신경망(Neural Network)

과학(Science)/뇌과학 (Brain Science)

신경망(Neural Network)

SURPRISER - Tistory 2022. 11. 5. 20:37

신경 세포가 불규칙하게 또는 다발로 흩어져 있어서 각각의 신경 섬유가 그물 모양로 연결되어 있는 것을 '신경망(Neural Network)'라고 한다. 뇌세포들의 치밀한 네트워크인 '신경망'의 작동 방식에 대해 알아보자.

0. 목차

뇌
뇌의 신경 세포
글리아 세포
아스트로사이트
올리고덴드로사이트
시냅스

1. 뇌

1-1. 뇌에서는 어떤 일이 일어나고 있는가?

뇌는 심장과 마찬가지로 생명이 탄생해서 수명이 다할 때까지 쉬지 않고 활동을 계속하는 장기이다. 우리는 아무것도 하지 않고 누워 있을 때도, 생명 활동을 유지하기 위해 최소한의 에너지를 소비하고 있다. 그 소비량을 '기초 대사량'라고 한다. 성인의 기초 대사량은 하루에 1200~1500kcal 정도라고 한다.

기초 대사 가운데 20% 정도는 뇌가 소비한다. 성인의 뇌는 무거운 경우라도 보통 2kg를 넘지 않다. 기초 대사 가운데 가장 많은 25~40%를 차지하는 것은 근육이지만, 온몸에 30~50kg 정도가 있기 때문에, 그와 비교하면 뇌는 에너지의 대식가라고 할 수 있다. 또 어떤 조사에 따르면, 생각에 몰두하는 등 적극적으로 뇌를 사용할 때도 뇌의 소비 에너지는 5% 정도밖에 늘지 않는다고 한다.

그러면 과연 뇌에서는 어떤 일이 일어나고 있을까? 뇌에는 신호의 수신과 발신을 위해서만 에너지를 소비하는 '뉴런(Neuron)'이라는 세포가 있다. 뉴런은 모든 세포가 에너지로 사용하는 'ATP(아데노신 3인산)'를 다른 어느 세포보다 많이 사용한다. 사람의 뇌에는 대략 1000억 개의 뉴런이 있다고 추정된다. 이들 뉴런은 '가지'를 펼치거나 길게 뻗어 다른 뉴런과 연결해서 네트워크를 만든다. 뇌가 소비하는 에너지가 큰 이유는 뉴런의 네트워크가 신호를 계속 주고받기 때문이다. 그 활동은 수술할 때 의식을 잃게 하는 마취약을 사용해도 멈출 수 없다고 하니 놀라울 따름이다.

1-2. 뇌의 모든 회로를 규명한다.

뇌는 언어를 사용하거나, 기억해서 생각해 내거나, 희로애락을 표현하는 등 다양한 기능을 하고 있다. 각각의 기능에 뇌의 어떤 부분이 관여하는지는 상당히 밝혀져 있다. 하지만 어떤 기능의 전모를 알기 위해 뇌의 특정 영역만 고려하면 되는지, 그렇지 않으면 뇌 전체를 고찰해야 하는지에 대해서는 알지 못한다. 그래도 연구자들은 뇌 전체의 뉴런이 어떻게 연결되어 있는지를 조사하는 일이 최소한 필요하다고 생각한다. 세포의 수, 종류, 연결 방식까지 생각하면 뇌의 복잡함은 말로 표현할 수 없을 정도이다. 그렇다고 해도 뇌의 전체 모습을 밝히는 첫걸음은 우선은 '뇌세포의 작용'과 그들의 '연계 방식'을 아는 일이 될 것이다.

그런데 뇌에서 작용하는 세포는 '뉴런'만이 아니라고 한다. '뉴런(Neuron)'은 '글리아 세포(Gliacyte)'에 의해 상당 부분 뒷받침되고 있다. 이미지상으로는 항상 멋진 무대에서 춤을 추는 주역은 '뉴런'이지만, 소도구를 나르거나 효과음을 만들거나 무대를 청소하는 일은 '글리아 세포'가 맡고 있다. 그 수는 뉴런의 2~10배나 된다. 최근에는 글리아 세포가 뉴런과 활발히 신호를 교환한다는 사실도 밝혀졌다.

