한테 흥분 신호를 받을 때에만

정확히 억제 신호를 쏘아 줍니다.

따라서 더 없이 정확한 타이밍으로

뉴런 A의 흥분 신호를 졸졸 따라다니면서

신호의 뒷잡음을 잘라줍니다.

 

이 기막힌 피드백 타이밍 덕분에 신호의 대비가 뚜렷해집니다.

뉴런 A는 축삭말단 1만 개 중에서

몇 개를 뉴런 B 대신 뉴런 C로 보내는가에 따라

이 피드백 신호의 강도를 조절할 수 있습니다.

 

물론 이런 회로들은 오랜 시간 동안

수없이 많은 조합을 실험한 끝에 얻어진 것입니다.

이 외에도 뉴런은 다양한 방식으로 신호의 선명도를 달성합니다.

예를 들어

뉴런 C가 이번에는 뉴런 B에게 억제성 신호를 보내

뉴런 B의 신호 선명도를 높이는 회로를 만들 수도 있습니다.

 

이제 좀 더 중요한 회로를 살펴보겠습니다.

우리 감각계와 관련 있는 회로입니다.

 

이번에는 뉴런 여섯 개로 구성된 회로를 가정해 보겠습니다.

뉴런 A가 뉴런 B를 자극하고

뉴런 C가 뉴런 D를, 뉴런 E가 뉴런 F를 자극합니다.

그런데 뉴런 C가 뉴론 D에게 흥분성 신호를 보내는 동시에

양옆에 뉴런들에게 곁다리로 억제성 신호를 보냅니다.

이렇게 되니까 뉴런 C와 D가 자극을 받을수록

주변의 뉴런들은 유난히 조용해집니다.

결과적으로 가운데 뉴런들의 선명도가 더 높아집니다.

 

이러한 측면 억제 회로는 감각계에 흔합니다.

예를 들어

푸른 초원에서 우리 눈에 희미한 빛이 한 점 비쳤을 때

방금 자극받은 게 뉴런 A, C, E 중 어느 거였지? 하고 머뭇거리다간

사자밥이 될 수 있습니다.

 

그런데 측면 억제 회로가 발달해 있다면

그게 C임을 금방 알아차리고

냅다 내 달리라는 명령을 전달합니다.

 

촉각도 이런 방식으로 작동합니다.

측면 억제 회로가 발달해 있다면

방금 콕 찔린 곳이 피부의 어느 지점인지 더 선명하게 알 수 있습니다.

청각도 방금 들은 음정을 더 선명하게 구분하고

후각도 방금 맡은 냄새를 더 선명하게 구분합니다.

 

이런 방식으로 우리의 감각계는

점점 더 빠르게 반응하는 방향으로 나아갑니다.

 

우리 몸의 감각과 행동을 제어하는 중앙 신경망이 구축되는 사이

한편에서는 또 다른 종류의 신경 회로가 발달합니다.

그것은 바로 생각을 담당하는 회로입니다.

 

마지막으로 우리가 생각하고 판단하고 창의력을 발휘하게끔 하는 회로가

어떻게 만들어지고 작동하는지 알아보겠습니다.

 

 

--4장 생각하는 뉴런

이번에는 뉴런 여덟 개로 구성된 회로가 있습니다.

뉴런 A가 뉴런 1, 2, 3을 자극하고

뉴런 B가 뉴런 2, 3, 4를

뉴런 C가 뉴런 3, 4, 5를 자극합니다.

이제 뉴런 A B C가

각각 남자 그림 하나에 반응한다고 가정해 보겠습니다.

 

이러한 그림 신호들이 지속적으로 전달되었을 때

뉴런 1은 무엇을 배울까요?

 

뉴런 1은 비교 대상이 없기 때문에

그저 맨 위에 남자만 알아보는 법을 배울 겁니다.

마찬가지로 뉴런 5도 아래쪽 남자만 알아보는 법을 배울 겁니다.

