15분 만에 끝내는 뇌과학(신경과학) 입문 [북툰 과학 다큐]
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Q: 뇌과학 입문 콘텐츠는 뇌의 어떤 기본 원리를 소개하나요?
뇌과학 입문에서 가장 중요한 핵심은 무엇인가? 우리의 생각, 기억, 감정, 그리고 창의성까지 모든 정신 활동은 뉴런과 신경전달물질로 이루어진 복잡한 신경 회로의 상호작용으로 발생하며, 이는 인간의 고유한 정신 세계가 물질적 기반을 가짐을 시사합니다.
1. 뇌의 기본 단위, 뉴런의 구조와 신호 전달 방식
1.1. 뉴런의 기본 구조와 역할
- 뇌의 경이로움과 복잡성
- 우리 머릿속의 뇌는 우주만큼 경이롭고 복잡하며 아직 완전히 탐험하지 못한 미지의 세계이다 .
- 뇌는 약 80%가 물, 나머지는 지방과 단백질로 구성되어 있으며, 이러한 평범한 물질들이 생각, 기억, 감각, 감정 등 온갖 일을 수행한다 .
- 뉴런의 생김새와 수
- 뉴런은 신경 세포라고 불리며, 작고 둥근 일반 세포와 달리 크고 비대칭적이며 수많은 돌기가 나 있는 신경질적인 생김새를 가졌다 .
- 우리 뇌에는 약 1,000억 개의 뉴런이 존재한다 .
- 뉴런의 신호 전달 방식
- 1,000억 개의 뉴런은 서로 쉴 새 없이 흥분 신호를 주고받으며 소통한다 .
- 가지 돌기는 신호를 입력받고, 축삭 돌기는 신호를 출력하는 역할을 한다 .
- 가지 돌기로 들어온 신호는 세포체와 축삭을 통과하여 축삭 말단으로 출력된 후, 다음 뉴런의 가지 돌기로 전달된다 .
1.2. 뉴런 내부의 전기적 신호 전달: 활동 전위와 휴식 전위
- 활동 전위의 발생
- 뉴런 주위에는 양전하와 음전하 이온들이 존재한다 .
- 가지 돌기 끝에 흥분 신호가 전달되면 이온 통로가 열리고 이온 펌프가 작동하여 양전하들이 뉴런 내부로 쏟아져 들어온다 .
- 이로 인해 가지 돌기 내부는 순식간에 양전하가 더 많은 상태, 즉 양으로 하전된 상태가 되는데, 이를 활동 전위라고 부른다 .
- 여러 가지 돌기에서 시작된 활동 전위는 축삭 둔덕에 모여 언덕을 넘을 만큼 충분히 많아지면 순식간에 축삭 말단까지 퍼진다 .
- 결국 뉴런의 가지 돌기에서 축삭 말단까지 이동하는 것은 전기적 흥분의 물결이다 .
- 휴식 전위의 중요성
- 활동 전위가 지나가면 뉴런은 재빨리 휴식 상태로 돌아가며, 이때 펌프가 작동하여 음전하들이 쏟아져 들어온다 .
- 활동 전위와 반대로 뉴런 내부가 음으로 하전된 상태를 휴식 전위라고 한다 .
- 휴식은 흥분만큼 중요하며, 활동 전위와 휴식 전위가 극단적으로 대비를 이룰수록 정보가 정확히 전달되기 때문이다 .
1.3. 뉴런 간의 화학적 신호 전달: 시냅스와 신경전달물질
- 시냅스의 발견과 논쟁
- 19세기 과학자들은 뉴런들이 하나로 이어진 세포 융합체라고 생각했으나, 19세기 후반에는 뉴런들이 좁은 틈을 통해 정보를 전달한다는 주장이 등장하며 논쟁이 발생했다 .
- 1873년 이탈리아 해부학자 카밀로 골지가 신경세포에 달라붙는 염료를 개발하여 뉴런의 구조를 선명하게 시각화할 수 있게 되었다 .
- 염색 실험 결과, 염료가 뉴런에서 뉴런으로 퍼지지 않아 뉴런은 개별 세포이며 축삭 말단과 가지 돌기 사이에 틈이 있음이 밝혀졌고, 이 틈을 시냅스라고 불렀다 .
- 시냅스의 존재는 1950년대 전자 현미경 발명으로 완전히 확인되었다 .
- 신경전달물질을 통한 신호 전달
- 시냅스라는 틈이 있다면 전기적 신호는 공간을 건너뛸 수 없으므로, 틈을 뛰어넘으려면 화학적 형태의 신호로 바뀌어야 한다 .
- 이 화학적 형태가 바로 도파민, 세로토닌 등으로 불리는 신경전달물질이다 .
- 축삭 말단 내부에는 신경전달물질이 가득 찬 작은 풍선 모양의 소낭이 있다 .
- 활동 전위가 축삭 말단을 덮치면 소낭들이 터지면서 신경전달물질을 방출하고, 방출된 신경전달물질은 시냅스를 헤엄쳐 건너편 가지 돌기에 도달한다 .
