뇌의 작용 원리
뇌의 작용 원리
김진국
신경은 뉴런(neuron, 신경계의 단위)으로 이루어져 있으며 중추신경계(中樞神經系, central nervous system)와 말초신경계(末梢神經系, peripheral nervous system)로 나눈다. 중추신경은 뇌를 말하며 기억, 판단, 추리, 수의근 명령, 감정 등의 의식 작용을 하는 대뇌, 수의근의 운동과 자세를 담당하는 소뇌, 안구운동, 동공반사, 자세 등을 담당하는 중뇌(중간뇌), 자율신경과 호르몬을 조절하는 간뇌, 심장박동, 폐의 운동 등을 담당하는 연수, 배변 반사 등 척수 반사를 담당하는 척수가 있다.
이들 뇌는 뉴런을 여러 개 연결하고 여러 방식으로 연속적인 작용을 함으로써 다양한 논리를 형성한다.
말초신경은 감각신경, 운동신경, 자율신경(교감신경, 부교감신경)이 있다. 감각신경은 감각기관에서 정보를 뇌로 받아들이고, 운동신경, 자율신경(교감신경, 부교감신경)은 정보를 뇌에서 밖으로 전달한다.
신경은 여러 개의 뉴런이 신호를 주고받아 작용한다. 신호를 넘겨주는 앞쪽 뉴런의 축삭돌기와 신호를 받는 뒤쪽 뉴런의 가지 돌기(수상돌기)가 접하는 부분을 시냅스(synapse)라 한다. 시냅스에서는 전달물질이 분비되어 신호를 전달하는데 이 물질도 일종의 호르몬이지만 그 양이 호르몬보다는 극히 적은 양으로 작용한다(예를 들어 아세틸렌이나 아드레날린 등 50여 종). 그리고 뉴런 세포막의 안쪽과 바깥쪽은 여리 종류 이온의 불균일한 분포로 전기를 띠고 있다.
호르몬은 말초신경과 같이 정보를 상호 전달한다.
신경과 호르몬의 차이점을 보면 신경은 전기적 작용으로 정보를 전달하는 작용을 하며 호르몬은 화학물질을 이동시켜 정보를 전달하는 작용을 한다. 이에 따라 신경은 정보를 전하는 시간이 빠르며 작용하는 범위가 좁고 지속시간이 짧은 반면에 호르몬은 정보를 전하는 시간이 느리며 작용하는 범위가 넓고 지속시간이 길다.
1. 뉴런(neuron, 신경계의 단위)
가. 뉴런의 구조
신경계는 뉴런이라는 세포로 구성되어 있다. 신경 세포인 뉴런에는 일반적인 세포와는 달리 세포막이 늘어나서 생성된 수많은 돌기를 가지고 있다. 그 돌기 중에서 신호를 받아들이는 돌기를 가지 돌기(수상돌기, 樹狀突起, dendrite)라 하고 다음 뉴런으로 신호를 전달하는 돌기를 축삭돌기(軸索突起, axon, nerve fiber)라 한다. 축삭돌기를 감싸는 슈반초(신경초, neurilemma) 속에 수초(髓鞘, myelin sheath, 말이집)가 감고 있으면 유수 신경(有髓神經, medullated nerve)으로 신호 전도 속도가 빠르고 수초(말이집, myelin sheath)가 없으면 무수 신경(無髓神經, nonmyelinated nerve)으로 신호 전도 속도가 느리다.
감각신경, 운동신경, 뇌를 구성하는 감각 뉴런, 운동 뉴런, 연합 뉴런의 모양은 조금씩 다르다.
나. 뉴런의 작용
1) 휴지막 전위(resting membrane potential, 분극, 分極, polarization)
뉴런을 지나가는 신호는 전기적 신호로 전도된다. 그래서 보통 휴지막 전위(신호가 가지 않을 때) 일 때 뉴런막 안쪽은 (-) 극(-70mV), 바깥쪽은 (+) 극으로 분극(分極, polarization)이 되어 있다. 휴지막 전위(분극)는 뉴런이 신호를 전도하지 않을 때이며 신호를 받을 수 있도록 준비를 하고 있는 상태이다. 휴지막 전위일 때 뉴런막 안쪽은 (-) 극(-70mV), 바깥쪽은 (+) 극으로 분극이 되어 있는 것은 ATP 에너지를 사용하여 Na+ 이온을 막 밖으로 이동시키고 K 이온을 막 안쪽으로 이동시키는 능동 수송인 Na+- K* 펌프작용이 일어나기 때문이다. Na+- K* 펌프작용으로 휴지막일 때에는 Na 이온의 농도가 막 바깥쪽이 막 안쪽보다 높고 K* 이온의 농도는 막 안쪽이 막 바깥쪽보다 높게 형성되어 있다.
