뇌는 한 덩어리라기보다는 여러 기능을 담당하는 요소 부위들이 한데 뭉쳐져 있는 복합체이며 특정 뇌 기능을 담당하는 영역들이 구획화 되어 있다는 중요한 특징이 있습니다 레고블록처럼 각긱 완전히 독립적인 기능을 하는 뇌 영역들이 모자이크처럼 붙어있는 것은 아니어서 특정 뇌 기능을 수행하기 위해서는 여러 뇌 부위가 관여하게 됩니다 뇌의 구역화는 인간이 진화 과정 중 어떤 감각이나 정보를 중시하게 되엇는지를 알려주는 표식이기도 합니다 뇌의 진화상 궤적을 살펴보면 동물에 따라 특화되어 발달한 기능이 있다면 그 기능에 관여하는 뇌 부위가 커져 있습니다 복잡한 기능을 수행하려면 그 조절에 관여하는 뇌세포의 숫자도 많아야 한다고 생각하면 이해가 갑니다.
뇌의 각 부분은 각자의 존재감을 드러내는 모양을 갖고있습니다 대뇌반구의 대뇌피질은 가운데 빈 공간(뇌실)이 있는 동그런 공 모양이고 자세히 살펴보면 뇌세포들의 독특한 배열 상태 때문에 여섯 개의 층이 보입니다. 소뇌에는 주름이 많이 잇고 소뇌의 표면과 안쪽에 있는 세포의 모양과 밀도가 완전히 달라서 쉽게 구분 가능합니다. 척수는 막대기처럼 긴 모양이며 그 안에도 작은 공간이 있습니다 이러한 형태적 구조화가 기능적으로 필요할때가 많고 형태적 특징이 생겨나는 이유가 뇌가 생겨나는 과정상의 특징입니다
관상은 과학이라는 말이있는데 겉으로 보이는 모양이 내면적 실체에 대한 통념을 불러일으키는 것만큼은 사실입니다.
각 뇌 부분은 뇌가 기능한는데 필요한 외부(몸 또는 다른 뇌 부위)로부터 들어오는 정보를 받아들이기도 하지만 자체적으로 신경신호를 만들어내기도 하여 이들 정보를 연합 새로운 정보로 가공한 뒤에 외부(몸 또는 다른 뇌 부위)로 전달해 주는 역할을 합니다
뇌가 다른 장기들과 다른 특성을 나타내게 하는 가장 핵심적인 세포가 바로 뉴런입니다 뉴런은 전기적 신호를 만들어 서로 의사소통한다는 것이 가장 중요한 특징인데 염분은 물에 녹으면 이온화되어 전기적 성질을 띠게 됩니다 우리 몸의 체액에도 많은 염분이 있기에 많은 이온이있죠 이중에서 + 또는 –전하를 띤 특정 이온만 선택적으로 세포(뉴런)쏙으로 들어오면, 전하의 이동, 즉 전류가 발생하게 됩니다. 셒마은 주로 인지질이라는 지방 성분으로 되어 있기에 물에 녹아있는 이온이 쉽게 통과할 수 없습니다 그러므로 이온의 이동은 세포막의 기름 성분을 통과해 이동하지 못하고 세포막에 분포하고 잇는 단백질에 난 통로로만 들어올수잇습니다 따라서 이온을 통과시킬 수 있는 능력을 가진 세포막 단백질을 가진 뉴런은 전류를 만들 수 있고 이를 정보 교환에 이용할 수 잇습니다 이온을 통과시킬 수 있는 단백질은 한 가지만 있는 것이 아니라 어떤 이온을 통과시킬수있는지 어떤 경우에 통과시키는지 등에 따라서 그 종류가 매우 다양합니다 이 중 뉴런이 가진 대표적인 이온 통과 단백질은 ‘전압 의존성 나트륨 통로’이라는 복잡한 이름을 가지고 잇습니다 만일 외부 자극에 의해 뉴런의 어딘가에서 이단백질이 가진 이온 통로가 열리게 되면 큰 전류의 흐름이 생깁니다 이를 활성전압이라고 부르는데 이 활성전압은 뉴런이 가진 가는 전선처럼 길게 뻗어나온 신경다발인 액손을 타고 퍼져나갑니다
이러한 변화는 뇌의 한쪽 부분에서 시작된 신호를 먼거리(어떤 뉴런은 수 미터에 이르는 먼 거리를 연결하고 잇어서 이 거리만큼 정보를 전달해야 한다)에 이동시킬수잇습니다 이 과정이 얼마나 중요한지 가늠할 수 있는 한 가지는 바로 복어독입니다 복어독 속에 들어잇는 테트로도톡신은 전압 의존성 나트륨 통로 단백질을 통한 이온 이동을 막아버려서 활성전압이 일어나지 못하게 하는데 극미량으로도 전신마비를 일으켜 죽음에 이를 정도로 강력합니다
