0. 목차
- '뇌'는 영혼의 저장소였다.
- 두뇌 지도
- 뇌의 진화
- 현미경으로 뉴런의 구조가 밝혀졌다.
- 1990년대 이후 뇌과학의 발전
1. '뇌'는 '영혼의 저장소'였다.
1-1. 피니어스 게이지
1948년, 미국의 버몬트 주에서 철도 공사에 동원된 25살의 '피니어스 게이지(Phineas Gage, 1823~1860)'는 커다란 바위를 부수기 위해 다이너마이트를 설치하고 있었다. 그러던 중 뇌관을 잘못 건드리는 바람에 다이너마이트가 폭발했고, 1m짜리 쇠막대가 날아와 그의 얼굴에 박히고 말았다. 쇠막대는 '피니어스 게이지(Phineas Gage)'의 이마를 관통하여 머리 위로 뚫고 나왔고, 그의 몸은 거의 25m나 날아갔다. 혼비백산한 동료들이 급히 의사를 불렀다. 모두 '피니어스 게이지'가 죽었다고 생각했지만 놀랍게도 '피니어스 게이지'는 살아 있었다.
그는 몇 주 동안 혼수상태를 헤매다가 의식이 돌아왔고, 4개월 후에는 업무에 복귀할 정도로 건강을 되찾았다. 그러나 그의 동료들은 한결같이 '게이지가 사고를 겪은 후 다른 사람이 되었다.'고 증언했다. 예전에는 매우 쾌활하고 협동심이 강한 청년이었는데, 사고를 당한 후부터는 툭하면 욕설을 입에 담고 매사 적대적이면서 이기심 강한 사람으로 돌변했다는 것이다. 그를 치료했던 '존 할로(John Harlow)' 박사는 게이지가 "우유부단하고 변덕스러우며, 앞으로 할 일을 계획했다가도 사소한 일 때문에 쉽게 포기하곤 했다. 지적 능력과 표현력은 어린아이 수준이면서 동물 같은 열정을 지닌 강인한 사람이었다."고 평가했다. 그는 게이지의 성격이 급격하게 변했다고 했고, 함께 일했던 철도 노동자들은 자신이 알던 게이지가 아니라고 했다. 밥 먹기, 옷 갈아입기, 집 찾기 등 일상적인 행동에는 아무런 지장이 없었지만, 논리적 생각이나 무언가를 예측하는 능력, 상황을 판단하는 능력은 거의 상실한 것처럼 보였다. '피니어스 게이지'는 사고 후 12년을 더 살다가 1860년에 사망했는데, 할로 박사가 유족의 동의를 얻어 그의 두개골을 X선으로 정밀 분석해보니 이마의 바로 뒷부분, 즉 좌뇌와 우뇌의 '전두엽(frontal lobe)'에 해당하는 부분이 거의 사라지고 없었다.
이 사건은 '피니어스 게이지'의 개인적인 삶뿐만 아니라, 과학계 전반에 걸쳐 지대한 영향을 미쳤다. 그전까지만 해도 과학자들은 '두뇌(Brain)'과 '영혼(Soul)'을 별개의 존재로 간주했고, 철학자들은 이것을 '이원설(Dualism)'이라고 불렀다. 그러나 전두엽에 손상을 입은 후로 게이지의 성격이 크게 달라졌다는 사실이 알려지면서, 과학적 사고의 패러다임 자체가 흔들리기 시작했다. '혹시 두뇌의 각 부분이 인간의 생각과 행동을 분야별로 제어하는 것은 아닐까?' 생각하게 된 것이다.
아래의 모습은 '피니어스 게이지(Phineas Gage)'의 모습이다. 준수한 외모에 자신감 있는 표정의 이 사진에는, 사고 후유증으로 왼쪽 눈이 감겨 있고 한 손에는 자신을 다치게 한 쇠막대를 들고 있다.
