인체는 보면 볼수록 그 생명활동의 정교함에 경이로움을 느끼곤 합니다 인체의 모든 기관이 다 경이롭지만 특히 뇌는 많은 사람들의 호기심과 신비의 대상입니다 우리가 생각하고 말하고 듣고 냄새 맡고 움직이는 모든 것은 뇌와 신경계의 활동으로 이루어지고 있습니다 또한 우리의 삶에서 경험하는 모든 것을 저장하고 기억이라는 활동을 통하여서 재생시키기도 합니다
우리의 뇌는 대략 1000억 개의 신경세포로 이루어져 있고 신경세포들을 서로 전기, 화학적인 방법에 의해서 대화를 나누고 신호전달을 하고 있습니다 현대는 이러한 신경계를 모방한 인공지능을 만들어 인류를 경악하게 하고 있습니다
이렇게 1.4kg의 작은 조직 안에 어떻게 이렇게 놀라운 세계가 들어있을까요
인류는 뇌라는 이 미스터리 한 조직을 어떻게 알아왔으며 탐구해 왔으며 어떻게 오늘에 이르게 되었는지의 과정과 우리 몸을 위해 지금도 일하고 있는 신경계의 구조에 대해서 알아보겠습니다
신경줄기를 발견하다
고대에는 심장이 생각의 근원지라고 생각했다고 합니다 그도 그럴 것이 우리가 느끼는 모든 감각과 감정은 심장부근에서 느껴지기 때문 일 겁니다 그리스의 헤로필로스는 죽은 시신으로 인체를 해부하였던 인류최초의 해부학자라 고합니다 그는 긴 끈과 같은 줄기가 온몸에 퍼져있는 것을 발견했으며 그리고 이 실과 같은 줄기들이 뻗어 나온 중심 줄기인 척수를 알고 있었다고 합니다
이 신경줄기의 내부는 텅 비어있다고 기록되었으며 이 줄기를 따라 에너지나 공기가 통과하므로 우리가 감각을 느낀다고 생각하였습니다
그리고 400년이 지난 AD129년 로마의 갈레노스는 뇌에서 프뉴마라는 특별한 공기가 만들어지고 신경을 따라 흘러들어 가 우리 몸이 감각을 느끼고 육체의 동작이 이루어진다고 주장하였고 마주시 알리 이븐 알 압바스는 뇌는 지능과 사고, 감각과 상상, 기억을 담당하는 3개의 공간으로 나누어지는데 프뉴마는 뇌에서 생성되며 혈관을 타고 올라가 뇌의 3 공간으로 이동한 후 신경을 타고 흘러 온몸을 움직인다고 주장하였습니다
이러한 주장은 1000년이 넘도록 보편적인 진리로 받아들여졌으나 1620년대 윌리엄 하비는 뇌를 인체에서 가장 정교하고 중요한 기관이라고 주장하며 심장이 단순한 심장조직임을 증명하였다고 합니다
1662년에 데카르트 생전의 기록들이 책으로 출판되었는데 이 책에서 데카르트는 사람의 사고와 감각의 근원은 심장이 아니고 뇌라고 주장하였습니다 그러나 데카르트는 뇌의 송과선에 아주 큰 관심을 가졌는데 사람이 동물과 다르게 생각하고 사고하는 능력은 뇌의 가장 안 쪽에 있는 아주 작은 기관인 송과선때문이며 송과선은 사람에게만 있고 동물에는 없다고 주장하였습니다 그러나 그의 서적이 출간되자마자 해부학자들은 송과선은 척추를 가진 모든 동물에게서 발견된다는 것을 증명하였습니다
당시 프랑스의 귀족들은 정원에 공기와 물로 움직이는 조형물이나 인형을 설치하는 것이 유행이었는데 이러한 조형물을 이용하여 사람이 움직여지는 원리를 설명하기도 하였습니다
17세기 중반에는 라이덴 병이 발명되었고 전기는 사람들에게 경이롭고 놀라운 현상이었기 때문에 세계 최초의 대학의 도시인 이탈리아의 볼로냐에서는 '놀라울 정도로 빠른 전기는 신경과 어떤 관계가 있는것은 아닐까'라는 주제로 토론이 활발했다고합니다