그에 비해 뉴런 3은 세 남자를 모두 비교할 수 있기 때문에

빅토리아 시대 남자들 복장이 어떤지를 배울 수 있습니다.

뉴런 2와 뉴런 4도 비슷한 학습을 하지만

비교 대상이 두 명밖에 없어서 정확도가 떨어집니다.

 

이 사진에서 누가 빅토리아 시대 남자인지 가장 정확히 알아보는 건

뉴런 3입니다.

 

또한 생각하는 뉴런들은 여러 회로에 중복으로 소속되어 있습니다.

그래서 소속된 신경 회로에서

각자 다른 역할과 다른 영향력을 발휘합니다.

빅토리아 시대의 복장을 알아보는 회로에서는

뉴런 3이 중심적 역할을 하지만

남자와 여자를 구분하는 회로에서는

뉴런1이 중심이고 뉴런3은 지엽적 역할을 하는 식입니다.

 

우리의 생각을 담당하는 신경망은

이런 복잡한 회로들을 대규모로 키운 것과 비슷합니다.

 

이러한 중복 회로 구조는 어떤 결과를 만들까요?

조금 더 섬세한 비교 능력

바로 연합, 비유, 우화 상징 등을 다루는 능력입니다.

 

붉은 노을의 색과 와인의 색을 연합하여 생각하는 능력

토메이토와 포테이토의 발음 방식이 비슷하다는 걸 아는 능력

메롱하고 내민 혀를 보고 롤링스톤스의 노래를 떠올리는 능력

특정 색깔과 무늬가 국가나 이데올로기를 상징한다는 걸 아는 능력

모두 복잡한 중복 회로에서 비롯된 것입니다.

 

중복 회로가 미친듯이 구축되다 보면

가끔 뜻밖의 회로가 생겨나기도 합니다.

 

예를 들어

대부분의 사람들은 얼굴이라는 개념을

대충 이런 그림과 연결해서 생각합니다.

 

어느 날 중복 신경망이 남들보다 더 복잡하고 특이한 사람이 등장합니다.

그 사람은 다른 사람들과 달리

피카소의 그림을 보고도 얼굴을 떠올릴 수 있습니다.

둥글고 대칭적인 모양뿐만 아니라

각지고 비대칭적인 모양도 얼굴과 연결시킨 겁니다.

 

이처럼 조금 더 복잡하고 특이한 회로가 만들어 낸 뜻밖의 결과물을

무엇이라고 부르면 좋을까요?

바로 창의성입니다.

 

새로운 것을 생각해 내는 특성인 창의성은

복잡한 중복 신경망의 과부화가 만들어 낸 일종의 별종 같습니다.

 

우리는 그 별종 회로를 이용해

이야기를 지어내고, 그림을 그리고, 사냥법을 만들고

정착하면서 수확하는 법을 고안했습니다.

창의성 회로 덕분에 우리의 삶은 더 복잡하고 더 풍부하게 변했습니다.

 

 

 

여러분들이 이 영상을 시청하시는 15분 동안에도

여러분의 뇌는 수백 조번 활동 전위와 휴식 전위를 생성했을 겁니다.

 

그때마다 뉴런은 소낭에 신경 전달 물질을 다시 채우고

채운 신경 전달 물질을 방출하고

방출한 신경 전달 물질을 청소했을 겁니다.

그 사이 어떤 신경 회로는 영상 일부분을 기억하고

어떤 회로는 몇몇 감정을 일으키고

어떤 회로는 창의적인 아이디어를 떠올렸을 겁니다.

 

5년 동안 한가닥 한가닥씩 구축되어 온 신경 회로들이

한꺼번에 폭발하며 일을 한 것입니다.

여러분들의 뉴런과 신경전달 물질들과

더 없이 복잡하고 창의적인 신경 회로들에 감사드리면서

뇌과학 입문을 마치겠습니다.