1-2. '행동장애'와 '두뇌 손상'의 연결고리
'피니어스 게이지'가 사망한 직후 1861년, 파리의 의사 '피에르 폴 브로카(Pierre Paul Broca, 1824~1880)'는 '다른 기능은 모두 정상이지만 언어능력만 크게 떨어지는 환자'를 집중적으로 조사하여 보고서를 발표했다. 이 환자는 다른 사람의 말을 듣고 이해하는 데는 아무 문제가 없었지만, 정작 남들이 본인에게 말을 걸면 '탄(tan)'이라는 발음만 간신히 할 수 있을 뿐이었다. 이 환자의 사망 후에 부검을 하던 브로카는 왼쪽 귀 근척의 '측두엽'이 크게 손상되어 있음을 발표했다. 측두엽의 손상으로 나타나는 증세를 '브로카 실어증(Broca'saphasis)'이라고 하는데, '브로카 실어증'을 앓는 환자들은 다른 사람의 말을 이해하지만, 정작 본인은 아무 말도 하지 못한다. 그 후 '피에르 폴 브로카' 박사는 뇌의 특정 부위에 손상을 입은 환자 12명을 추가로 조사하여, 두뇌와 신체 기능 사이의 연결고리를 밝히는 데 크게 기여했다.
그 후 1874년, 독일의 의사 '칼 베르니케(Carl Wernicke)'는 이와 정반대의 증상을 보이는 환자들을 연구했다. 이들 중에는 언어를 자유롭게 구사하면서 다른 사람의 말이나 글을 전혀 이해하지 못하는 사람도 있었고, 평소에는 정확한 문장을 구사하지만 간간이 이치에 맞지 않는 단어나 알아들을 수 없는 말을 웅얼거리는 사람도 있었다. 그러나 본인들은 자신의 언어가 비정상이라는 사실을 전혀 자각하지 못했다. '칼 베르니케'는 이들이 사망한 후 부검을 시행했는데, 환자마다 왼쪽 측두엽의 각기 다른 부분에서 손상이 발견되었다.
'피에르 폴 브로카'와 '칼 베르니케'의 연구는 '행동장애''와 '두뇌 손상' 사이의 연결고리를 밝히면서 신경과학의 새로운 장을 열었다.
1-3. 뇌가 전기적 성질을 띠고 있음이 알려졌다.
이 분야에 또 다른 발전을 가져온 계기는 다름 아닌 '전쟁'이었다. 과거에 각 종교단체는 사망자의 시신을 훼손하는 것을 금기시했고, 이것은 의학 발전에 커다란 걸림돌로 작용했다. 그러나 수천, 수만 명의 병사가 피를 흘리며 고통을 호소하는 전쟁터에서는 당장 이들을 살릴 치료법이 무엇보다 시급했다. '프로이센(유럽 동북부와 중부에 있었던 나라)'과 '덴마크'가 한창 전쟁 중이던 1864년에 독일인 의사 '구스타프 프리치(Gustav Fritsch)'는 머리를 다친 병사들을 치료하다가, 두뇌의 반쪽(왼쪽 또는 오른쪽)을 건드리면 그 반대쪽 팔다리에 경련이 일어난다는 사실을 알아냈다. 전쟁이 끝난 후 '구스타프 프리치'는 후속 연구를 통해 "왼쪽 두뇌에 전기 충격을 가하면 몸의 오른쪽 부위가 반응을 보이고, 오른쪽 두뇌에 전기 충격을 가하면 몸의 왼쪽 부위가 반응을 보였다"라는 결론을 내렸다. 이것은 두뇌가 기본적으로 전기적 성질을 띠고 있으며, 좌뇌와 우뇌의 관할구역이 분리되어 있다는 확실한 증거였다.
1-4. 두뇌의 전기적 연결망 구조가 연구되기 시작했다.
