1. 뇌의 기본 단위, 뉴런의 구조와 신호 전달 방식 [0]

thumbnail 뇌는 약 1.5kg의 물컹거리는 물질로 이루어져 있으며, 생각, 기억, 감정 등 모든 정신 활동을 담당하는 복잡한 기관이다.

1.1. 뉴런의 기본 구조와 역할 [0]

  1. 뇌의 경이로움과 복잡성 [0]
    1. 우리 머릿속의 뇌는 우주만큼 경이롭고 복잡하며 아직 완전히 탐험하지 못한 미지의 세계이다 [0].
    2. 뇌는 약 80%가 물, 나머지는 지방과 단백질로 구성되어 있으며, 이러한 평범한 물질들이 생각, 기억, 감각, 감정 등 온갖 일을 수행한다 [2].
  2. 뉴런의 생김새와 수 [4]
    1. 뉴런은 신경 세포라고 불리며, 작고 둥근 일반 세포와 달리 크고 비대칭적이며 수많은 돌기가 나 있는 신경질적인 생김새를 가졌다 [4].
    2. 우리 뇌에는 약 1,000억 개의 뉴런이 존재한다 [9].
  3. 뉴런의 신호 전달 방식 [10]
    1. 1,000억 개의 뉴런은 서로 쉴 새 없이 흥분 신호를 주고받으며 소통한다 [10].
    2. 가지 돌기는 신호를 입력받고, 축삭 돌기는 신호를 출력하는 역할을 한다 [12].
    3. 가지 돌기로 들어온 신호는 세포체와 축삭을 통과하여 축삭 말단으로 출력된 후, 다음 뉴런의 가지 돌기로 전달된다 [14].

1.2. 뉴런 내부의 전기적 신호 전달: 활동 전위와 휴식 전위 [15]

  1. 활동 전위의 발생 [15]
    1. 뉴런 주위에는 양전하와 음전하 이온들이 존재한다 [16].
    2. 가지 돌기 끝에 흥분 신호가 전달되면 이온 통로가 열리고 이온 펌프가 작동하여 양전하들이 뉴런 내부로 쏟아져 들어온다 [17].
    3. 이로 인해 가지 돌기 내부는 순식간에 양전하가 더 많은 상태, 즉 양으로 하전된 상태가 되는데, 이를 활동 전위라고 부른다 [18].
    4. 여러 가지 돌기에서 시작된 활동 전위는 축삭 둔덕에 모여 언덕을 넘을 만큼 충분히 많아지면 순식간에 축삭 말단까지 퍼진다 [20].
    5. 결국 뉴런의 가지 돌기에서 축삭 말단까지 이동하는 것은 전기적 흥분의 물결이다 [22].
  2. 휴식 전위의 중요성 [23]
    1. 활동 전위가 지나가면 뉴런은 재빨리 휴식 상태로 돌아가며, 이때 펌프가 작동하여 음전하들이 쏟아져 들어온다 [23].
    2. 활동 전위와 반대로 뉴런 내부가 음으로 하전된 상태를 휴식 전위라고 한다 [25].
    3. 휴식은 흥분만큼 중요하며, 활동 전위와 휴식 전위가 극단적으로 대비를 이룰수록 정보가 정확히 전달되기 때문이다 [26].

1.3. 뉴런 간의 화학적 신호 전달: 시냅스와 신경전달물질 [28]