2. 뇌의 신경 세포

'뉴런(Neuron)'은 한국말로 '신경 세포'이다. 그 이름에서 '몸을 움직이는 신경'이나 '통증을 느끼는 신경'을 떠올릴 수 있다. 전자는 뇌와 온몸의 중계소인 척수에서 근육으로 신호를 전달하는 '운동 뉴런(Motor neuron)'이고, 후자는 피부 등에서 뇌와 척수로 신호를 전달하는 '감각 뉴런(Sensory neuron)'이다. 한편 인간의 경우, 뇌 등에서 뉴런끼리 연결하는 '중간 뉴런(interneuron)'이 압도적으로 많다.

뉴런은 전기 신호를 전하는 아주 긴 세포이다. 신경 돌기의 굴기는 0.2~20마이크로미터이다. 대뇌 피질을 1cm3로 잘라 내면 거기에 포함된 뉴런 길이의 합계는 몇 km에 이른다고 한다.

세포체(Cell Body): 세포의 본체라 할 수 있는 부분이다. 복수의 수상 돌기에서 오는 전기 신호를 모은다 활동을 억제하는 신호를 받아들일 때도 있다. 또 다른 세포와 마찬가지로 DNA가 들어있는 '세포핵' 등이 들어 있다.
수상 돌기(Dendrite): 다른 뉴런으로부터가 전기 신호가 입력되는 부분이다. '피라미드 세포(Pyramidal Cells)'의 수상 돌기에는 두 종류가 있다. '신경 돌기'의 반대쪽에 길게 뻗어 있는 '선단부'와, 선단부에 대해 수직 방향으로 펼쳐진 '기저부'이다. 각각의 가지에는 조그만 돌기인 '수상 돌기 가시'가 무수히 있다.
축삭 돌기(axon): 세포체로부터 가늘고 길게 나온 부분이다. 발신된 전기 신호가 전해지는 '전선'에 해당한다. 전기를 차단하는 '절연체'가 이웃과 틈을 두고 일정 간격으로 말려 있다. 실제로는 글리아 세포의 일부로 이루어져 있지만 대부분 생략해서 그렸다.
축삭 소구(Axon Hillock): '축삭 돌기'의 뿌리 부분이다. 모인 신호가 일정한 값을 넘으면 전기 신호를 내보낸다.
시냅스(Synapse): 어떤 뉴런에서 다른 뉴런으로 신호가 전달되는 접속부이다. '신경 돌기'와 '수상 돌기 가시' 사이나, '신경 돌기'와 '세포체' 사이 등에 있다.

2-1. 대뇌의 '회백질'과 '백질'

약 1000억 개의 뇌의 뉴런 가운데, 우리가 흔히 뇌라고 인식하는 '대뇌(Cerebrum)'에는 200억 개 정도의 뉴런이 있다고 한다. '대뇌'는 단면의 색에 따라 '회백질(Gray matter)'과 '백질(White matter)'로 나누어진다. '회백질'에는 주로 뉴런의 '세포체(세포의 본체 부분)'가 밀집해 있고, '백질'에는 전기 신호의 통로인 '신경 돌기 및 절연체'가 각각 밀집해 있다.

3. 글리아 세포

19세기 중엽, 뉴런과 뉴런 사이를 메우는 '연결 고리' 같은 것이 발견되었다. 지금은 '글리아 세포'라고 불리는 것이다. '글리아 세포'는 '연결고리'이지만 없어서는 안 될 존재이다. '뉴런(Neuron)'은 '글리아 세포(Gliacyte)'에 의해 항상 보호받고 있다. 그리고 '글리아 세포'는 한 종류가 아니라, '아스트로사이트(Astrocyte, 성상세포)', '올리고덴드로사이트(Oligodendrocyte, 희소돌기아교세포)' 등 여러 종류가 있다.