1930년대에 들어와서는 '두뇌와 신체를 이어주는 전기적 연결망의 구조'가 체계적으로 연구되기 시작했다. 이 무렵 '와일더 펜필드(Wilder Penfield, 1891~1976)'라는 의사는 여러 명의 간질병 환자를 치료 중이었는데, 발작이나 경련이 일어나면 환자의 목숨이 위태로웠으므로 뇌 수술 이외에는 다른 방도가 없었다. 그리고 이를 위해서는 두개골 일부를 절개하여 뇌를 노출하는 수밖에 없었다. 뇌에는 통증을 느끼는 신경이 없어서, 환자는 수술 내내 깨어 있을 수 있다. 그래서 '와일더 펜필드'는 뇌 수술을 할 때 부분마취를 했다. 그리고 '와일더 펜필드'는 수술 도중 대뇌피질의 특정 부분에 전기적 자극을 주면, 각기 다른 신체 부위가 반응한다는 사실을 알아냈다.
그렇다면 대뇌피질의 각 부분과 신체 부위를 일대일 대응 관계를 그림으로 나타낼 수 있지 않을까? '와일더 펜필드'는 당장 이 작업에 착수했고, 이때 완성된 그림은 놀라울 정도로 정확하여 지금까지 거의 원형 그대로 사용되고 있다. 그의 연구 결과를 그림으로 만든 것이 바로 '펜필드 호문쿨르스(Penfield Homunclus)'로, 이는 오늘날에도 유명하다. 당시 이 그림이 발표되자 과학계는 엄청난 충격에 휩싸였으며, 일반 대중조차 지대한 관심을 보였다. '와일더 펜필드'는 몇 장의 그림을 그렸는데, 그중 하나는 두뇌 각 부위의 기능의 인간의 삶에 얼마나 중요한지를 한눈에 보여준다. 예컨대 손과 입은 생존에 매우 중요한 기능이어서, 뇌의 상당 부분이 이 기능을 통제하는 데 할당되어 있지만, 등과 관련된 부분은 매우 미미하다.
또한 '와일더 펜필드'는 측두엽의 특정 부위에 자극을 주면 오래된 기억이 뚜렷하게 되살아난다는 사실도 알아냈다. 뇌 수술을 하던 도중 환자가 갑자기 '저는 .. 제가 다니던 고등학교 교문 앞에 서 있어요.. 어머니가 전화했는데 오늘 밤 이모님이 오신다고 했어요.'라며 까마득한 예전 일을 기억해 낸 것이다. '와일더 펜필드'는 환자가 뇌의 특정 부위에 자극을 받아 깊은 곳에 묻혀 있던 기억을 되살려낸 것이라고 생각했다. 그는 이 결과를 1951년에 논문으로 발표했고, 과학계는 또 한 번 충격에 휩싸였다.
2. 두뇌 지도
두뇌의 대략적인 지도는 1950~1960년대에 완성되었다. 이 무렵에 공개된 그림에는 두뇌의 각 부위와 몇 가지 기능이 명시되어 있다.
2-1. 4개의 '엽'
뇌의 가장 바깥층에 해당하는 '신피질(Neocortex)'는 크게 4개의 '엽(lobe)'으로 나눌 수 있다. 인간은 신피질이 가장 발달한 생물이다. 신피질을 구성하는 4개의 엽은 서로 연결되어 있지만, 각기 다른 기능을 맡는다. 뇌를 구성하는 모든 '엽(lobe)'은 감각기관에서 전달한 신호를 처리하는 데 전문화되었지만, 이마 바로 뒤에 있는 '전두엽(Frontal Lobe)'만은 예외다. 전두엽 대부분을 차지하는 '전전두피질(Prefrontal Cortex)'는 물리학이나 컴퓨터 프로그래밍처럼 가장 이성적이고 논리적인 생각이 진행되는 곳이다. 이 부위에 손상을 입으면 앞일을 계획하거나 미래를 상상하기가 매우 어려워진다. '전전두피질'은 '감각정보'를 평가하고 향후 행동을 결정한다.
- 전두엽(Frontal Lobe): '전두엽'은 이마 바로 뒤에 있으며, 이성적이고 논리적이 생각이 진행되는 곳이다. 감각정보'를 평가하고 향후 행동을 결정한다.
