뇌과학 : 두뇌란 무엇인가?

우리가 일상에서 사용하는 모든 사고, 감정, 판단은 바로 ‘뇌’라는 신비로운 기관을 통해 이루어진다. 뇌는 단순한 장기가 아니라 생명체의 행동과 생존을 조절하는 고도로 조직된 신경의 중심이다. 본 글에서는 척추동물과 무척추동물의 뇌 구조와 기능을 비교하며, 뇌가 지닌 놀라운 생리적, 해부학적 특징을 탐색하고자 한다.

 

1. 뇌의 정의와 기능

뇌는 모든 척추동물과 대부분의 무척추동물에서 신경계의 중심 역할을 하는 기관이다. 뇌는 신경조직으로 이루어져 있으며, 일반적으로 머리(세완화)에 위치하고 시각, 청각, 후각과 같은 특수감각을 위한 기관 근처에 위치한다.

가장 전문화된 기관인 뇌는 감각신경계로부터 정보를 수신하여 이러한 정보(사고, 인지, 지능)를 처리하고, 운동조절(근육활동 및 내분비계)의 조정을 담당한다.

무척추동물의 뇌는 복측신경절의 짝이 되는 분절신경절(각 신체 분절만 담당)에서 발생하는 반면, 척추동물의 뇌는 중앙선의 등측신경절에서 축방향으로 발달하여 신경관의 로스트랄 끝에서 소포로 확대된다.

모든 척추동물의 뇌는 배아적으로 세 부분으로 나눌 수 있다: 전뇌(테렌체프론과 간뇌프론으로 세분화), 중간뇌, 후뇌(메텐체프론과 골수프론으로 세분화)이다. 머리 아래 체세포 기능과 직접 상호작용하는 척수는 척추 내부에 둘러싸인 골수성 신경절의 꼬리 확장으로 여겨진다. 뇌와 척수는 함께 모든 척추동물의 중추신경계를 구성한다.

2. 인간의 뇌와 뉴런

인간에서 대뇌피질에는 약 140억개에서 700억 개로 추정된다. 각 뉴런은 시냅스를 통해 수천 개의 다른 뉴런과 연결되며, 보통 덴드라이트나 축삭이라고 불리는 세포질 프로세스를 통해 서로 통신한다.

축삭은 보통 골수화되어 활동 전위라고 불리는 급속한 미소 전기 신호 펄스의 열차를 운반하여, 뇌의 다른 영역이나 신체의 먼 부분의 특정 수용 세포를 표적으로 한다. 행정기능을 제어하는 전두전피질은 특히 인간에게서 잘 발달되어 있다.

생리학적으로 뇌는 신체의 다른 기관을 집중적으로 통제한다. 근육 활동의 패턴을 생성하거나 호르몬이라고 불리는 화학 물질의 분비를 촉진함으로써, 몸의 나머지 부분에 작용한다. 이 집중 관리에 의해 환경의 변화에 신속하고 협조적으로 대응할 수 있다.

반사와 같은 몇 가지 기본적인 유형의 응답성은 척수나 말초신경절에 의해 매개될 수 있지만, 복잡한 감각 입력에 기반한 행동의 고도의 목적적인 제어에는 집중형 뇌의 정보 통합 능력이 필요하다.

개개의 뇌세포의 기능은 현재 상당히 상세하게 이해되고 있지만, 수백만 명의 집단에서의 협력 방법은 아직 해결되지 않았다. 현대 신경과학의 최근 모델은 뇌를 생물학적인 컴퓨터로 취급하고 있으며, 디지털 컴퓨터와는 메커니즘이 매우 다르지만, 주위 세계에서 정보를 얻고 저장하며 다양한 방식으로 처리한다는 점에서는 비슷하다.

3. 뇌의 해부학적 특성과 연구

이 글에서는 척추동물에 대한 가장 큰 관심과 함께 동물종 전체에 걸친 뇌의 특성을 비교한다. 다른 뇌의 특성을 공유하는 한 인간의 뇌를 다룬다. 인간의 뇌가 다른 뇌와 다른 방식은 ‘인간의 뇌’라는 기사에서 다루고 있다. 여기서 다루지 않은 몇 가지 주제는 인간의 맥락에서 훨씬 더 많은 정보를 제공할 수 있기 때문에 해당 기사에서 설명하고 있을 가능성이 있다. 인간의 뇌에 관한 기사에서 가장 중요한 것은 뇌 질환과 뇌 손상의 영향이다.

뇌의 모양과 크기는 종에 따라 크게 달라 공통적인 특징을 특정하기 어려운 경우가 많다. 그럼에도 불구하고 뇌 구조에는 다양한 종에 적용되는 많은 원칙이 존재한다. 뇌 구조의 몇 가지 측면은 동물 종의 거의 전 범위에 공통되며, 다른 측면은 ‘선진적인’ 뇌와 보다 원시적인 뇌를 구별하거나, 척추동물과 무척추동물을 구별하는 기준이 된다.

뇌 해부학에 대한 정보를 얻는 가장 쉬운 방법은 육안 검사이지만, 보다 고도의 기술도 많이 개발되고 있다. 자연 상태의 뇌 조직은 매우 부드러워 작업이 어렵지만, 알코올이나 기타 고정제에 담가 경화시킨 후 내부를 알아보기 위해 슬라이스할 수 있다.

시각적으로 뇌 내부는 회백질 영역(어두운 색)과 백색질 영역(밝은 색)으로 구성되어 있다.

 

뇌는 다양한 동물 종에서 형태와 크기는 다르지만 공통적으로 고도의 정보 처리 기능을 수행하는 정교한 기관이다. 특히 인간의 뇌는 복잡한 사고와 창의적 판단을 가능하게 하며, 아직 완전히 밝혀지지 않은 많은 신비를 간직하고 있다. 앞으로도 뇌의 구조와 작용에 대한 과학적 탐구는 계속될 것이다.