신경계가 전기적인 방식으로 신호를 전달한다는 것은 생체에 전류가 흐른다는 개념을 최초로 밝힌 이래 차근차근 밝혀진 사실입니다
뉴런이 전기신호를 전달하려면 전선과 같이 길게 세포질이 늘어나 액손을 만들게 되는데 액손이 만든 신경다발은 너무복잡합니다 19세기쯤 당대 최고의 해부학자들이 당시 최고 성능의 현미경으로 연약한 신경조직을 검사하여 신경세포로부터 돌출된 다발이 엉켜있음을 발견하엿습니다 이 전에 과학자들이 관찰한 몸의 다른 부분에 있는 세포들과는 너무나 다른 모양이었기에 가는 실처럼 생긴것들이 엉켜있는 모양을 보고 세포의 일부라고 생각하기는 어려웠을 것입니다 이것들은 서로 연결되어 거미줄 같은 네트워크를 만들고있는것처럼 보였고 신경계가 정보를 전달하는 것은 이 거미줄 같이 가는 네트워크 안으로 이온이나 어떤 물질들이 직접 이동하는 방식으로 이루어진다 1873년 이ㅌㄹ리아의 의사였던 카밀로 골지는 뇌조직을 화학약품으로 단단하게 한 뒤 질산은 용액에 담그면 신경조직을 이전 보다 훨씬 더 자세히 검사할수있다는 사실을 알게되었습니다 그당시에 질산은 용액을 이용해서 사진을 인화하는 기술이 개발되었습니다. 이렇게 화학반응을 일으키면 뇌조직 소게 잇는 극히 일부의 세포들만 검게 변하는 일이 생겼고 골지는 이 반응을 검은 반응이라 불렀습니다. 이 방법으로 신경조직속에 잇는 뉴런이 아주 긴 돌출부(액손)를 가지고 있고 이 액손이 모여서 신경섬유다발을 만든다는 사실을 알게 되었습니다 뿐만 아니라 세포에서 액손보다 굵고 짧은 돌출 부위들도 복잡하게 나와있으며 이들은 마뭇사지가 어지러이 자라난 모양이라는 것도 처음으로 알게되엇습니다
뉴런은 세포막의 이온통과 정도를 바꾸어 전류가 흐르게 하는 방식으로 전기신호를 만들고 전달합니다 그러므로 작은 간격이 있더라도 그 간격 사이에서 이온의 흐름을 만들수있으면 됩니다. 뉴런이 액손을 따라 전류가 흐르게 하려면 전압의존성 나트륨통로 단백질이 있어야 하는데 뉴런과 뉴런사이, 시내스를 넘어 전류를 넘기려면 다른 단백질이 필요합니다 시냅스를 사이에 두고 전류가 오는 방향에 있는 뉴런을 전시냅스 뉴런, 신호를 받아야 할는 뉴런을 후시냅스 뉴런이라고 합니다 전시냅스 뉴런에서는 전기적 신호가오면 신경전달물질이라는 화학물질을 방출하며 후시냅스 뉴런에는 이 물질과 결합하면 이온을 통과시키는 단백질이 잇습니다 이렇게 하면 전기적 신호- 화학물질 방출- 전기적 ᅟᅵᆫ호 발생 이라는 과정을 거쳐 후 시냅스 뉴런으로 정보가 이어달리기를 할 수 있습니다 수백개이상의 단백질이 이과정에 관여하고있으며 시냅스 생물학이라는 연구 분야가 확립될 만큼 방대한 장보가 쌓여가고 있습니다
전기적 신호를 직접 이용하는 경우에는 직접연결된 모든 뉴런 집단이 자극의 존재 유무에 따라서 한꺼번에 반응하게 됩니다
수천 수만개의 신경망을 더 만드는 것보다는 수백 개의 특화된 시냅스 단백질들을 가지고 있어 독립적인 뉴런이 같은 자극에 대하여 경우에 따라 다양한 반응을 만들어 내는 것이 훨신 유리합니다 시냅스에서 전기적 신호를 화학적 신호로 바구면서 어떤 신경전달물질을 내느냐에 따라 후 시냅스를 자극할수도 잇고 억제할 수도 있게 되면 신호전달의 다양성이 생기게 되어 같은 뉴런이 다른 방식으로 여러 가지 뇌기능에 ᅟᅪᆫ여할수있게 됩니다.수십조개의 시냅스 중 다만 몇 개의 시냅스에 존재하는 단백질의 활성이 바귀어서 자극에 대한 반응ㅇ성이 바뀌는게 뇌 기능에 구체적으로 영향을 미칩니다.
