사람은 기계와 어떻게 다른가? 뉴런과 행동

우리는 기계와 어떻게 다를까? 우리는 대개 기계를 금속으로 만들어진 어떤 것으로 생각한다. 하지만 사실상 기름을 변환시켜 자동차를 움직이게 하는 것처럼 한 유형의 에너지를 다른 유형으로 변환시키는 것은 무엇이든지 모두 기계이다. 그런 의미에서 우리는 기계와 전혀 다르지 않다. 왜냐하면 우리는 일종의 기계이기 때문이다. 사람의 신체는 음식에 든 에너지를 신체의 모든 작용으로 변환시킨다. 뇌는 그런 기계의 일부이고, 그래서 사고와 행위를 이해하는 한 가지 방법은 뇌가 어떻게 작동하는지를 분석하는 것이다.

 

신경계의 세포

우리는 우리 '자신'을 감각하고 생각하고 기억하는 어떤 단독 실체라고 느낀다. 그러나 우리의 뇌는 뉴런이라는 엄청난 수의 개별 세포들로 이루어져 있다. 신경계에는 아교세포라는 다른 종류의 세포도 있는데, 이것은 뉴런을 절연시키거나 이웃한 뉴런들 사이의 활동을 동기화시키거나 폐기물을 제거하는 등 많은 방식으로 뉴런의 작용을 도와주는 세포이다. 아교세포는 뉴런보다 작지만 수가 더 많다.

 

뉴런은 세 부위, 즉 세포체, 가지돌기, 그리고 축삭으로 이루어져 있다. 세포체에는 그 세포의 핵이 들어있다. 가지돌기는 다른 뉴런들로부터 입력을 받아들이는 가지를 널리 뻗치고 있는 구조물이다. 축삭은 한 가닥으로 된 길고 가는 섬유로서 끝 부근에서 가지를 친다. 척추동물의 축삭 중에는 말이집으로 싸여 있는 것들이 있는데, 말이집은 축삭을 따라 흐르는 신경충동의 전달 속도를 높여주는 절연성 덮개 같은 것이다. 일반적으로 축삭은 정보를 다른 세포로 전달해 주고, 가지돌기나 세포체가 그 정보를 받아들인다.

 

활동전위

축삭의 기능은 피부에서부터 척수가지처럼 정보를 먼 거리에 걸쳐 전달하는 것이다. 전기 전도는 정보를 거의 순간적으로 전달할 것이지만 우리의 신체는 비교적 좋지 않은 전기 전도체이다. 만약 축삭이 전기 전도를 한다면 전기적 충동은 멀리 갈수록 점점 더 약해질 것이다. 그래서 발가락을 꼬집히면 키 작은 사람은 키 큰 사람보다 더 아프게 느낄 것이다.

 

따라서 축삭은 그런 식이 아니고 활동전위라는 과정을 통해 정보를 전달한다. 활동전위는 축삭을 따라 얼마나 먼 거이이든 상관없이 일정한 강도로 흘러가는 흥분을 가리킨다. 활동전위는 전등 스위치를 켜고 끄는 것 같은 예/아니오 또는 온/오프 메시지이다. 이 원리를 실무율이라고 한다.

 

활동전위의 작동원리

 

1) 축삭이 자극을 받지 않고 있을 때는 그 세포막이 안정전위, 즉 축삭 세포막에 걸쳐 전기적 분극화를 나타낸다.

2) 활동전위는 둘 중 한 방식으로 시작된다. 첫째, 축삭 중에는 자발적 활동을 나타내는 것이 많다. 둘째, 다른 뉴런들로부터 들어오는 입력이 뉴런의 세포막을 흥분시킬 수 있다. 어느 쪽이든 간에 흥분이 축삭의 역치를 넘으면 축삭에 있는 어떤 문들이 짧은 시간 동안 열려서 나트륨 이온과 칼륨 이온이 드나들게 된다.