- 두정엽(Prietal Lobe): '두정엽'은 뇌의 위쪽에 자리 잡고 있다. 그중 오른쪽 절반은 감각 집중과 몸에 대한 느낌을 제어하고, 왼쪽은 특별한 기술과 언어 일부를 제어한다. 그래서 두정엽에 손상을 입은 환자는 많은 문제에 직면하는데, 예컨대 '손가락으로 무릎을 가리켜 보라'는 단순한 명령조차 이행하지 못한다.
- 후두엽(Occipital Lobe): '후두엽'은 눈을 통해 들어온 시각 정보를 처리하는 곳으로, 이 부위에 손상을 입으면 시력이 약해지거나 아예 시력을 잃을 수도 있다.
- 측두엽(Temporal Lobe): '측두엽'은 언어(왼쪽)와 얼굴인식, 그리고 특별한 감정을 처리한다. 이 부위에 손상을 입으면 말을 못 하거나 친숙한 얼굴을 알아보지 못한다.
3. 뇌의 진화
어떤 면에서 보면 인간의 두뇌는 지난 수백만 년 동안 진화의 박물관이라고 할 수 있다. 그 사이 우리의 뇌는 바깥쪽으로, 앞쪽으로 계속 커지면서 기능도 다양해졌다. 갓 태어난 아기의 두뇌도 이와 동일한 과정을 거치면서 성장한다. 즉, 갓난아이의 두뇌가 자라나는 과정은 지난 수백만 년 동안 진행되어온 두뇌의 진화 과정과 거의 비슷하다.
근육, 뼈, 허파 등 우리 몸을 이루는 장기들은 구조적으로 어떤 통일된 패턴을 보이며, 겉모습만 봐도 그 패턴이 확연하게 드러난다. 그런데 유독 두뇌만은 이 패턴에서 벗어나 몹시 혼란스러운 구조로 되어 있다. 뇌의 그림을 보고 있으면 마치 '바보들을 위해 특별히 만든 지도'를 보는 느낌이다. 1967년 '미국 국립 정신 건강 연구소(National Institute of Mental Health)'의 폴 맥린(Paul Donald MacLean, 1913~2007)' 박사는 마구잡이로 된 듯한 두뇌구조를 이해하기 위해서 '찰스 다윈(Charles Darwin)'의 진화론을 뇌에 적용해보았다.
3-1. 파충류 뇌
그는 사람의 뇌를 세 부분으로 나누었는데, 그중 가장 안쪽에는 '뇌간(Brain Stem)'과 '소뇌(Cerebellum)', '기저핵(Basal Ganglia)'이 자리한다. 이 부분은 파충류의 뇌와 구조가 거의 같아서 하나로 묶어 '파충류 뇌(Reptilian Brain)'이라고 한다. 파충류 뇌는 진화 역사가 가장 오래된 부위로서, 생명활동의 기본적 기능인 균형감각과 호흡, 소화, 심장박동, 혈압을 관장한다. 또 생존과 번식에 필수적인 싸움, 사냥, 짝짓기, 영역 보존 본능도 '파충류 뇌'의 소관이다. 과학자들은 '파충류 뇌'가 지금으로부터 약 5억 년 전에 생성되었으리라 추정하고 있다.
3-2. 포유류 뇌(대뇌번연계)
그러나 파충류 뇌에서 출발한 뇌는 복잡한 진화 과정을 거치면서 바깥쪽으로 점점 자라났고, 부피가 커지면서 완전히 새로운 구조가 탄생했다. 이것을 '포유류 뇌(Mammalian Brain)' 또는 '대뇌번연계(Limbic System)'이라 하며, 두뇌부 중심부 근처에서 파충류 뇌를 감싸고 있다. '대뇌번연계'는 원숭이처럼 집단생활을 하는 포유류에서 특히 발달하였다. 집단생활은 매우 복잡한 사회체계라서, 잠재적인 적과 우리 편 그리고 경쟁자를 구별하는 능력이 필수적인데, 이 기능을 담당하는 곳이 바로 '대뇌번연계'이다. 집단생활을 하는 포유류의 대뇌번연계를 기능별로 세분하면 다음과 같다.