4. 아스트로사이트

뉴런 등의 발판이 되고, 신호 전달을 위해 '이온 등의 농도' 등 세포 안팎의 환경을 정비하는 것은 '아스트로사이트(Astrocyte, 별아교 세포)'라고 한다. '아스트로사이트'는 별 모양의 세포로 관찰된다. 그래서 '아스트로사이트'라는 이름은 '별모양'이라는 뜻의 그리스어 '아스트로'에서 따왔다. '아스트로사이트의 수는 뉴런과 같은 정도 이상으로 추정된다. 무수한 돌기를 광범위하게 뻗어, 넓어진 끝에서 혈관을 감싸거나 뉴런 본체에 밀착해 있다. 하나의 아스트로사이트는 10만 개 이상의 시냅스에 밀착해 있다. 그리고 접속부에서의 정보 전달에 아스트로사이트가 적극적으로 관여하고 있다고 생각된다. '아스트로사이트'는 '시냅스'에서 '신경 전달 물질'이나 '이온'을 재빨리 회수하는 청소원 역할을 맡고 있다.

4-1. 글루코오스가 뉴런에 공급되는 두 가지 경로

뉴런은 많은 에너지를 사용한다. 영양원인 '글루코오스'가 뉴런에 공급되는 경로는 두 가지라고 생각된다. 뉴런은 스스로도 '글루코오스(Glucose)'를 받아들이는 한편, '글리아 세포'의 일종인 '아스트로사이트가 혈관으로부터 뉴런에 '젖산(Lactic acid)'을 공급한다고 생각된다. 뉴런이 활발히 활동할 때는 아스트로사이트를 경유하는 경로에서 많은 영양분이 공급되는 것으로 보이지만, 그 설에 반하는 보고도 있어 결론은 아직 나지 않았다.

2011년에는 실험용 쥐를 사용한 연구에서, 뇌의 기억중추인 '해마(Hippocampus)'에서 '아스트로사이트'의 중요한 작용이 보고되었다. '아스트로사이트'가 '젖산'을 뉴런에 공급하지 않으면, 장기적인 기억을 할 수 없다는 것이다.

5. 올리고덴드로사이트

뉴런 속은 전선보다 훨씬 전기 저항이 커서, 전기가 흐르기 어렵다. 일부 뉴런에서는 그 전달을 '글리아 세포'가 돕고 있다. 바로 '올리고덴드로사이트(Oligodendrocyte)'이다. '올리고덴드로사이트(Oligodendrocyte)'라는 이름은 '수목(dendro-)'같은 돌기의 수가 '아스트로사이트'보다 '적게(Oligo-)' 관측된다는 데서 유래했다고 한다.

'올리고덴드로사이트(Oligodendrocyte)'의 돌기의 끝은 편평하며, 각각의 다른 뉴런의 신경 돌기에 단단하게 감겨 있다. 둘둘 말린 '초'는 '미엘린 수초(Myelin Sheath)'가 되어 전기를 차단해서 신호의 전달을 가속시키는 역할을 맡는다. 전기 신호가 전달되는 속도는 절연체가 없는 신경 돌기에서는 초속 1m에 못 미치지만, 절연체 덕분에 초속 100m에 이른다.

우리의 뇌는 태어날 때는 절연체가 거의 없다고 한다. 절연체는 '백질'인데, '백질'은 성장함에 따라 대략 25세가 넘을 무렵까지 늘어난다. 피아노 등의 기능을 학습하는 데도 절연체가 중요할 것이다 예컨대 전문 피아니스트는 손과 손가락의 움직임에 관여하는 뇌의 부위와 다른 고차원적인 영역을 잇는 부분의 백질이 발달했다는 보고가 있다. 기능을 몸에 익힌다는 것은 뉴런의 통신 속도가 빨라지는 것과 관계가 있다.

5-1. 뉴런이 전기 신호를 발신하고, 그 신호가 축삭을 지나가는 메커니즘

뉴런이 전기 신호를 발신하고, 그 신호가 축삭을 지나가는 기본적인 메커니즘을 설명했다. 축삭의 대부분은 '글리아 세포'의 일종으로 절연체 역할을 하는 '올리고덴트로사이트(Oligodendrocyte)'의 일부가 감싸고 있다. 군데군데 절연체로 감기지 않은 부분이 있는데, 그 부분을 '랑비에 결절(node of Ranvier)'이라고 한다. '랑비에 결절'의 주변에는 관문을 열어 이온이 통과하는 '이온 채널'이 있다. 그곳에서 이온의 유입·유출이 일어난다. 이러한 연쇄 작용이 뉴런을 지나는 전기 신호의 정체이다.

