뇌의 구조와 신경계의 작용

뇌의 구조와 신경계의 작용

 

뇌는 어떤 구조를 가지고 있으며, 그것이 어떤 구조로 작용하고 있는지에 초점을 맞추어 이야기를 해나가고자 한다. <마음> 어떻게 해서 형성되고 있는지 하는 것은 매우 어려운 문제인데 그 기초가 되는 신경계의 작용과 뇌의 고도한 구조의 일면을 말하고자 한다.

 

사람의 장기이지만 간장(肝臟) 등에는 같은 세포가 집단을 이루어 그것이 한 덩어리가 되어서 영양소의 소화나 몸에 필요한 단백질의 합성 등을 하고 있는데 대강을 말한다면 <간세포의 집단=간장>이라고 해도 크게 틀리지 않는다. 따라서 간장의 기능을 자세히 알고 싶다면 간세포를 자세히 조사하면 알 수 있다.

 

그에 대해서 뇌나 척수 등의 중추신경계는 혈관 등을 제외하고 크게 나누면 신경세포(뉴런/neuron)와 신경교세포(구리아/glia)라는 2종류의 세포로 되어 있는데 뇌 부위에 따라 모양이나 작용은 크게 다르고 간장 등의 기관에 비하면 각각의 세포간의 결합이 매우 복잡함도 두드러진 특징이다.

척수를 예로 들어본다면 내과의 진찰 등에서 행하는 슬개건반사(膝蓋腱反射)(무릎 아래 건을 망치 등으로 두드리면 발이 튀는 반사)에서는 다리의 굽은 정도를 알려주는 발에서의 지각정보가 척수내의 운동 뉴런에 들어가서 운동 뉴런에서 흥분이 일어나면 활동이 발까지 도달해서 발을 들면 반응이 자동적으로 일어난다. 이런 단순한 신경의 작용도 척수내의 운동 뉴런과 척수의 가로로 위치하고 있는 감각 뉴런의 2종류의 뉴런이 척수 내에서 특수한 결합을 행함으로써 성립되고 있다. 우리들이 발을 움직일 때에는 이 반사경로가 다시 척수내의 뉴런이나 뇌에서 지령을 받아 수식하게 됨으로써 매우 복잡한 움직임을 매우 부드럽게 행할 수 있게 되는 것이다. 그 기구의 자세한 것에 대해서는 꽤 전문적이므로 여기서는 생략한다. 그러나 강조해 두고 싶은 것은 신경계에서는 단지 뉴런이 수많이 집합하는 것만으로는 기능하지 않고 매우 단순한 반사라도 복잡한 결합에 의한 세포간의 상호작용이 필요하다는 것이다.

 

그러면 이 시리즈에서 취급하는 뇌에서의 정보처리는 어떻게 행해지고 있는가. 예로서 시각계를 생각해 보기로 한다. 외계의 시각적 정보는 먼저 눈의 망막에 2차적으로 투사되고 그것이 망막 내에 존재하는 뉴런에 의하여 전기적인 차동과 같은 신호로 변환되어 디지털신호로서 시각에 관여하는 중추신경계에 전달된다. 여기서도 몇 가지의 종류의 뉴런이 그 사이에서 작용하는데 최종적으로는 뇌의 후두엽에 존재하는 시각야(視覺野)라는 영역에 정보가 전해져서 외계를 3차원적인 상으로서 인식하게 된다.

단지 참 의미로 외계의 상을 인식하기 위해서는 다시 상위의 중추신경계가 작용할 필요가 있다고 하는데 그에 관해서는 역시 너무 전문적이므로 여기서는 생략한다.

어떻든 시각이라는 하나의 감각에 관해서만도 무수의 뉴런이 관계하고 있고 그 복잡함이란 앞에서 말한 간장 같은 장기와는 완전히 한 선을 긋고 있다.

이처럼 운동이나 감각이라는 비교적 단순한 뇌기능도 매우 복잡한 뉴런의 상호작용으로 이루어지고 있으니까 <마음>을 이해하는 것은 꽤 어려운 문제임은 쉽게 상상할 수 있을 것이다.

 

그러면 <마음>의 정의는 한 발 물러두고 <마음>의 형성에 밀접하게 관여하고 있다고 직감적으로 느낄 수 있을 나의 전문인 <기억>에 대한 이야기로 화제를 바꾸고자 한다. 일반적으로 <기억>이라고 해도 많은 종류가 있다는 것을 알고 있다. 예를 들면 여행했을 때의 일을 생각해내는 것도 기억의 하나일 것이다. 어릴 때 자전거 타기 연습을 하여 잘 탈 수 있게 되어 그 후 20년간 자전거를 타고 있지 않아도 연습하지 않고도 곧 자전거를 탈 수 있는 것도 한 종류의 기억이다. 또 놀라운 일이 생긴 장소에 가면 나도 모르게 가슴이 두근거리기 시작 하는 것도 뇌 속에 어떤 기억이 남아있기 때문일 것이다.