- 가지 돌기 세포막에는 특정 신경전달물질에 꼭 들어맞는 수용체가 있으며, 신경전달물질은 열쇠와 자물쇠처럼 자신의 단짝 수용체와만 결합한다 .
- 이 결합이 이루어지면 가지 돌기에 있는 이온 통로들이 열리면서 흥분의 물결이 일어난다 .
- 신경전달물질의 처리와 신호 증폭
- 활동 전위는 불과 몇 밀리초 동안 벌어지고 사라지는 현상이며, 활동 전위가 지나가면 신경전달물질들은 수용체에서 떨어져 나간다 .
- 뉴런은 쓸모없어진 신경전달물질을 두 가지 방법으로 처리한다 .
- 재활용: 축삭 말단 세포막의 펌프가 신경전달물질을 재흡수하여 소낭에 다시 넣어 재사용한다 .
- 방류: 시냅스에 있는 효소가 신경전달물질을 분해한 뒤 찌꺼기를 세포 밖으로 흘려보낸다 .
- 신경전달물질 처리는 매우 중요하며, 신호 전달 정도가 떨어질 경우 이를 증폭시키는 방법이 있다 .
- 재흡수 펌프 활동 억제: 재흡수 길이 막히면 신경전달물질이 시냅스에 더 오래 머물며 수용체와 반복 결합하여 신호를 증폭시킨다 .
- 분해 효소 활동 억제: 분해 효소 활동을 억제하면 신경전달물질이 덜 분해되어 시냅스에 더 오래 머물며 신호를 증폭시킨다 .
- 결국 인간의 행동, 사고, 개인차는 신경전달물질의 생성량, 방출량, 수용체, 재흡수 펌프, 분해 효소의 양에 달려 있다 .
- 신경전달물질의 다양성과 정신 세계
- 신경전달물질에 이상이 생기면 정신 세계도 영향을 받으며, 영혼이 존재한다면 신경전달물질의 오작동과 상관없이 고유의 정신 세계를 유지할 수 있겠지만 아직 그런 사례는 보고된 적이 없다 .
- 과학자들은 수십 가지의 신경전달물질을 확인했으며, 각각 방출량, 지속 시간, 전하 값이 다르다 .
- 도파민, 세로토닌, 글루타메이트처럼 흥분 효과가 큰 흥분성 신경전달물질이 있는 반면, 가바처럼 활동 전위를 억제하는 억제성 신경전달물질도 있다 .
- 이러한 다양성 덕분에 우리 뇌 속의 정보 흐름은 훨씬 복잡해질 수 있다 .
2. 복잡한 신경 회로의 작동 원리와 창의성
2.1. 신호의 선명도를 높이는 피드백 회로
- 피드백 고리의 형성
- 뉴런 A가 뉴런 B를 자극하고, 동시에 뉴런 C의 일부를 자극한다 .
- 뉴런 C는 다시 뉴런 A를 자극하는데, 이때 뉴런 C가 뉴런 A에게 방출하는 신경전달물질은 흥분성이 아닌 억제성 신경전달물질이다 .
- 이로 인해 뉴런 A와 뉴런 C 사이에 일종의 피드백 고리가 형성된다 .
- 피드백 회로의 효과
- 뉴런 A는 활동 전위가 끝나면 에너지를 들여 휴식 전위에 들어가야 하지만, 뉴런 C가 억제성 신호를 쏘아주어 힘들이지 않고도 음전하들이 꽉 들어차게 된다 .
- 이는 뉴런 C가 뉴런 A의 휴식 전위 일을 대신해준 셈이며, 신호의 대비를 더욱 선명하게 만든다 .
- 신경계는 대비가 중요하며, 활동 전위와 휴식 전위의 대비가 선명할수록 정보 전달력이 높아지기 때문이다 .
- 뉴런 C는 뉴런 A한테 흥분 신호를 받을 때에만 정확히 억제 신호를 쏘아주어 뉴런 A의 흥분 신호를 졸졸 따라다니면서 신호의 뒷잡음을 잘라준다 .
- 이 기막힌 피드백 타이밍 덕분에 신호의 대비가 뚜렷해진다 .
- 피드백 신호 강도 조절 및 다른 회로
- 뉴런 A는 축삭 말단 1만 개 중 일부를 뉴런 B 대신 뉴런 C에게 보내는 비율에 따라 피드백 신호의 강도를 조절할 수 있다 .
- 이러한 회로들은 오랜 시간 동안 수없이 많은 조합을 실험한 끝에 얻어진 것이다 .
- 뉴런은 이 외에도 다양한 방식으로 신호의 선명도를 달성하며, 예를 들어 뉴런 C가 뉴런 B에게 억제성 신호를 보내 뉴런 B의 신호 선명도를 높이는 회로를 만들 수도 있다 .