2) 탈분극(脫分極, depolarization, 신경의 흥분, 신경의 반응)
뉴런에 신호가 들어와 뉴런 막의 Na+ 이온통로를 자극하면 막 밖의 Na+ 이온의 농도가 막 안쪽보다 높으므로 막 밖의 Na+ 이온이 막 안쪽으로 통로를 통하여 수동 수송으로 많은 양이 빠르게 이동된다. 이에 따라 막 안쪽이 (-) 극(-70mV)에서 (+) 극(+30mV)으로 바뀌는 것을 탈분극(신경의 흥분, 반응)이라 하고 신호가 형성되는 것이다. 탈분극으로 바뀐 전위를 활동 전위(100mV)라 한다.
3) 재분극(再分極, Repolarization)
뉴런 막에서 신호가 지나간 부분은 다시 K* 이온통로를 열고 빠르게 K* 이온을 막 바깥으로 수동 수송시켜 막 안쪽은 (-) 극, 바깥쪽은 (+) 극으로 다시 임시적으로 분극이 된다.
4) 이온의 재배치
ATP 에너지를 사용하는 Na+- K* 펌프작용으로 Na+ 이온을 뉴런막 밖으로 이동시키고 K* 이온을 막 안쪽으로 이동시켜 분극(휴지막) 상태로 만드는 것이다.
다. 신호의 이동
1) 흥분의 전도(興奮傳導, conduction of excitation)
탈분극 된 뉴런 막 안쪽에서 (+) 극이 옆의 (-) 극으로 전기가 흐르는 것이 신호가 전도되는 것이다. 이것을 흥분의 전도라 한다. 흥분의 전도 중 활동 전위가 누전 등으로 약해지는데 안쪽의 활동 전위(100mV)가 역치(반응을 일으킬 수 있는 최소 자극) 이하로 약해지기 전에 Na+ 통로가 활동 전위의 자극을 받아 다시 탈분극이 되어 Na+ 이온이 막 안쪽으로 이동함에 따라 막 안쪽의 (+) 극의 활동 전위가 복구되므로 신호는 끊어지지 않고 계속 전도되는 것이다.
2) 흥분의 전달(興奮傳達, transmission of excitation)
두 뉴런 사이인 시냅스는 두 뉴런이 붙어 있는 것이 아니고 떨어져 있으며 탈분극 신호가 앞 뉴런의 축삭돌기에 전도되면 축삭돌기 끝의 시냅스 소포에서 분비되는 전달물질이 뒤 뉴런의 가지 돌기(수상돌기)를 자극하여 탈분극 시킴으로써 신호를 전달한다. 시냅스 소포에서 전달물질이 분비되어 탈분극의 신호가 다음 뉴런으로 넘어가는 것을 흥분의 전달이라 한다.
3. 시냅스(synapse)와 뇌(腦, brain)
가. 다이오드의 논리 생성
컴퓨터 칩은 수백만 개의 다이오드, 트랜지스터, 콘덴서, 저항 들이 회로로 연결된 것이다. 여기서 다이오드는 신호를 흐르게 할 것인가 흐르지 않게 할 것인가를 결정하므로 여러 개를 연결하여 원하는 논리를 생성할 수 있다.
다이오드의 논리 생성을 알아보자.