이처럼 현재로서는 수많은 종류의 기억이 존재하고 각각 다른 구조로 다른 뇌의 부위에 흔적으로 남는다는 것을 알고 있다. 여기서는 대표적인 기억으로서 <일어난 일과 사실>에 관계하는 기억에 대해서 자세히 설명하기로 한다.

 

사람에 대한 관찰이나 실험동물을 쓰는 연구에서 사실이나 일어난 일에 관한 기억의 형성에는 계통발생적으로 오랜 대뇌피질인 <해마>라는 뇌부위가 깊이 간여한다는 것이 알려졌다. 이 종류의 기억은 그 내용을 말로써 표현하기 쉬운 데서(예를 들면 <작년 미국여행을 하여 골데 게트브릿지를 건넜다>하는 것처럼) 전문적으로는 진술기억(혹은 현재/顯在/기억)이라 부르고 있다. 그에 대하여 자전거의 타는 법을 잊지 않은 기억처럼 그 실체로서 그것을 언어로 표현해가는 기억을 비진술기억(혹은 잠재기억)이라 말한다.

여기서 주의할 것은 일반사회에서 사용되는 <잠재기억>(마음 깊숙이 묻혀있는 기억)과 전문적 의미로서의 <잠재기억>과는 크게 다르다는 점이다.

 

그러면 진술기억은 어떻게 형성되는 것일까? 해마에는 앞에서 말한 시각이나 청각 등의 지각정보가 대뇌피질이 개입해서 입력되고 있음을 알았고, 해마 안에서 필요한 정보가 일정기간 저축된다. 사람의 경우에는 일반적으로 2년간 정도 저장되어서 그것이 필요한 정보라고 판단될 때에는 대뇌피질의 일부에 분산되어 보존된다는 것이 알려졌다. 또 쥐의 경우에는 그 기간이 2주 정도라는 것이 실험적으로 밝혀졌는데 이처럼 기간의 다름이 어떤 기구에 의하여 가져오는 지에 대해서는 아직 잘 알고 있지 않다. 그러나 이런 기간의 다름이 어떤 기구에 의하여 가져오는지에 대해서는 거의 알려지지 않고 있다.

그러나 사람에 있어서도 쥐에 있어서도 장기적인 진술기억의 형성에는 해마가 필요하다는 것이 알려지고 있다. 사람에는 전간을 치료할 목적으로 해마의 제거 수술을 받은 사람으로 장기기억의 형성능력이 매우 나빠진다는 것이 관찰되고 있다. 이 사람의 경우 앞에서 말한 진술기억이 거의 형성되지 못하게 되었지만 자전거 타는 것이 잘 된다는 운동에 관한 기억에 관해서는 전적으로 정상이라는 것이 밝혀졌다.

이런 뇌의 손상을 가진 사람의 관찰을 통하여 사람이지만 많은 기억이 존재하여 각각 다른 뇌의 부위가 관여하고 있음이 알려지고 있다. 현재로서는 쥐에게 유전자 조작을 가해서 해마의 작용이 잘 되지 않게 해버리면 사물을 기억하는 것이 나빠진다는 것도 밝혀졌다. 그리고 기억이 어떻게 형성되는지에 관한 분자. 세포 레벨에서의 구조가 해명되려고 하고 있다.

 

그러면 해마는 어떻게 해서 정보를 저장해 두는 것일까? 다른 뇌 부위에서도 기본적으로는 같지만 해마는 뉴런과 뉴런 사이에 존재하는 시납(synapse)이라는 특수화한 부분에 정보를 담아두는 능력이 있음을 알고 있다. 신경계의 정보는 전기 신호의 파동인 디지털 신호로 전해진다는 것은 앞에서 말한 바와 같다. 그러나 시납에서는 신경전달물질이라는 화학신호로 치환되고 있다.

생체 안에서 전기신호를 수식하는 것은 꽤 어려운 일이지만 화학신호에는 비교적 용이하게 수식을 가할 수 있다는 것이 지금까지의 많은 연구에 의하여 밝혀지고 있다. 해마에서의 기억의 형성에도 시납에서의 화학신호의 수식이 본질적인 변화인 것을 알아가고 있고, 이 변화에 의하여 시납의 정보 전달이 쉽다는 것이 장기간에 변화한다는 것이 기억의 형성에 중요하다는 것이 밝혀졌다.

생활 중에는 모르는 사이에 여러 가지 의미로서의 기억이 활용되고 있는데 대개의 사람들은 눈치 채지 못하고 있으며 그것이 어떻게 가져오게 되는지에 대하여 의문도 가지고 있지 않을 것이다. 그러나 현대사회는 기억이 뇌 안에 어떻게 형성되고 있는지에 대한 구조가 뇌. 신경과학의 연구를 통하여 조금씩이지만 확실히 밝혀내려고 하는 시대에 돌입하고 있다고 할 수 있다.

* 문책=마나베 도시야(真鍋俊也) =교토대학 의학박사.의과학연구소기초의과학부문 교수. 

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