  1. 시냅스의 발견과 논쟁 [28]
    1. 19세기 과학자들은 뉴런들이 하나로 이어진 세포 융합체라고 생각했으나, 19세기 후반에는 뉴런들이 좁은 틈을 통해 정보를 전달한다는 주장이 등장하며 논쟁이 발생했다 [29].
    2. 1873년 이탈리아 해부학자 카밀로 골지가 신경세포에 달라붙는 염료를 개발하여 뉴런의 구조를 선명하게 시각화할 수 있게 되었다 [33].
    3. 염색 실험 결과, 염료가 뉴런에서 뉴런으로 퍼지지 않아 뉴런은 개별 세포이며 축삭 말단과 가지 돌기 사이에 틈이 있음이 밝혀졌고, 이 틈을 시냅스라고 불렀다 [35].
    4. 시냅스의 존재는 1950년대 전자 현미경 발명으로 완전히 확인되었다 [40].
  2. 신경전달물질을 통한 신호 전달 [41]
    1. 시냅스라는 틈이 있다면 전기적 신호는 공간을 건너뛸 수 없으므로, 틈을 뛰어넘으려면 화학적 형태의 신호로 바뀌어야 한다 [41].
    2. 이 화학적 형태가 바로 도파민, 세로토닌 등으로 불리는 신경전달물질이다 [44].
    3. 축삭 말단 내부에는 신경전달물질이 가득 찬 작은 풍선 모양의 소낭이 있다 [45].
    4. 활동 전위가 축삭 말단을 덮치면 소낭들이 터지면서 신경전달물질을 방출하고, 방출된 신경전달물질은 시냅스를 헤엄쳐 건너편 가지 돌기에 도달한다 [47].
    5. 가지 돌기 세포막에는 특정 신경전달물질에 꼭 들어맞는 수용체가 있으며, 신경전달물질은 열쇠와 자물쇠처럼 자신의 단짝 수용체와만 결합한다 [49].
    6. 이 결합이 이루어지면 가지 돌기에 있는 이온 통로들이 열리면서 흥분의 물결이 일어난다 [52].
  3. 신경전달물질의 처리와 신호 증폭 [54]
    1. 활동 전위는 불과 몇 밀리초 동안 벌어지고 사라지는 현상이며, 활동 전위가 지나가면 신경전달물질들은 수용체에서 떨어져 나간다 [54].
    2. 뉴런은 쓸모없어진 신경전달물질을 두 가지 방법으로 처리한다 [57].
      1. 재활용: 축삭 말단 세포막의 펌프가 신경전달물질을 재흡수하여 소낭에 다시 넣어 재사용한다 [59].
      2. 방류: 시냅스에 있는 효소가 신경전달물질을 분해한 뒤 찌꺼기를 세포 밖으로 흘려보낸다 [61].
    3. 신경전달물질 처리는 매우 중요하며, 신호 전달 정도가 떨어질 경우 이를 증폭시키는 방법이 있다 [64].
      1. 재흡수 펌프 활동 억제: 재흡수 길이 막히면 신경전달물질이 시냅스에 더 오래 머물며 수용체와 반복 결합하여 신호를 증폭시킨다 [68].
      2. 분해 효소 활동 억제: 분해 효소 활동을 억제하면 신경전달물질이 덜 분해되어 시냅스에 더 오래 머물며 신호를 증폭시킨다 [71].
    4. 결국 인간의 행동, 사고, 개인차는 신경전달물질의 생성량, 방출량, 수용체, 재흡수 펌프, 분해 효소의 양에 달려 있다 [73].
  4. 신경전달물질의 다양성과 정신 세계 [74]
    1. 신경전달물질에 이상이 생기면 정신 세계도 영향을 받으며, 영혼이 존재한다면 신경전달물질의 오작동과 상관없이 고유의 정신 세계를 유지할 수 있겠지만 아직 그런 사례는 보고된 적이 없다 [74].
    2. 과학자들은 수십 가지의 신경전달물질을 확인했으며, 각각 방출량, 지속 시간, 전하 값이 다르다 [77].
    3. 도파민, 세로토닌, 글루타메이트처럼 흥분 효과가 큰 흥분성 신경전달물질이 있는 반면, 가바처럼 활동 전위를 억제하는 억제성 신경전달물질도 있다 [79].
    4. 이러한 다양성 덕분에 우리 뇌 속의 정보 흐름은 훨씬 복잡해질 수 있다 [80].

2. 복잡한 신경 회로의 작동 원리와 창의성 [81]

thumbnail 뉴런들은 다양한 방식으로 연결되어 피드백, 측면 억제, 중복 회로 등을 형성하며 신호의 선명도를 높이고, 연합 능력과 창의성을 발휘하게 한다.

2.1. 신호의 선명도를 높이는 피드백 회로 [81]

  1. 피드백 고리의 형성 [81]
    1. 뉴런 A가 뉴런 B를 자극하고, 동시에 뉴런 C의 일부를 자극한다 [84].
    2. 뉴런 C는 다시 뉴런 A를 자극하는데, 이때 뉴런 C가 뉴런 A에게 방출하는 신경전달물질은 흥분성이 아닌 억제성 신경전달물질이다 [87].
    3. 이로 인해 뉴런 A와 뉴런 C 사이에 일종의 피드백 고리가 형성된다 [90].
  2. 피드백 회로의 효과 [92]
    1. 뉴런 A는 활동 전위가 끝나면 에너지를 들여 휴식 전위에 들어가야 하지만, 뉴런 C가 억제성 신호를 쏘아주어 힘들이지 않고도 음전하들이 꽉 들어차게 된다 [93].
    2. 이는 뉴런 C가 뉴런 A의 휴식 전위 일을 대신해준 셈이며, 신호의 대비를 더욱 선명하게 만든다 [96].
    3. 신경계는 대비가 중요하며, 활동 전위와 휴식 전위의 대비가 선명할수록 정보 전달력이 높아지기 때문이다 [98].
    4. 뉴런 C는 뉴런 A한테 흥분 신호를 받을 때에만 정확히 억제 신호를 쏘아주어 뉴런 A의 흥분 신호를 졸졸 따라다니면서 신호의 뒷잡음을 잘라준다 [100].
    5. 이 기막힌 피드백 타이밍 덕분에 신호의 대비가 뚜렷해진다 [102].
  3. 피드백 신호 강도 조절 및 다른 회로 [103]
    1. 뉴런 A는 축삭 말단 1만 개 중 일부를 뉴런 B 대신 뉴런 C에게 보내는 비율에 따라 피드백 신호의 강도를 조절할 수 있다 [103].
    2. 이러한 회로들은 오랜 시간 동안 수없이 많은 조합을 실험한 끝에 얻어진 것이다 [104].
    3. 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 [105].