그러다가 1791년 이탈리아의 볼로냐 출신 의사 루이지 갈바니가 개구리를 해부하다가 철판에 놓인 개구리의 다리 근육이 해부용 칼에 닿았을 때 근육이 수축되는 현상을 보게 됩니다 갈바니는 이러한 현상은 개구리의 신경에는 전기가 내재되어 있어서 금속이 닿았을 때 근육의 수축현상이 일어났다고 생각하였습니다 여러 번의 실험 끝에 갈바니는 이러한 사실을 학회에 발표하며 개구리 내에 있던 전기는 뇌의 피질에서 만들어지고 혈액을 통해서 신경으로 들어간다고 주장하였습니다
그의 친구였던 알렉산드로 볼타는 처음에는 그의 주장에 동조하였으나 몇 년 동안 실험을 한 결과 이 실험에서 생성되는 전기는 개구리의 몸속에 전기가 저장되어 있는 것이 아니라 서로 다른 금속 두 개만 있어도 전류가 흐른다고 주장하며 갈바니의 주장은 틀렸다고 반박하였습니다
그리고 서로 다른 금속 구리와 아연을 여러 겹으로 쌓고 구리와 아연 사이사이에 전해질로 사용할 소금물에 적힌 헝겊을 끼운 더미를 만들어 금속선으로 연결하여 전류가 흐르는 현상을 증명하였습니다 이것이 인류최초의 배터리인 볼타전지인데 이렇게 인류 최초의 배터리는 개구리의 다리에 흐르는 전기를 실험하다가 만들어졌습니다
그러나 갈바니는 동물의 몸속에 전기가 있다는 자신의 생각을 굽히지 않았으며 의사인 조카 알디니와 함께 금속의 접촉 없이도 피부 밖으로 노출된 근육에 신경이 닿기만 해도 근수축이 일어나는 현상을 보여주었습니다
당시에는 상처 난 부위와 정상적인 부위의 전위차에 의해서 일어나는 이 전기현상을 알 수가 없었기에 갈바니의 주장은 실험으로만 보여줄 수 있었고 이론적인 설명으로 뒷받침을 할 수가 없었습니다
갈바니의 열렬한 지지자였던 조카 알디니는 유럽 전역을 다니며 사형수의 죽은 시신에 배터리의 전류를 이용하여 신경조직을 움직이는 실험을 하기도 하였는데 괴이하고 엽기적인 실험을 하기는 하였으나 이 실험들로 인하여 프랑켄슈타인과 같은 작품이 나오기도 하였고 뇌와 신경이 기능하는데 전기가 핵심적인 역할을 한다는 것을 인식시켜 주었습니다
1827년 브리테니커 사전에는 '우리 몸의 움직이는 현상은 자연계에서 우리가 알고 있는 그 어떠한 현상보다도 전선을 타고 흐르는 전기적 힘의 전달방식과 닮았다고' 기록하였습니다
1849년 출간된 '전기생물학의 기초에서 스미는 뇌가 수십만 개의 아주 작은 배터리로 구성되어 있으며 그 각각이 특정 신체부위와 연결되어 있다고 주장했으며 우리의 뇌와 몸은 당시의 가장 발달한 기계였던 전신망과 같은 원리로 움직인다고 주장하였습니다 현대과학이 밝힌 바로 세포는 하나하나가 이온의 전위차에 의해서 전기가 생성돼서 움직여지고 있으니 그의 통찰은 맞았다고 할 수 있습니다
그는 몸을 이루고 있는 신경들이 이리저리 얽혀서 뇌의 중앙에서 어떻게 합쳐지는지를 그림으로 복잡하게 표현하기도 하였는데 그러나 실제적으로 쓸모 있는 설계도는 아니었다고 합니다
이렇게 사람들의 인식은 전반적으로 신경과 전기는 밀접한 관계가 있다는 것은 알았으나 스미가 말하였던 전기를 생성해 내는 배터리, 즉 뇌 자체가 무엇으로 구성되어 있는지는 알 수가 없었습니다