- 해마(Hippocampus): 이곳에서 단기기억이 장기기억으로 전환된다. 'Hippocampus'는 '해마(seahorse)'라는 뜻인데, 생긴 모양이 비슷해서 이런 이름이 붙었다. 이 부위에 손상을 입으면 장기기억력을 잃고 '현재'라는 감옥에 갇히게 된다.
- 편도체(Amygdala): 감정을 느끼는 부위로, 이곳에서 감정이 최초로 기록되고 생성된다. amygdala는 '아몬드(almond)'라는 뜻이다.
- 시상(Thalamus): 뇌간에서 전달된 감각 신호의 중계국에 해당되는 부위 모든 신호는 이곳을 거쳐 대뇌피질의 각 부위로 전달된다. thalamus는 '내실(안쪽 방)'이라는 뜻이다.
- 시상하부(Hypothalamus): 체온과 생체리듬, 배고픔, 갈증, 번식과 기쁨을 느끼는 부위이다. 시상 아래쪽에 있어서 이런 이름이 붙었다.
3-3. 대뇌 피질
마지막으로 '포유류 뇌'를 감싸는 것은 비교적 최근에 발달한 '대뇌피질(Cerebral cortex)'로서, 두뇌의 가장 바깥 부분에 해당한다. 이 중에서 가장 최근에 형성된 부위를 '신피질(Neocortex)'라고 하며, 고도의 인식 기능을 담당한다. 신피질이 가장 발달한 동물은 단연 인간이다. 인간의 두뇌는 전체 질량의 80%가 신피질인데, 두께는 냅킨 정도밖에 되지 않는다. 쥐의 신피질은 매끄러운 반면, 사람의 신피질은 복잡하게 꼬여 있어서 표면적이 훨씬 넓다.
4. 현미경으로 뉴런의 구조가 밝혀졌다.
신피질의 겉모습만 보면 별로 특별한 부분이 없어 보일 수 있지만, 사실은 전혀 그렇지 않다. 현미경을 통해 들여다보면, 인간의 뇌가 얼마나 복잡한 구조인지 비로소 실감하게 된다. 이들은 거대한 전화 네트워크처럼 다른 작은 두뇌세포인 '뉴런(Neuron)'으로부터 신호를 수신한다. 뉴런 사이를 연결하는 '수상돌기(Dendrite)'는 뉴런의 끝부분에 덩굴처럼 뻗어 나와 있으며, 그 반대쪽 끝에 달린 기다란 '축삭돌기'를 통해 하나의 뉴런이 다른 수만 개의 뉴런과 연결되어 있다.
또한 두 개의 뉴런이 연결되는 지점에는 '시냅스(Synapse)'라 불리는 작은 공간이 있는데, 이것은 뇌 안에서 정보의 흐름을 통제하는 일종의 문으로, 신경전달물질 같은 특별한 화학물질이 시냅스로 유입되면 신호의 흐름이 바뀌게 된다. '도파민(Dopamine)', '세로토닌(Serotonin)', '노르아드레날린(Noradrenalin)' 같은 신경전달물질은 뇌에서 정보가 이동하는 수많은 경로를 제어하면서, 우리의 기분, 감정, 생각, 마음 상태 등을 크게 좌우한다.
5. 1990년대 이후 뇌과학의 발전
1980년대까지 두뇌에 대해서 알려진 내용은 대략 이 정도였다. 1990년대 이후에는 물리학을 이용한 새로운 기술이 도입되면서, 생각의 발생과 진행 과정을 훨씬 구체적으로 규명할 수 있게 되었다. 그리고 그 후로도 새로운 발견이 연이어 이루어 지면서 신경과학과 뇌과학은 비약적인 발전을 이루었다.