고등학생 뇌과학올림피아드 준비 1: 뇌의기초 (2)

이번 시리즈는 국제 뇌과학올림피아드 국가대표를 선발하는 “한국뇌캠프” 경시대회 준비에 도움을 드리기 위한 글입니다. 우리나라 정규 교육과정에는 뇌과학을 배울 수 있는 과목이 따로 없습니다. 생명과학 교과에서 뇌의 일부를 배우긴 하지만 경시대회를 준비하는데 내용이 매우 부족합니다.

이 시리즈를 통해 다뤄지는 내용은 “한국뇌캠프”의 공식 교재인 <BrainFacts>를 기반으로 만들어졌으며, 추가적인 자료나 개인적인 의견이 포함되어 있습니다. 구체적인 내용이 궁금하시다면 아래의 링크를 통해 실제 교재를 다운 받아 공부하는 것을 추천드립니다.

아직 뇌과학 올림피아드에 대해 모르고 있다면?

- 한국뇌캠프로 고등학생 뇌과학 올림피아드 준비하기

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영화를 볼 때, 자전거를 탈 때, 혹은 친구의 얼굴을 알아볼 때 뇌에서 어떤 일이 벌어지는지 궁금한 적이 있나요? 이 모든 행동은 뇌 속에서 번개처럼 빠르게 정보를 전달하는 신경 네트워크 덕분에 가능합니다. 이번 글에서는 신경 네트워크가 어떻게 작동하는지 쉽게 설명해 보겠습니다!

1. 뇌의 통신 시스템: 신경 네트워크

우리의 뇌는 수십억 개의 작은 세포인 뉴런(신경세포)으로 이루어져 있습니다. 뉴런들은 서로 전기 신호를 주고받으며 신경 네트워크를 형성하고, 이를 통해 정보를 처리합니다. 그중에서도 우리는 기능과 그 해부학적 특징이 잘 알려진 몇 개의 신경로(nerve tract)를 알고 있습니다. 이는 뇌의 여러 영역을 연결하는 주요 도로와 같다고 할 수 있습니다.

시각 경로(visual pathway)를 예로 들어보겠습니다. 영화를 볼 때 눈의 망막(retina)은 시각 신경(optic nerve)을 통해 정보를 뇌로 보냅니다. 시각 신경은 시교차(optic chiasm)를 지나 시각 정보를 좌뇌와 우뇌로 분리시킨 뒤 시각 경로(optic tract)를 통해 시상(thalamus)의 외측슬상핵(LGN, lateral geniculate nucleus)으로 정보를 보냅니다. 마지막으로 LGN은 시각 방사(optic radiation)를 통해 시각 정보를 시각 피질(visual cortex)로 전달합니다. 시각 피질의 신호가 대뇌 피질의 여러 영역으로 보내어져 통합되면 그제서야 사물, 색상, 움직임을 인식하게 되어 영화 화면 속 장면을 이해하게 됩니다.

여기서 시각 신경, 시각 경로, 시각 방사가 신경로의 예시입니다.

2. 뇌파: 사고의 리듬

뉴런들이 신호를 주고받을 때 뇌파(Brain Waves)라 불리는 전기 신호 패턴이 생성됩니다. 과학자들은 뇌파 검사(EEG, 뇌전도 검사)를 통해 이를 측정할 수 있습니다. 앞서 알아본 시각경로와 뇌파와의 관련성을 예시로 들자면, 시각 피질과 그 이후 대뇌 피질에서 처리되는 시각 정보는 시상과의 연결을 통해 정보를 상호 교환합니다. 그 과정에서 뇌파가 발생하게 됩니다. 뇌파에는 다음과 같은 네 가지 주요 유형이 있습니다.

• 베타파(Beta Waves, 14-30Hz): 집중하거나 문제를 해결할 때 활성화됩니다.
• 알파파(Alpha Waves, 8-13Hz): 눈을 감고 편안한 상태일 때 발생합니다.
• 세타파(Theta Waves, 4-7Hz): 졸릴 때나 가벼운 꿈 상태에서 나타납니다.
• 델타파(Delta Waves, <3.5Hz): 깊은 수면 상태에서 가장 느리게 나타납니다.