교세포
뉴런이 신경계의 정보를 직접 전달하는 일차적인 역할을 하기에 교세포들은 뇌 기능에 대해 아무래도 부차적인 기능을 할 것이라 생각했습니다 사실 뇌 기능을 연구하기 위한 과학적 방법론 대부분이 뉴런에 맞추어 발달하여 왔으므로 뉴런의 전기적 특성ㅇ르 바탕으로 해서 전류를 잰다거나 전류를 조절하는 방법이 많이 개발되었습니다 그러나 교세포는 뉴런과 비슷한 숫자인데다가 태어난 후에도 계쏙 생겨나고 그 특성이 변화하는 세포들이므로 생각되었던 것보다 훨씬 더 중요하게 기능합니다 별아교세포는 뉴런이 서로 시냅스로 연결되어 있을 때 그주변을 단단하게 감사서 뉴런에서 분비된 화학물질이 적재적소에서만 작동하도록 만드는 역할을 합니다 한번 들어온 신호가 빨리 사라지지 않으면 다음 신호가 들어올 때 간섭과 방해가 될 테니까 효과적으로 정보 처리를 하기위해서는 이런 신호제거세포가 잘 발달해 있어야만 합니다 이런 측면에서 특히 별아교세포의 정상적 기능에 문제가 생기는 것이 다양한 뇌질환과 긴밀히 연결되어있을 가능성이 매우 높고 이에 대한 많은 증거가 쌓여가고 잇습니다 희소돌기아교세포는 뉴런에서 나온 액손을 감싸는 역할을 하기에 여러개의 짧은 돌기들이 나와 있어서 희소돌기아교세포라고 부릅니다 이 세포는 액손을 감싸는데 특화되어 잇는데 간단히 생각하면 전선의 피복같은 역할을 하는 세포입니다 액손에 피복이 생기는 과정을 수초화라고 부릅니다 아무래도 액손이 먼거리를 뻗어나가서 앞에서 설명한 방식대로 전류를 이동하게 하려면 이온 이동이 너무 많아도 문제도 잘일어나지 않아도 문제가 생깁니다
아인슈타인의 뇌는 신경다발이 지나가는 부분에 남들보다 좀 더 큰 부분이있습니다 신경다발이 두꺼워진 이유는 액손이 많아서가 아니라 액손을 감싸고 잇는희소아교돌기세포가 많아서였습니다 희소아교돌기세포가 많으면 수초화가 잘 이루어져서 액손을 통한 전기적 신경신호의 이동이 좀 더 빨라지게 됩니다
비슷한 기능을 하는 뉴런의 액손들은 다발을 이루어 한꺼번에 이동하는데 이 다발 속에 들어있는 액손 여러 개를 한 개의 희소돌기아교세포가 잡아서 한꺼번에 수초화를 일으킵니다 희소돌기 아교세포가 많아지면 액손들이 평균적으로 비슷한 정도로 수초화됩니다 즉 신경신호의 이동 속도가 더욱 비슷해지는것입니다 이는 강하고 정확한 자극이 동시에 전달되는데 중요한 문제입니다 몇 몇 뇌질환에서는 수초화가 부분적으로 망가지는 현상이 일어나는데 이렇게 되면 신경신호 전달의 동기화가 안 되기에 심각한 문제를 일으킵니다 뉴런과 달리 교세포들은 그 개수와 종류가 생후에도 계속 늘어날수잇습니다 사춘기 시절에 특히 수초화가 많이 늘어나고 대략 40대까지는 조금씩 수초화가 증가됩니다 왜 중2병 시절에 감정변화가 심하고 이전과는 다른 생동을 많이 보이는지 어른이 되면서 어릴때는 이해할수없었던 일들을 쉽게 이해할수있께 되는지 왜 50대가 되면 꼰대력이 늘어나는지 등에 대해서는 물론 여러 가지 이유가 있겠지만 일부는 희소돌기아교세포 때문일 수 있습니다 교세포 중에는 별아교세포 희소돌기아교세포외에 미세아교세포도 있습니다 만일 뇌손상이 생기거나 뇌질환과 같이 병적인 상태에서는 미세아교세포들의 크기도 커지고 숫자도 많아져서 다양한 손상 반응을 매개합니다 또한 뇌는 우리몸에서 새용하는 약 30%의 에너지를 사용하고 있기에 혈관이 잘 발달되어있어야합니다 뇌에 있는 혈관은 다양한 물질을 분비해서뇌기능에 영향을 준다는 면에서도 중요하지만 몸의 다른 부분에 분포하고 잇는 혈관과는 다르게 혈액 속에 녹아있는 물질이 함부로 뇌 속으로 침투하지 못하게 막고있습니다 시냅스에서 신경 전달에 사용하는 화하물질은 사실 아미노산 한 개로 되어잇는 매우 간단한 구조여서 우리가 매일먹는 식품에도 아주 많이 들어가있습니다.