3) 나트륨 통로는 몇 밀리초 동안 열리고 나서는 갑자기 닫히는 반면에 칼륨 통로는 조금 더 오랫동안 열려있다. 나트륨 이온이 세포 안으로 양전하를 갖고 들어왔기 때문에 세포 내부는 더 이상 칼륨 이온이 끌어당기지 않는다. 그리고 칼륨 이온은 세포 바깥보다 안에 더 밀집되어 있기 때문에 세포로부터 흘러나가게 되는데 그럼으로써 양전하가 빠져나간다. 칼륨 이온의 유출이 축삭의 내부를 안정 전위 상태로 되돌려 놓는다.

4) 결국에는 나트륨-칼륨 펌프가 여분의 나트륨 이온을 축삭 밖으로 쫓아내고 도망나갔던 칼륨 이온을 다시 잡아들인다.

시냅스

그렇게나 많은 개별 뉴런들이 어떻게 힘을 합쳐서 의식의 흐름을 만들어내는 것일까? 그 답은 교신이다. 한 뉴런과 다음 뉴런 간의 교신은 축삭을 통한 전달과는 다르다. 한 뉴런과 다음 뉴런 사이의 특수한 연결부위인 시냅스에서 뉴런은 그 다음 뉴런을 흥분시키거나 억제하는 화학물질을 분비한다. 즉 이 화학물질은 그 다음 뉴런이 활동전위를 일으킬 가능성을 높이거나 낮춘다.

 

축삭은 일반적으로 여러 개의 가지로 나누어지는데, 각 가지의 끝에는 볼록하게 부풀어 있는 시냅스전 종말 또는 종말단추라는 부위가 있다. 활동전위가 종말단추에 다다르면 다른 뉴런에 있는 수용기를 활성화시키는 화학물질인 신경전달물질이 분비된다. 다양한 뇌 영역에서 수십 가지의 신경전달물질이 사용되는데, 한 뉴런은 그중 단 한 가지 또는 몇 가지만 분비한다. 신경전달물질 분자는 작은 틈으로 확산되어 시냅스후 뉴런(시냅스에서 정보를 받아들이는 쪽에 있는 뉴런)에 있는 수용기로 간다. 신경전달물질은 열쇠가 자물쇠에 꼭 맞아들어 가듯이 수용기에 결합하여 시냅스후 뉴런을 흥분시키거나 억제한다. 컴퓨터에서 쓰이는 메시지는 단순히 온/오프(1과 0으로 표시)인데, 과학자들은 시냅스 메시지도 역시 그와 같은 것으로 가정하곤 했다.

 

신경전달물질과 행동

뇌에는 수십 가지의 신경전달물질이 있는데, 그 각각이 많은 종류의 수용기를 활성화시킨다. 예를 들면 세로토닌은 적어도 15가지, 아마도 그 이상의 수용기를 활성화시킨다. 각 수용기 유형은 행동의 약간씩 다른 측면을 통제한다. 예컨대 세로토닌 제 3 유형 수용기는 구역질을 일으키기 때문에 연구자들은 구역질을 방지하는 약물을 개발할 수 있었다. 하지만 몇몇 예외를 제외하면 복잡한 행동은 대부분 여러 신경전달물질과 여러 유형의 수용기에 좌우된다.

 

그렇기는 해도 한 특정 전달물질이나 수용기를 증가 또는 감소시키는 질환은 행동을 예측 가능한 방식으로 변화시킨다. 한 예는 파킨슨병인데, 이것은 50세를 넘은 사람의 약 1%가 걸리는 질환이다. 주요 증상은 자발적 운동을 시작하기 어려움, 느린 움직임, 떨림, 경직성, 그리고 우울한 기분이다. 이 모든 증상의 원인은 도파민이라는 신경전달물질을 분비하는 축삭들의 경로가 점차로 쇠퇴하는 데서 찾을 수 있다. 도파민 알약이나 주사는 효과가 없을 터인데 왜냐하면 도파민은 혈류로부터 뇌를 통과해 들어갈 수가 없기 때문이다. 그러나 L-도파라는 약물은 뇌로 들어갈 수가 있다. 뉴런은 L-도파를 흡수하여 도파민으로 변환시키는데, 따라서 도파민 공급량이 올라가게 된다.