세탁기에서 세탁물의 양에 따라 세제 양과 물의 양, 세탁 시간, 탈수 시간을 정하고 세탁기에 명령을 내려야 한다. 그래서 세탁조에 세탁물을 넣으면 세탁기에서 세탁물의 무게를 측정하고 그 수치를 다이오드가 연결된 회로가 판단하여 각각의 양과 시간을 정하는 것이다. 예를 들어 세탁기에 세제를 넣는 통이 2개이고 최대 세탁 양이 4Kg이라면 1Kg의 세탁물을 넣었을 때 다이오드를 통한 전류는 흐르지 않게 되어 낮은 전압의 전류가 흐르게 되어 세제 통이 한 개만 열려 세제가 나오고 세탁물을 3Kg 넣었을 때 다이오드를 통한 전류가 흘러 강한 전압의 전류가 흐르게 되어 2개의 세제 통 모두가 열리는 것이다. 다이오드 하나로 2가지 경우를 만들 수 있는 것이다. 이와 같이 다이오드가 세탁물의 양에 따라 넣는 세제 양을 결정하여 넣을 수 있는 것이다. 세제 양을 더 세분하여 넣으려면 세제 통을 세분하고 앞의 두 가지 경우 중에서 전압이 높게 흐르는 다이오드 회로에 다시 다이오드를 연결하여 그 전압이 높은 경우와 전압이 낮은 경우로 만들 수 있으며 처음의 다이오드에서 전압이 낮게 흐르는 다이오드에 다시 다이오드를 연결하여 전압이 높게 흐르는 경우와 전압이 낮게 흐르는 경우를 만들 수 있으므로 총 4가지 경우를 만들 수 있는 것이다. 이렇게 계속 분화시키면 원하는 경우의 수를 얼마든지 만들 수 있으므로 이를 이용하여 논리회로를 구성할 수 있는 것이다.
나. 시냅스의 다양성
뉴런은 다이오드와 비슷하지만 다이오드는 한 개의 입력에 두 개의 출력인 반면에 뉴런은 가지 돌기(수상돌기)와 축삭돌기가 각각 1,000개가량이나 되므로 신호를 다양한 곳에서 다양한 크기로 받아들일 수 있고 다음 뉴런으로 신호를 넘길 때도 축삭돌기의 가지가 많고 시냅스 소포에서 분비하는 물질이 다양하므로 여러 곳으로 다양한 크기로 종류도 다양하게 신호를 넘길 수 있게 되어있다. 사람의 뇌의 시냅스는 1000조 개가 넘는다고 한다. 뇌의 신경은 회로망이 수 없이 복잡하다는 것이다.
다이오드는 전기신호를 받아들일 수 있는 세기는 거의 일정하며 달라도 몇 종류밖에 없다. 그러나 뉴런은 종류마다 그리고 수상돌기 가지마다 받아들이는 시냅스의 신호의 세기가 모두 다르다.
다이오드의 전기회로는 직렬적으로 2진법의 논리를 생성한다면 뉴런은 직렬과 병렬을 혼용하여 여러 정보를 한 번에 종합하여 처리하는 직관적 처리 방법이라 할 수 있다. 예를 들어 어떤 뉴런의 축삭돌기가 10개라면 다이오드로 처리하는 베이직(BASIC)의 if for next구문 10회를 1개의 뉴런이 한 번에 처리할 수 있다.
다이오드와 뉴런이 같은 개수라면 뉴런은 느려도 사용할 수 있는 회로 수가 다이오드가 형성할 수 있는 회로수보다 수없이 많다는 것이다. 그러므로 적은 수의 뉴런으로도 많은 정보를 빨리 처리할 수 있게 되는 것이다.
뉴런은 다이오드보다 훨씬 진보된 것이라 할 수 있는 것이다.
다. 시냅스의 작용
신경계는 자극과 반응에 관계한다. 신경계는 자극과 반응 사이에서 신호를 전달하거나 정보를 받아들여 판단하고 명령을 내리는 작용을 하는 것이다. 신경계의 작용인 고온의 물체에 무심결에 손가락이 닿았을 때 일어나는 무조건 반사를 예로 들어보면 손가락의 감각기관인 여러 온점과 통점 등에서 고온과 통증 등을 감지하여 감각신경을 통해 후근을 지나 척수 수질의 연합 뉴런으로 들어가면 척수의 연합 뉴런은 감각신경의 신호 크기가 작으면 작동을 하지 않고 신호가 어느 정도 크면 운동신경에 명령을 내리게 되고 운동신경은 척수의 전근으로 나와 손가락 근육에 명령을 전달한다. 명령을 받은 손가락 근육은 손가락을 웅크리는 약속된 본능적 반응을 하게 되는 것이다. 그런데 감각신경의 신호 크기가 너무 크면 척수 속의 여러 연합 뉴런에 넘겨주거나 반대편 연합 뉴런에 넘겨주어 팔을 접거나 몸 전체가 놀라 움직이는 본능 반응을 하게 된다.