2.2. 감각의 선명도를 높이는 측면 억제 회로 [108]

  1. 측면 억제 회로의 작동 방식 [108]
    1. 감각계와 관련된 회로로, 뉴런 A가 뉴런 B를, 뉴런 C가 뉴런 D를, 뉴런 E가 뉴런 F를 자극한다고 가정한다 [108].
    2. 이때 뉴런 C는 뉴런 D에게 흥분성 신호를 보내는 동시에 양옆의 뉴런들에게 곁다리로 억제성 신호를 보낸다 [111].
    3. 결과적으로 뉴런 C와 D가 자극을 받을수록 주변의 뉴런들은 유난히 조용해지며, 가운데 뉴런들의 선명도가 더 높아진다 [113].
  2. 측면 억제 회로의 중요성 [115]
    1. 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 [115].
    2. 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 [118].
    3. 우리 몸의 감각과 행동을 제어하는 중앙 신경망이 구축되는 동안, 생각을 담당하는 또 다른 종류의 신경 회로가 발달한다 [122].

2.3. 생각과 창의성을 담당하는 중복 회로 [123]

  1. 중복 회로의 학습 방식 [124]
    1. 뉴런 A가 뉴런 1, 2, 3을 자극하고, 뉴런 B가 뉴런 2, 3, 4를, 뉴런 C가 뉴런 3, 4, 5를 자극하는 회로를 가정한다 [125].
    2. 뉴런 A, B, C가 각각 남자 그림 하나에 반응할 때, 뉴런 1은 맨 위 남자만, 뉴런 5는 아래쪽 남자만 알아보는 법을 배운다 [128].
    3. 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 [130].
    4. 이처럼 빅토리아 시대 남자를 가장 정확히 알아보는 것은 뉴런 3이다 [132].
  2. 중복 회로의 역할과 연합 능력 [133]
    1. 생각하는 뉴런들은 여러 회로에 중복으로 소속되어 있으며, 소속된 신경 회로에서 각자 다른 역할과 다른 영향력을 발휘한다 [133].
    2. 예를 들어, 빅토리아 시대 복장을 알아보는 회로에서는 뉴런 3이 중심적 역할을 하지만, 남자와 여자를 구분하는 회로에서는 뉴런 1이 중심이고 뉴런 3은 지엽적 역할을 한다 [135].
    3. 우리의 생각을 담당하는 신경망은 이러한 복잡한 회로들을 대규모로 키운 것과 유사하다 [136].
    4. 이러한 중복 회로 구조는 섬세한 비교 능력, 즉 연합, 비유, 우화, 상징 등을 다루는 능력을 만들어낸다 [137].
    5. 붉은 노을과 와인의 색을 연합하거나, 특정 색깔과 무늬가 국가나 이데올로기를 상징한다는 것을 아는 능력 등은 모두 복잡한 중복 회로에서 비롯된 것이다 [138].
  3. 창의성의 발현 [139]
    1. 중복 회로가 미친듯이 구축되다 보면 가끔 뜻밖의 회로가 생겨나기도 한다 [139].
    2. 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 [140].
    3. 이처럼 복잡하고 특이한 회로가 만들어낸 뜻밖의 결과물을 창의성이라고 부른다 [144].
    4. 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 [145].
  4. 뇌 활동의 지속성 [148]
    1. 영상을 시청하는 15분 동안에도 뇌는 수백 조 번의 활동 전위와 휴식 전위를 생성하며, 뉴런은 신경전달물질을 채우고 방출하며 청소하는 과정을 반복한다 [148].
    2. 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 [150].
    3. 우리의 뉴런과 신경전달물질, 그리고 더없이 복잡하고 창의적인 신경 회로들에 감사해야 한다 [152].