2.2. 감각의 선명도를 높이는 측면 억제 회로
- 측면 억제 회로의 작동 방식
- 감각계와 관련된 회로로, 뉴런 A가 뉴런 B를, 뉴런 C가 뉴런 D를, 뉴런 E가 뉴런 F를 자극한다고 가정한다 .
- 이때 뉴런 C는 뉴런 D에게 흥분성 신호를 보내는 동시에 양옆의 뉴런들에게 곁다리로 억제성 신호를 보낸다 .
- 결과적으로 뉴런 C와 D가 자극을 받을수록 주변의 뉴런들은 유난히 조용해지며, 가운데 뉴런들의 선명도가 더 높아진다 .
- 측면 억제 회로의 중요성
- 이러한 측면 억제 회로는 감각계에 흔하며, 예를 들어 푸른 초원에서 희미한 빛이 비쳤을 때 측면 억제 회로가 발달해 있다면 자극받은 지점을 금방 알아차리고 빠르게 반응할 수 있다 .
- 촉각, 청각, 후각 등 모든 감각이 측면 억제 회로를 통해 자극 지점이나 음정, 냄새를 더 선명하게 구분하며, 이를 통해 우리 몸의 감각은 점점 더 빠르게 반응하는 방향으로 나아간다 .
- 우리 몸의 감각과 행동을 제어하는 중앙 신경망이 구축되는 동안, 생각을 담당하는 또 다른 종류의 신경 회로가 발달한다 .
2.3. 생각과 창의성을 담당하는 중복 회로
- 중복 회로의 학습 방식
- 뉴런 A가 뉴런 1, 2, 3을 자극하고, 뉴런 B가 뉴런 2, 3, 4를, 뉴런 C가 뉴런 3, 4, 5를 자극하는 회로를 가정한다 .
- 뉴런 A, B, C가 각각 남자 그림 하나에 반응할 때, 뉴런 1은 맨 위 남자만, 뉴런 5는 아래쪽 남자만 알아보는 법을 배운다 .
- 반면 뉴런 3은 세 남자를 모두 비교할 수 있어 빅토리아 시대 남자들의 복장이 어떤지를 배울 수 있으며, 뉴런 2와 4는 비교 대상이 두 명밖에 없어 정확도가 떨어진다 .
- 이처럼 빅토리아 시대 남자를 가장 정확히 알아보는 것은 뉴런 3이다 .
- 중복 회로의 역할과 연합 능력
- 생각하는 뉴런들은 여러 회로에 중복으로 소속되어 있으며, 소속된 신경 회로에서 각자 다른 역할과 다른 영향력을 발휘한다 .
- 예를 들어, 빅토리아 시대 복장을 알아보는 회로에서는 뉴런 3이 중심적 역할을 하지만, 남자와 여자를 구분하는 회로에서는 뉴런 1이 중심이고 뉴런 3은 지엽적 역할을 한다 .
- 우리의 생각을 담당하는 신경망은 이러한 복잡한 회로들을 대규모로 키운 것과 유사하다 .
- 이러한 중복 회로 구조는 섬세한 비교 능력, 즉 연합, 비유, 우화, 상징 등을 다루는 능력을 만들어낸다 .
- 붉은 노을과 와인의 색을 연합하거나, 특정 색깔과 무늬가 국가나 이데올로기를 상징한다는 것을 아는 능력 등은 모두 복잡한 중복 회로에서 비롯된 것이다 .
- 창의성의 발현
- 중복 회로가 미친듯이 구축되다 보면 가끔 뜻밖의 회로가 생겨나기도 한다 .
- 대부분의 사람들은 얼굴을 둥글고 대칭적인 그림과 연결하지만, 남들보다 더 복잡하고 특이한 중복 신경망을 가진 사람은 피카소의 그림을 보고도 각지고 비대칭적인 모양을 얼굴과 연결할 수 있다 .
- 이처럼 복잡하고 특이한 회로가 만들어낸 뜻밖의 결과물을 창의성이라고 부른다 .
- 새로운 것을 생각해내는 특성인 창의성은 복잡한 중복 신경망의 과부하가 만들어낸 일종의 별종과 같으며, 이 창의성 회로 덕분에 우리는 이야기를 지어내고, 그림을 그리고, 사냥법을 만들고, 정착하며 수확하는 법을 고안하여 삶을 더 복잡하고 풍부하게 변화시켰다 .
- 뇌 활동의 지속성
- 영상을 시청하는 15분 동안에도 뇌는 수백 조 번의 활동 전위와 휴식 전위를 생성하며, 뉴런은 신경전달물질을 채우고 방출하며 청소하는 과정을 반복한다 .
- 그 사이 어떤 신경 회로는 영상의 일부를 기억하고, 어떤 회로는 감정을 일으키며, 어떤 회로는 창의적인 아이디어를 떠올리는 등 5년 동안 구축되어 온 신경 회로들이 한꺼번에 폭발하며 일을 수행한다 .
- 우리의 뉴런과 신경전달물질, 그리고 더없이 복잡하고 창의적인 신경 회로들에 감사해야 한다 .
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