보통 때는 이온의 균형이 유지되고 있다: 뉴런의 바깥쪽은 '양(+)'전기를 띤 '나트륨 이온(Na⁺)'이 안쪽보다 많은 상태로 유지되고 있다. 뉴런의 안쪽은 바깥쪽에 비해 전기적으로 '음(-)'으로 편향된 상태를 유지되고 있다. 이 상태를 유지하기 위해 에너지원인 ATP가 대량으로 사용된다.
나트륨 이온이 흘러들어온다: 전기 신호의 발신은 신경 돌기의 시작부에 있는 '나트륨 채널'이 관문을 여는 것으로부터 시작된다. 그 결과, 세포 밖의 '나트륨 이온(Na⁺)'이 세포 안으로 흘러 들어오면, 전기적 편향이 한순간 역전된다. '활동 전위'의 발생이다. 인접한 부분에서도 차례차례 전기적 편향이 역전되어 간다. 흘러들어온 '나트륨 이온(Na⁺)'은 뉴런 밖으로 서서히 배출된다.
전기 신호가 절연체를 재빠르게 지나간다: 올리고덴드로사이트가 감겨 있는 부분에서는 신경 돌기 안을 채우고 있는 분자의 전자 등이 당구를 치는 것처럼 움직여 신호가 재빠르게 전해진다.
칼륨 이온이 흘러나온다: 일반적으로 뉴런의 안쪽은 양전기를 띈 '칼륨 이온(K⁺)'이 바깥쪽보다 더 많은 상태로 유지된다. '나트륨 이온(Na⁺)'이 뉴런 안쪽으로 대량으로 유입되면 '칼륨 채널'의 관문이 열린다. 그곳을 통해 칼륨 이온이 뉴런 바깥으로 흘러나와 전기적 편향이 재역전 된다. 흘러나온 이온은 '올리고덴드로사이트'에 흡수되든지 '신경 돌기'로 다시 흡수되는 것으로 보인다.
다음의 '랑비에 결절'에서 나트륨 이온이 흘러들어간다: '랑비에 결절(node of Ranvier)'에는 '나트륨 채널'이 모여 있다. 따라서 다수의 나트륨 채널 관문이 열려, 효율적으로 나트륨 이온이 흘러들어가 커다란 활동 전위가 생긴다. 이것이 랑비에 결절에서 다음 랑비에 결절로 연쇄적으로 이어진다.

6. 시냅스

6-1. 시냅스의 구조

어떤 뉴런의 신경 돌기를 지나온 전기 신호는 말단부에 도달한 다음 어떻게 될까? 위에서 이미 설명했듯이 전기 신호는 상대측 뉴런의 '수상 돌기' 등에서 수신된다. 이 접속부를 '시냅스(Synapse)'라고 한다. 하나의 뉴런에는 적어도 1만 개에 이르는 시냅스가 있다. 시냅스라는 명칭은 그리스어로 '악수' 등을 의미하는 '시냅시스'에서 유래했다고 한다.

놀랍게도 시냅스는 늘어나거나, 줄어들거나, 접속의 빈도가 강해지거나, 접속의 빈도가 약해지거나 하는 식으로 유연하게 변한다. 이것이 기억이나 학습으로 이어진다. 2015년 9월에는 실험용 쥐를 사용한 실험에서, 특정 접속부를 잘라냄으로써, 학습되어 있던 운동이 망각되는 점이 보고되었다. 기억이나 학습의 실체의 대부분은 시냅스의 변화로 설명할 수 있다.

시냅스에서는 신호는 전기에서 물질로, 물질에서 다시 전기의 형태로 전달된다. 먼저 시냅스에서는 전기 신호를 계기로, '글루타민산(Glutamic acid)'과 '단백질' 등 어떤 '신경 전달 물질'이 송신측에서 방출된다. 그 물질이 수신측에 있는 이온 채널에 결합함으로써, 뉴런에서 뉴런으로 신호가 전해진다.