18세기 중반은 현미경의 발달로모든 생물을 이루는 기본구조가 세포라는 것이 밝혀지기 시작하는 시기였다고 합니다 1830년 체코의 해부학자 얀 프리키네는 소뇌를 관찰하다가 소뇌가 수십만 개의 작은 점과 같은 물질로 구성되었다는 것을 발견하게 되고 1833년 로베르트 레마크는 이 작은 점과 같은 물질들 각각은 아주 작은 연장선으로 퍼져나가 있다는 것을 발견하게 됩니다
그리고 1840년 스위스의 해부학자 알베르토 폴 퀄리 커는 이 작은 점들은 가지돌기, 세포체, 그리고 원통형태의 축삭으로 구성되어 있다고 밝힙니다
현미경의 발달로 세포의 구조를 알 수 있었으나 뇌세포의 구조를 세밀하게 관찰하는 데는 한계가 있었습니다
그러나 1873년 이탈리아의 해부학자 카밀로 골지의 우연한 실수로 인해서 뇌세포들의 구조를 세밀하게 관찰할 수 있는 기회를 얻습니다
카밀로 골지는 다이크로뮴칼륨으로 경화시켜 둔 뇌세포 조직을 질산은이 담긴 병에 떨어뜨리는 실수를 합니다 그러자 뇌세포 조직이 검게 변해버리고 말았는데 그는 그 검게 된 조직을 현미경에 가지고 와서 천천히 관찰해 보았더니 세포의 조직들이 아주 세밀하게 보였다고 합니다 그것은 세포들이 질산은에 다 염색이 된 것이 아니라 작은 부분만 염색이 되고 나머지 부분은 염색이 되지 않았기 때문입니다
이 염색법을 이용해서 골지는 수많은 조직을 관찰한 결과 뇌 신경계는 굉장히 정교하고 복잡하게 얽혀있다는 것을 알게 되며 복잡하게 얽혀있는 가지줄기들의 끝은 미세한 간격으로 떨어져 있다는 것도 알게 되었습니다 그러나 골지는 미세한 틈을 두고 떨어져 있기는 하나 신경계는 하나로 통합된 시스템이라고 생각하였습니다
그러나 1891년 독일의 해부학자 빌헬름 폰 발다이어는 신경세포들이 서로 복잡하게 얽혀있기는 하나 세포 하나하나는 개별적이고 독립적인 조직이라고 주장하며 이 하나하나의 독립적인 세포들을 '뉴런'이라고 칭하게 되는데 뉴런은 그리스어로 힘줄이라는 뜻이라고 합니다 그리고 7년 뒤 두 세포 사이의 미세한 틈을 시냅시스라고 칭하였는데 현대는 시냅스라고 부릅니다
이후 과학자들은 뉴런의 시냅스에서 옆의 뉴런에게 신호를 전달해 주는 물질이 무엇인가에 대해서 오랜 기간 동안 논쟁되었고 결국 전기적인 방식으로만 전달이 될 것이다라는 의견과 특수한 화학물질에 의한 전달일 것이라는 의견으로 좁혀졌다고 합니다
그러다 1921년 오토 뢰비에 의하여 시냅스에서 다른 뇌세포로의 전달은 아세틸콜린이라는 화학물질에 의해서임이 밝혀졌고 그로 인하여 오토뢰비는 노벨생리의학상을 수상하게 됩니다
1939년 영국의 앨런 호지킨과 앤드류 헉슬리에 의해서 신경세포의 전기적인 활동을 일으키는 원인이 명확하게 밝혀지게되었습니다 1868년 율리우스 베른슈타인은 세포막은 반투과성이며 신경충격을 받으면 전하를 띤 이온이 안에서 밖으로 투과된다는 이론을 주장하였는데 호지킨과 헉슬리는 이 이론을 검증하기 시작하였습니다 어느 해부학자로부터 오징어의 축삭돌기의 두께가 사람보다 1000배나 두꺼운 1mm라는 소리를 들은 이들은 오징어의 신경세포에 전극을 연결시켜 실험한 결과 베른슈타인의 이론과는 반대로 신경세포가 자극을 받으면 세포막에 있는 나트륨 통로가 열리면서 세포막 밖의 나트륨 이온이 세포 안으로 들어오고 세포 안은 투입된 나트륨 이온으로 인하여 전위가 급격히 높아지게되면서 높아진 전위차를 원상태로 돌리기 위하여 세포 내부의 칼륨통로가 열리면서 칼륨이온이 밖으로 빠져나감으로 원상태의 전위를 회복한다는 것을 알게되었습니다 또한 신경세포의 활동은 세포 내부의 칼륨이온과 외부의 나트륨 이온의 균형과 불균형에 의하여 이루어진다는 사실을 알아내게 되었고 이 발견으로 노벨생리의학상을 수상하게 됩니다
