서론
사람들은 기쁨, 즐거움, 웃음과 재미 그리고 슬픔, 비통함, 낙담, 비탄이 다른 어떤 곳이 아닌 뇌에서 온다는 것을 알아야 한다. 그리고 이러한 기관에 의하여 우리는 지식과 지혜를 얻으며 어떤 것이 부정하고 공정한 것인지, 또 어떤 것이 나쁘고 좋은 것인지, 어떤 것이 달콤하고 불쾌한 것인지를 보고 들으면서 알게 된다. 그리고 우리는 동일한 기관으로 미치고, 날뛰고, 공포와 두려움을 느끼게 된다. 뇌가 건강하지 않을 때 우리는 뇌로부터 생기는 이 모든 것들을 인내해야 한다. 이러한 까닭으로 나는 사람에게는 뇌가 가장 큰 힘을 발휘하는 기관이라고 생각한다. -히포크라테스-
우리가 어떻게 보고 듣는지, 왜 어떤 것은 좋고 어떤 것은 고통스러운지, 그리고 우리가 어떻게 움직이며, 어떻게 이해하고 배우고 기억하고 잊어버리는지, 그리고 화내고 미치는 것과 같은 감정의 성질이 무엇인지 궁금해하는 것은 인간의 본성이다. 신경과학 연구는 이러한 불가사의한 것들을 밝혀내는 것이다. 본 글에서는 세기를 넘어 뇌에 관한 과학자들의 생각은 무엇일까? 오늘날의 신경과학자는 누구인지, 그리고 어떻게 그들이 뇌 연구에 접근했는지에 대한 짧은 여행과 모험을 시작하고자 한다.
신경과학의 기원
뇌와 척수 그리고 온몸의 신경과 같은 신경계가 삶에서 중요할 뿐만 아니라 사람이 느끼고 움직이며 생각할 수 있게 한다는 것은 이미 알려진 사실이다. 그러면 이러한 것들이 어떻게 과학적 사실로 밝혀질 수 있었을지 궁금하다. 이는 1백만 년 혹은 그 이전으로 거슬러 올라가 고고학 기록의 원시인류의 두개골을 통해 볼 수 있다. 사람들은 이미 7천 년 전에 살인이 아닌 치료 목적으로 다른 사람의 두개골에 구멍을 뚫었다. 이러한 두개골 시술 과정은 사망 후에 행해진 종교의식이 아니라 살아 있는 상태에서 시행된 것으로 생각되며 이러한 과정을 거친 후 진행되었을 것으로 추정되는 치료 흔적도 관찰된다. 그리고 약 5천 년 전 고대 이집트의 내과의사들이 집필한 문서에는 이들이 뇌 손상에 의한 많은 증상에 대해서 잘 알고 있는 것처럼 적혀있다. 하지만 당시에는 뇌가 아니라 심장이 영혼의 안식처이고 기억의 저장소로 여겨졌다. 실제로 사후 세계를 위하여 육체는 조심스레 보존되었던 반면, 뇌는 콧구멍을 통해 파내어 버려졌다. 이렇게 심장에 의식과 사고가 존재한다고 보는 견해는 히포크라테스 시대까지 전혀 의심되지 않았다.
신경계의 진화적 관점
1859년, 영국의 생물학자인 찰스 다윈 (Charles Darwin)은 종의 기원을 출간했다. 이 책은 진화 이론에 대한 그의 생각 "유기체의 종은 공통된 조상으로부터 진화한다"를 분명히 표현하고 있다. 그의 가설에 따르면 종 간의 차이는 그가 자연선택설이라 부르는 과정에 의해 생긴다. 번식 작용에 근거하여 자손의 물리적인 특성은 때때로 부모의 물리적 특성과 다르다. 만약에 생존에 유리한 특징이 있다면 그 자손은 번식에 더 살아남기 쉬울 것이고 따라서 다음 세대에 이러한 유리한 특성을 가진 자손들이 증가할 것이다. 많은 세대의 과정을 거쳐, 이러한 과정은 오늘날 종을 구별하는 진화적인 특징의 발달로 이어졌다.