학문적으로 줄기세포는 크게 두 가지 특성을 가진 것으로 정의합니다 첫 번째는 자가복제 능력입니다 세포가 분열해서 두 개의 세포가 될 때 두 세포가 모두 원래 세포와 같은 특성을 가진 세포가 될 수 있는 능력이 자가 복제 능력입니다 즉 줄기세포는 계속 분열할수있으며 한 번 분열하면 두 개의 줄기세포가 될 수 있습니다 보토의 세포는 몸에서 특정 역할을 담당하도록 분화되고 나면 더 이상 분열하지 않습니다 뇌세포의 대표격인 뉴런은 일단 만들어지면 분열하는 법이 없으니 뉴런은 줄기세포가 아닙니다 반면 별아교세포는 평상시에는 잘 분열하지 않지만 특정한 상황에서는 분열해서 그 숫자가 늘어나기도 합니다 그렇다고 해서 별아교세포를 평상시에는 잘 분열하지 ㅇ낳지만 특정한 상황에서는 분열해서 그 숫자가 늘어나기도 합니다 그렇다고 해서 별아교세포를 줄기세포라고는 하지 않는데 그 이유는 줄기세포의 두 번째 특성인 다분화 능력이 없기 때문입니다 다분화기능은 줄기세포가 여러 종류의 세포가 될 수 있는 능력을 말합니다 별아교세포는 분열해도 별아교세포일 뿐이지 뉴런이 되지는 않습니다. 줄기세포는 분열해서 여러 다른 종류의 세포가 될 수 있습니다. 자가복제와 다분화능은 서로 배타적인 개념이어서 두 능력을 동시에 가지고 있다는 것이 무슨 말인지 언뜻 이해가 어려울 수 있습니다 줄기세포가 분열해서 두 개의 세포가 될 때 그중 하나의 세포는 줄기세포가 되고 나머지 한세포는 상황에 따라 여러종류의 세포가 될 수 있다면 그세포는 줄기세포입니다.
신경계를 만드는 줄기세포는 신경줄기세포라 부르는데 이 세포는 자가복제해서 신경줄기세포로 유지될 수 있으며, 뉴런, 교세포 등 다양한 세포로 분화 가능하지만 간세포나 근육세포 등으로는 분화되지 않습니다 그러므로 신경계 관련세포가 될 수 잇는 정도로 어느 정도 제한된 다분화능을 가지고 잇지만 줄기세포의 정의에 맞기 에 신경줄기세포라고 합니다 한편 혈액을 만드는 줄기세포는 신경 계통의 세포는 만들지 않지만 혈액을 이루는 다양한 세포를 만듭니다 이러한 줄기세포는 혈액줄기세포(조혈모세포)라고 부릅니다 사실 신경줄기세포 혈액줄기 세포 등의 줄기세포는 더 근원적인 줄기세포인 배아줄기세포로부터 만들어집니다 배아줄기세포는 우리몸을 구성하는 모든 세포를 만들수잇는 세포로 자가복제를 하다가 신경줄기세포 혈액줄기세포 등 어느 정도 제한된 분화 능력을 가진 줄기세포를 만들어냅니다 배아줄기세포는 제한된 특화줄기세포를 만들고 특화줄기세포는 좀 더 능력이 떨어지는 줄기세포를 만들고 이들은 다시 분화된 세포를 만드는 방식으로 배아줄기세포가 우리 몸 전체를 만드는것입니다 몸속에 특정 세포들을 만들 수잇는제한된 줄기세포 일부는 어른이 된 뒤에도 계속 남아 있게 되는데 이들을 성체줄기세포라고 부르기도 합니다 배아줄기세포가 우리 몸 전체를 만드는 과정인 발생에 중요한 역할을 하면 성체줄기세포들은 우리 몸과 장기가 손상되면 이를 재생하는 과정에 주로 기여합니다 성체줄기세포들은 온몸에 퍼져잇어서 이들이 존재하는한 우리몸은 어느정도 재생능력을 갖고있기에 독한 음식을 먹어서 위장 표면이 망가져도 다시 재생되고 간이나 근유곧 되살아납니다