이렇게 해서 신경세포 뉴런의 구조와 신호를 전달하는 방식이 정확하게 밝혀지게 되었습니다
신경세포는 세포막의 안과 밖의 전위차에 의한 전기적인 활동으로 작동됩니다
뉴런의 구조는 세포체와 수상돌기 그리고 축삭으로 구성되어 있고 수상돌기는 다른 뉴런으로부터 신호를 받고 이 신호는 핵이 있는 세포체로 이동합니다 그리고 세포체에서 축삭으로 전달되고 전기신호가 축삭의 끝 부분에 도달하면 화학적인 신경전달물질이 방출되어 옆에 있는 뉴런의 수상돌기에 있는 수용체와 결합하면서 신호를 전달합니다
신경전달 0과 1의 법칙
호지킨과 헉슬리는 신경계의 반응방식인 실무율의 법칙도 발견하게되었습니다
1920년대 영국의 생리학자 에드거 에이드리어는 피부를 자극할 때 피부에 연결되어 있는 금속 조각들의 반응을 측정하였는데 반응하거나 반응하지 않거나의 두 종류의 반응뿐이었으며 자극의 강도가 20%일 때, 60%일 때등의 반응은 없었다고 합니다 이것을 실무율의 법칙이라고 합니다
호지킨과 헉슬리는 오징어의 신경세포에 미세전극을 삽입한 뒤 전기자극을 주었는데 자극의 강도에 비례하여 반응을 보이는 것이 아니라 일정치의 자극의 강도에 도달하기 전에는 전혀 반응이 없다가 어떤 강도의 수치에 도달하며 그때서야 신경반응이 나타남으로써 실무율의 법칙이 검증되었습니다
이후 과학자들은 전기와 기계를 이용해 신경계의 모형을 만들어 신경계가 작동하는 근원적인 원리를 밝히고자 많은 노력을 하였으나 별 다른 성과를 이루지 못하였습니다
그러나 1943년 캑컬록과 피츠는 발화하거나, 아니면 발화하지 않거나의 두 가지 반응만을 가지고 있는 신경계의 발화하는 방식을 보면서 신경계의 활동을 논리학의 명제와 같이 표현하는 일이 가능하다는 사실을 깨달았다고 합니다
그리하여 뉴런들의 연결망에 따르는 알고리즘이 시작되었고 0과 1로 이루어지는 최초의 컴퓨터 애드박이 탄생하였고 오늘에 이르고 있습니다
신경계의 구조와 역할
신경계의 구조는 중앙에 위치한 중추신경계와 중추신경계로부터 신체 각 기관에 연결된 말초신경계로 나뉘어있습니다 중추신경계는 뇌와 척수로 되어있는데 우리 몸의 가운데에 위치해 두개골의 보호를 받으며 척수는 척추뼈의 보호를 받고 있는 신경다발입니다
척수는 뇌간 끝에서 척추 끝까지 내려오는 굵고 긴 신경줄기입니다
뇌와 신체기관 사이에 연결되어 정보와 신호를 전달해 주는 역할을 하며 신경축삭 다발로 되어있습니다 척수는 신체의 각 부분과 연결이 되어있는데 예를 들어 손이 어떤 물체를 만졌을 때 그 부분의 신경세포가 자극을 받아 전기에너지로 바꾸고 그 부분과 연결된 신경을 통하여 척수로 전달하고 척수에서 뇌로 정보를 전달합니다
척추의 신경섬유는 여러 종류가 있는데 몸의 말초신경에서 받은 감각을 뇌로 전송하는 감각신경섬유와 뇌에서 근육으로 신호를 보내는 운동신경이 있습니다
뇌가 머리뼈로 감싸여 보호받듯이 척추뼈에 감싸여 보호받고 있습니다