라. 뇌(腦, brain)
무조건 반사는 감각점 하나에 뉴런 3개가 작용하고 그중 정보를 판단하여 명령을 내리는 연합 뉴런은 1개만 작용하면 되는 것이다. 이것은 가장 하등 한 정신 작용으로 일어나는 본능인 것이다.
정보가 앞 뉴런에서 접한 다음 뉴런으로 넘어가는 부분을 신경 절(시냅스)이라 한다. 이 신경의 절(시냅스)이 정보를 다음 뉴런으로 넘겨줄 것인가, 말 것인가 늘 판단하여 결정을 내리는 것이므로 신경의 절(시냅스)이 가장 간단한 뇌인 것이다.
하등동물은 뉴런의 수가 적고 시냅스가 많이 있지도 않다. 그래서 시냅스(신경의 절)가 뇌에 해당하는 것이다.
인체는 100조 개의 세포로 구성되어 있으며 뇌를 구성하는 세포는 약 1조 개다. 뇌 신경계를 구성하는 세포인 뉴런(neuron)의 수는 1조 개 중 10%인 약 1000억 개다.
우리가 보통 뇌라고 하는 것은 수많은 연합 뉴런이 모여서 수많은 시냅스로 연결되어 망을 이루고 있으므로 고등한 논리 작용이 일어난다.
다이오드가 시냅스와 같은 작용이라고 할 수 있지만 다이오드 1,000개의 연결이 시냅스 한 개와 같은 작용이라고 할 수 있다. 그리고 이렇게 뛰어난 시냅스에서는 신호세기에 따라 자동으로 회로가 정해져 신호가 전달되지만 다이오드는 사람이 조건을 프로그램에 넣어 지시해야 한다는 것이다. 사람이 지시해야 할 조건을 모두 찾지 못하여 프로그램화가 되지 않으면 엉뚱한 결과가 나오거나 결과가 나오지 않을 것이다. 그러나 사람의 뇌는 모든 감각기관을 동시에 사용하며 초기의 감각정보가 미비하면 계속 받아들이고 다른 기관에서 일부 정보를 찾아 수정한다. 결과가 정확하지 않아도 비슷한 결과를 얻을 수 있으며 그리고 감정과 이성의 작용으로 의심을 갖게 되어 계속 탐구하게 된다.
다이오드와 뉴런이 같은 개수라면 뉴런은 사용할 수 있는 회로 수가 다이오드가 형성할 수 있는 회로수보다 수없이 많다는 것이고 다이오드가 직렬적으로 정보를 처리하는데 비해 병렬적이고 유기적으로 상호작용하여 간섭, 종합, 조절 등이 한 번에 일어날 수 있다는 것이다. 그러므로 적은 수의 뉴런으로도 정보를 처리할 수 있게 되는 것이다. 단지 뉴런으로 구성된 뇌는 기계가 아니므로 반복적이거나 많은 양을 오랫동안 기억하는 것은 불가능하다. 뇌는 감정도 생성하므로 불필요하거나 슬픈 기억은 지워버리는 등의 기능이 더 있기 때문이다.
사람의 뇌와 같은 고등한 뇌는 앞의 무조건 반사의 예에서 고온의 물체에 무심결에 손가락이 닿았을 때 단순히 손가락을 웅크리는 무조건 반사만 일어나는 것이 아니다.
손가락의 감각기관인 여러 온점, 통점 등에서 고온, 통증 등을 감지하여 각각 여러 개의 감각 뉴런 다발로 된 감각신경을 통해 후근을 지나 척수의 피질을 따라 올라가 연수에서 교차를 일으켜 반대편 대뇌로 들어간다. 그리고 각 감각신경은 뉴런 1개가 끝까지 정보를 전도하는 것이 아니고 여러 개가 시냅스로 연결되고 다발을 이루어 있다. 대뇌가 여러 정보를 받으면 수많은 연합 뉴런이 논리 작용을 하여 뜨거운 정도, 통증 정도를 판단하고 시각에 명하여 피부 색깔, 부풀어 오른 정도를 종합 판단하여 그대로 둘 것인가 약을 바를 것인가 병원에 갈 것인가 등 후속 조치를 어떻게 할 것인가를 결정하고 행동하게 하며 기억으로 남기는 등의 정신작용을 한다. 이런 대뇌의 판단은 경험을 바탕으로 이루어지므로 조건반사라 한다.