6-2. 시냅스에서 신호가 전해지는 메커니즘

시냅스에서 신호가 전해지는 메커니즘을 설명했다. 신호를 출력하는 측의 뉴런의 '신경 돌기' 말단부에 전기 신호가 전해지면, 글루타민산 등의 '신경 전달 물질'을 '시냅스 간극'으로 방출하는 시스템이 갖추어져 있다. 한편, 신호를 받는 측의 뉴런의 '수상 돌기'에는 방출된 '신경 전달 물질'을 받아들여 전기 신호를 발생시키는 시스템이 갖추어져 있다. 결국 '전기 신호'에서 '신경 전달 물질'로, 그리고 '신경 전달 물질'에서 다시 '전기 신호'로 바뀌는 형태로 뉴런의 신호가 전달된다.

칼슘 이온이 흘러들어간다: 신경 돌기 말단부의 세포막에는 '활동 전위'를 감지하는 관문을 여는 '칼슘 채널'이 있다. 전기 신호가 도달하면, 신경 돌기의 바깥쪽에 있는 칼슘 이온이 칼슘 채널을 통해 돌기 안으로 흘러들어온다.
말단에는 전달 물질이 든 주머니가 있다: 신경 돌기 말단부에는 '글루타민산' 등의 전달 물질을 담고 있는 '시냅스 소포'가 수백 개 저장되어 있다.
전달 물질이 든 주머니가 막과 융합한다: 시냅스 소포의 막과 신경 돌기 말단푸의 세포막은 같은 '지질 이중막'으로 되어 있다. 칼슘 이온이 흘러드는 것을 계기로 '시냅스 소포'는 신경 돌기 말단부의 세포막과 융합한다. 내용물은 시냅스 간극으로 방출된다.
전달 물질이 상대 뉴런에 전해진다: 신호를 수신하는 측에 있는 뉴런의 수상 돌기 세포 막에는 '글루타민산' 등의 '특정 전달 물질'고 결합하여 관문을 여는 이온 채널이 있다. 이온 채널을 통해 나트륨 이온 등의 수상 돌기 속으로 흘러들어가 밀리초 단위로 전기 신호가 발생한다.
주머니가 재활용된다: 전달 물질 등 막 이외의 원료는 세포체에서 만들어져 신경 돌기 속으로 운반된다. 전달 물질이 방출된 후, 신경 돌기 말단부의 세포막은 일부가 분리된다. 그 속에 다시 물질이 채워지고 시냅스 소포가 재생된다.
전달 물질이 회수된다: '아스트로사이트'는 시냅스에 밀착해 있는 부분에 특정 전달 물질의 통로가 있다. 시냅스 간근에서 방출된 글루타민산 등은 그 통로를 통해 아스트로사이트에 회수된다. 덕분에 뉴런은 곧바로 새로운 신호를 전할 수 있다.

6-3. 억제성 시냅스

위에서는 '뉴런이 전달 물질을 받으면 세포 안으로 나트륨 이온이 흘러들어와 전기 신호가 발생한다.'고 설명했다. 하지만 어떤 종류의 시냅스의 수신측에서는 GABA 등을 받아들임으로써, 전기 신호가 발생하기 어려워지는 시스템이 있다. 뇌의 활동은 뉴런이 활성화하는 것만은 아니다. 초콜릿이나 현미 등의 식품에는 'GABA'라는 성분이 포함되어 있다. GABA(γ-Aminobutyric Acid, 감마아미노뷰티르산)'는 뇌 등에 있는 '신경 전달 물질'의 일종이다.

이 시냅스는 '억제성 시냅스'라고 불리며, GABA 등을 방출하는 뉴런은 '억제성 시냅스'라고 한다. '억제성 뉴런'에는 다양한 종류가 있어, 뇌의 뉴런의 25% 전후를 차지한다. '피라미드 세포(Pyramidal Cells)'는 상대 뉴런에 전기 신호가 쉽게 발생하게 하는 '흥분성 뉴런'의 대표적인 예이다. 뇌의 이상 활성화로 갑자기 의식을 잃는 '뇌전증(간질)'이라는 뇌 질병이 있다. '뇌전증'의 한 가지 원인으로 '억제성 뉴런의 활동 저하'가 있다. 두 종류의 뉴런이 적절하게 연결되어, 균형적으로 활동함으로써 뇌가 다양한 기능을 발휘할 수 있는 것이다.

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