또한 위급한 순간에는 뇌를 거치지 않고 척수신경이 자체적으로 신호를 판단해서 순간적인 자극에 대해 반사운동을 합니다
뇌가 머리뼈로 감싸여 보호받듯이 척추뼈에 감싸여져 보호받고 있습니다
또한 위급한 순간에는 뇌를 거치지 않고 척수신경이 자체적으로 신호를 판단해서 순간적인 자극에 대해 반사운동을 합니다
뇌신경계
뇌신경계는 주로 머리와 목에 있는 기관(시각, 청각, 후각등)들을 연결합니다 그러나 미주신경은 흉강과 복강에 연결되어 내장기관을 관장합니다
1 후각신경; 코를 통해 들어온 냄새의 감각을 대뇌로 전달합니다
2 시각신경; 동공을 통하여 들어온 빛이 망막을 자극하고 망막에서 발생하는 시각을 대뇌로 전달합니다
3 눈돌림신경; 안구의 움직임을 조절하여 눈을 위와 옆으로 움직이게 하고 빛의 양에 따라서 홍채를 조절하여 동공의 크기를 조절합니다
4 도르래 신경; 안구의 움직임을 조절하여 눈을 아래와 바깥쪽으로 움직이게 합니다
5 삼차신경; 얼굴의 감각과 씹는 운동을 담당합니다
6 갓돌림 신경; 안구의 움직임에 관여하며 눈이 바깥 방향으로 움직이거나 회전하도록 합니다
7 얼굴신경; 얼굴 표정근육의 운동과 혀의 앞부분에서 발생하는 미각을 대뇌로 전달하며 침과 눈물등의 타액을 분비하는 운동신경이 함께 작용합니다
8 속귀신경; 청각과 평형감각이 관여합니다
9 혀인두신경; 혀의 뒷부분에서 발생하는 미각과 삼킴 작용, 호흡, 침 분비등을 조절합니다
10 미주신경; 머리부터 복강까지 뻗어있는 가장 긴 뇌신경이며 내장의 지각과 운동신경응ㄹ 지배합니다
11더부신경; 인두근, 후두근, 승모근, 흉쇄유돌근의 움직임에 관여합니다 12혀밑신경; 혀의 움직임에 관여합니다
말초신경계는 체성신경계와 말초신경계로 나뉩니다
★체성신경계
체성신경계는 몸의 자발적이고 의식적인 움직임이 이루어지는 말초신경계를 뜻하는데 뇌에서부터 나온 뇌신경과 척수에서 나온 척수신경이 있습니다
체성신경계는 감각신경과 운동신경이 있습니다
감각신경은 몸에서 받은 자극을 중추신경계까지 전달하는 신경계이고 운동신경은 중추신경계에서 나온 명령을 근육으로 전달하는 신경계인데 감각신경은 척수의 등 쪽에 위치해 있고 운동신경은 척수의 배 쪽에 위치해있습니다
자율신경계
자율신경계는 의식하지 않은 상태에서도 움직이는 내장운동, 호흡운동, 심장운동, 침, 땀 분비등의 활동을 자율적으로 조절하는 신경계입니다
자율신경계는 교감신경과 부교감신경으로 나뉘는데 교감신경은 위급한 상황일 경우 빠르게 대처할수있는 역할을 하고 부교감신경은 몸이 이완되는 역할을 하는데 소화와 휴식과 관련이 있습니다●교감신경
교감신경은 주로 스트레스나 위기상황에 활성화되며 뇌, 눈, 귀, 근육, 폐, 심장등에 혈액이 집중하게 되어 혈압이 높아지며 심박수가 증가하고 호흡량이 높아지는 등의 생리적인 변화가 생겨 위험한 상황을 대비하게 신체가 준비됩니다
교감신경은 척수의 중간 부분에서 나오서 내장 여러 기관에 연결되어 있습니다
●부교감신경
부교감신경은 휴식, 수면과 같은 안정되고 평안한 상태에서 활성화되고 몸을 이완시키며 심장의 박동수와 호흡을 감소시키고 소화활동을 활발히 합니다
부교감신경은 뇌의 연수와 척수의 꼬리 부분에서 나와 여러 내장기관에 연결되어 있습니다