줄기세포의 존재는 우리 몸을 구성하는 세포들이 평생 유지될 필요가 없다는 의미이기도 합니다 낡은 세포를 없애고 줄기세포에서 만든 새 세포로 바꾸어 사용하는 것이 더 건강하게 우리 몸을 유지할 수 잇는 전략이기 때문입니다 실제로 우리 몸을 구성하는 세포는 수명이 짧습니다 몸의 안팎표면뿐만 아니라 안쪽 표면들 즉 위장관의 안쪽 표면 폐의 안쪽 표면 등 노출된 부분에 있는 세포들도 각질환되진 않지만 계속 재생된다는 점에서는 비슷합니다 몸의 안팎표면에 있는 세포ᅟᅳᆯ만 재생되는 것이 아니라 그 사이에 있는 세포들 즉 근육 골격 섬유질조직 등도 중간엽줄기세포가 있어서 재생이 일어나고 혈액도 조혈모세포가 있어서 계속 재생됩니다 이런 성체줄기세포가 있다는 말은 줄기세포가 잇는 장기를 구성하는 세포는 수명이 정해져 이고 계속 재생이 일어난다는 의미입니다
다른 장기와 달리 신경계에는 성체줄기세포가 없으며 뉴런은 한 번 만들어지면 우리 일생동안 함께 살아가는 것으로 알려져잇습니다 사실 죄에는 경험에 따른 많은 정보가 축적되고 이러한 정보는 뉴런이 주로 가지고있게되므로 다른 신체 부위처럼 뉴런이 사라지고 새로운 뉴런이 만들어진다면 쌓아둔 정보가 훼손될 수밖에 없습니다 뉴런과 시냅스에 우리의 정신활동이 창발된다면 뉴런이 바귀면서 자아가 바뀌는 문제가 생깁니다 바뀌는 정도가 심하면 내가 누구인지조차 알 수 없는 지경이 될것입니다 새로운 뉴런이 생겨나는 것이 네트워크를 망가뜨리는 버그로 작용할 가능성이 높다고 생각할 수 있으므로 새 뉴런이 만들어지지 않는 것이 더 안전하며 뉴런은 한 번 만들어지면 계속 유지되는 방식으로 진화되었다고 생각해 온 것입니다
나이가 들면 들수록 새로운 뉴런의 생성 비율이 낮아지긴 하지만 거의 평생 뉴런은 새로 생성되며 이는 뇌 전체가 아닌 해마의 치아이랑이라는 매우 좁은 영역에서만 일어나는 일이며 하루 평균 700개 정도의 뉴런의 새로 만들어지기 때문에 평생에 걸쳐 치아리랑의 1/2정도가 새로 채워진다는것입니다
해마는 기억에 중요한 역할을 하는 뇌 부위로 잘 알려져있으며 우리가 공간을 인식하는 데에도 중요한 역할을 하는 부위입니다 해마는 대뇌의 판단 기능과 다른 뇌 부위를 통해 들어온 다양한 감각 정보 등을 연결시켜주는 역할을 하는 곳이며 이중 치아이랑은 받아들인 감각 정보를 기존에 우리가 이미 뇌 속에 저장해 놓은 경험 정보와 비교할수있게 하는 역할을 담당합니다 이런 역할을 담당하기 위해서는 기능이 다른 뉴런이 서로 연결되어잇어야 하는데 새뉴런이 생겨나서 있던 길에 샛길 하나 더 놓는 셈입니다 즉 완전히 새로운 길이 열린다기보다는 두 길의 연결이 좀 더 쉬워진다고 할 정도의 작은 차이입니다 일본의 야마나카 신야 교수가 노벨상을 받게 된 역분화 유도만능 주리세포라는 세포도 있습니다 줄기세포가 특정기능을 하는 세포로 되는 과정을 분화라고 하는데 역분화라는 말은 이미 분화된 세포를 줄기세포 되돌린다는 말입니다
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