또 감각신경이 대뇌로 올라가는 중에 간뇌의 시상에 정보를 주므로 시상하부가 작용하여 자율신경을 작용하게 하고 호르몬을 분비하게 하여 항상성을 유지하기 위한 혈관의 수축, 체온 조절, 면역작용, 조직의 재생 등을 결정하고 실행하게 된다. 통증이 너무 강하면 엔도르핀을 분비하여 통증을 줄이기도 한다. 이와 같이 감각기관에서 받아들인 자극을 신경과 호르몬이 조절하여 기억, 판단, 추리, 예측 등 이성적, 논리적 작용뿐만 아니라 감정 등 정의적인 정신적 작용을 한다.
정신작용의 고도화는 감정의 발달로 이어져 세밀한 희로애락을 가지게 되었다.
이런 정신적인 작용에 따라 운동기관에 명령을 내리며 또 자율신경과 호르몬에 정보를 주므로 기관의 항상성 유지, 재생, 생장을 하게 한다.
사람의 신경은 다이오드와 같은 직열식이 아닌 병렬식으로 진행되고 중요한 것을 우선시하여 전체를 한 번에 판단하는 직관식이다. 컴퓨터와 같이 모든 경우를 다 대입해서 판단하는 것이 아니다. 그래서 우리의 뇌는 컴퓨터와 같이 정확하지는 않을 수도 있지만 데이터가 적다면 컴퓨터와는 달리 결론을 더 빠르게 내리며 입력하지 않은 더 높고 새로운 고차원의 결과를 찾아낼 수도 있는 것이다.
이와 같이 우리의 뇌는 신경과 호르몬이 조절하여 기억, 판단, 추리, 예측 등 이성적, 논리적 작용과 같은 대뇌의 작용이 발달되어 있어 사람을 만물의 영장이라 한다.
경험(먼저 받아들인 정보)을 바탕으로 새로운 것을 예측할 수 있으므로 예술의 창작, 종교의 생성과 활동, 논리의 계발, 기구의 발명 등 무한히 발전할 수 있는 것이다.
그리고 우리의 뇌는 기억을 할 뿐만 아니라 망각 작용을 한다. 단순한 망각 작용이 아니라 경중을 가려서 하며 또 완전히 지워지는 것이 아니고 다시 재생될 수 있는 것이다.
마. 뇌에서 호르몬의 작용
뇌에서도 호르몬이 작용한다. 뇌에서의 호르몬 작용은 특정 시냅스에만 작용(연결 분사)하기도 하지만 수많은 뉴런의 축삭돌기의 불룩한 부분에 동시에 작용(광역 분사)시킬 수도 있다.
3. 신경과 호르몬에 의한 항상성 유지
우리 몸의 혈당량은 0.1% 농도로 거의 일정하게 유지된다.
호르몬인 글루카곤은 혈당량을 높이고 인슐린은 혈당량을 낮춤으로써 혈당량을 일정하게 유지한다. 이와 같이 서로 반대 작용을 하는 두 호르몬이나 교감신경과 부교감신경과같이 반대로 작용하여 조절하는 작용을 길항작용이라 한다.
혈액에서 칼슘 농도도 일정하게 유지되어야 하는데 혈액에 칼슘 농도를 높이는 호르몬은 파라트로몬이고 혈액의 칼슘 농도를 낮추는 호르몬은 칼시토닌이다. 이들의 작용도 길항작용이다.
그런데 갑상선 호르몬인 티록신은 혈액에 티록신 농도가 높으면 적게 분비되고 혈액에 티록신 농도가 낮으면 많이 분비된다. 이렇게 조절되는 작용을 음성 피드백 작용이라 한다. 이와 같이 우리 몸의 조절 작용은 르샤틀리에의 원리(Le Chatelier's Principle)가 적용된다고 볼 수 있다.
르샤틀리에의 원리는 평형 법칙(Equilibrium Law)이라고도 하며 화학계에 어떤 변화가 있을 때 그 변화가 완화되는 방향으로 평형이 이동한다는 원리이다.
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