1800년대 초에 현미경의 기술적 진보 덕분에 과학자들은 높은 배율에서 동물의 조직을 관찰할 기회를 처음으로 얻게 되었다. 1839년, 테오도어 슈반은 모든 조직은 세포라고 불리는 미세한 단위로 구성된다는 세포 이론을 제안했다. 뇌에 있는 세포들이 확인되고 묘사되었음에도, 신경세포가 실제로 뇌 기능의 기본 단위인지에 대한 의견은 여전히 분분했다. 신경세포는 보통 얇고 많은 가지를 가지고 중앙의 세포체로부터 뻗어 나와 있다. 처음에 과학자들은 서로 다른 세포의 과정들이 순환계의 혈관처럼 융합되어 있는지 확신할 수 없었다. 만약에 세포의 가지고 융합되어 있다면 신경세포로 연결된 '신경망'이 뇌 기능의 기본 단위로 정해졌을 것이다. 그리고 1900년대에 이르러서야 뉴런이라고 불리는 개개의 신경세포가 신경계의 기본 기능 단위로 인식되기 시작하였다.
오늘날의 신경과학
신경과학자들은 뇌 연구의 복잡성을 줄이고 체계적인 실험 분석을 위해 작은 부분들로 나누었다. 연구 단위의 크기는 흔히 분석 단계라고 한다. 복잡성의 정도에 따라 분자적, 세포적, 시스템적, 행동적, 인지적 단계로 나뉜다.
1. 분자 신경과학 : 서로 다른 뉴런과 의사소통하도록 허락하는 전달자 역할, 어떤 물질이 뉴런으로 들어가고 나가는 물질을 조절하는 보초병 역할, 뉴런의 성장을 편성하는 수행자 역할, 과거 경험을 기록하고 보관하는 담당자 역할, 이러한 가장 기초적인 수준의 뇌 연구를 말한다.
2. 세포 신경과학 : 어떻게 이러한 모든 분자가 뉴런에 그들의 특별한 성질을 주는지에 초점을 맞춰 연구하는 학문을 말한다.
3. 시스템 신경과학 : 어떻게 다른 신경회로가 감각 정보를 분석하고, 외부 세계를 인식하며, 행동으로 옮기는지 등을 연구하는 학문을 말한다.
4. 행동 신경과학 : 어떻게 신경 시스템들이 통합된 행동을 형성하도록 서로 작용하는지를 연구한다.
5. 인지신경과학 : 어떻게 뇌의 활동이 마음을 형성하는지를 연구한다.
맺음말
신경과학의 역사적 기초는 많은 세대를 거쳐 수많은 사람의 노력으로 다져졌다. 오늘날 과학자들은 모든 종류의 다양한 기술을 이용하여 가능한 모든 분석 수준에서 뇌 기능의 새로운 것들을 밝혀내고 있다. 신경과학의 목표는 어떻게 신경계가 기능하는지를 이해하는 것이다. 뇌의 활성도는 우리 인간의 행동과 밀접하기 때문에 주의 깊은 행동 관찰은 우리에게 뇌 기능의 가능성과 제한을 알려준다. 뇌가 어떻게 활동하는지를 이해하기 위해서 우리는 반드시 신경해부학적으로, 신경생리학적으로, 그리고 신경 화학적으로 조사해 봐야만 한다.
실제로 오늘날 신경과학 연구의 속도는 아주 놀라울 정도이며, 이러한 연구는 매년 신경계 불치 질환으로 쇠약해진 사람들에게 새로운 치료를 제공할 것이라는 희망을 드높여준다. 그러나 최근 수년간 연구에도 불구하고 뇌가 어떻게 놀라운 활동을 하는지 완전히 이해하기 위해 우리가 가야 할 길은 아직도 멀고 험하기만 하다. 하지만 뇌의 기능에 대해 아직 모르는 부분이 많기 때문에 깜짝 놀랄 만한 새로운 발견이 숨어 있을 것이기 때문에 신경과학을 연구하는 것은 상당히 재미가 있다.