뇌파를 연구하면 수면, 학습, 감정 조절과 같은 다양한 뇌 기능을 이해하는 데 도움이 됩니다.

<글쓴이의 노트>

EEG는 두피에서 뇌세포의 전기신호를 읽어내는 방법입니다. 그러다보니 뇌세포 신호는 뇌막이나 뇌 혈관, 두개골 등 많은 장애물을 거쳐 EEG 기기에 도달하게 됩니다.
그 과정에서 뇌 신호의 손실이 생기고, 여러 뇌 신호가 섞이며, 주변 환경에서 들어오는 전기 신호로 인해 혼란을 줍니다. 이러한 문제점은 전도도를 높이기 위한 젤 도포나 외부 전기 신호를 차단하기 위한 장치, 그리고 수학적 방법론을 통해 해결됩니다. 
그러나 한 가지 해결하기 매우 어려운 EEG의 문제점은 두피에서 측정하다보니 깊은 뇌 영역의 신호를 읽어내기 어렵다는 것입니다. 이렇듯 EEG가 갖고 있는 한계를 인지하고 있는 것은 EEG 신호를 이해하고 해석하는데 도움을 줍니다.

3. 신경 회로: 뇌의 작은 프로세서

뇌는 무작위로 정보를 주고받는 것이 아니라, 신호를 다양한 회로(Circuit)로 정리하여 움직임, 기억, 감정을 조절합니다. 뇌는 하나의 거대한 컴퓨터와 같으며, 신경 회로(Neural Circuits)라는 작은 프로세서들이 모여 다양한 정보를 처리합니다.

특히 대뇌 피질(Cerebral Cortex)은 수많은 신경 회로로 가득 차 있으며, 각각 특정한 작업을 담당합니다. 예를 들어 얼굴을 인식하는 회로, 움직임을 계획하는 회로 등이 있습니다. 대뇌 피질 내 회로 외에도 대표적인 신경 네트워크에는 다음의 예시들이 있습니다.

• 피질척수 신경로(Corticospinal Tract): 뇌와 신체 사이의 신호를 전달하여 감각과 운동을 조절합니다.
• 기저핵 루프(Basal Ganglia Loop): 움직임을 조절하는 중요한 역할을 합니다.
• 해마 네트워크(Hippocampal Network): 해마 내외에 존재하는 경로로서 기억을 담당하며, 친숙한 얼굴이나 장소를 인식하는 데 도움을 줍니다.
• 반사 척수 회로(Spinal Reflex Arc): 뜨거운 것을 만졌을 때 반사적으로 손을 빼는 것처럼, 생각하기 전에 즉각적인 반응을 일으킵니다.

<글쓴이의 노트>

회로 연구는 지금 신경과학계에서도 매우 '핫'한 주제입니다. 특히나 2000년대 초반 광유전학(optogenetics)의 개발은 뇌 회로 연구에 박차를 가합니다. 우리나라를 비롯한 세계의 과학자들이 불안, 식욕, 사회성, 기억, 공포 등 유기체에서 일어나는 행동학적 및 생리학적 현상에 관한 뇌 회로의 실체를 밝히고 있습니다.

이 신경 회로에서 뉴런들은 두 가지 방식으로 신호를 주고받습니다.

• 흥분성 신호(Excitatory Signals): 뉴런을 활성화하여 신호를 전달합니다. 이 신호는 보통 글루타메이트(glutamate)에 의해 매개됩니다. 흥분성 신호를 주는 뉴런들은 보통 피라미드 모양(세모 모양)을 하고 있기에 피라미드 뉴런이라고 불리기도 합니다.
• 억제성 신호(Inhibitory Signals): 신호를 조절하고 과도한 활동을 방지합니다. 이 신호는 보통 감마아미노뷰티르산(GABA)에 의해 매개됩니다. 억제성 신호를 주는 뉴런들은 보통 먼 곳까지 정보를 전달하기 보단 근처 세포에게 정보를 전달합니다.

흥분성과 억제성 신호의 균형은 매우 중요합니다. 예를 들어, 이 균형이 만약 깨지면 뇌전증(Epilepsy)과 같은 질환이 발생할 수 있습니다.

3. 마치며

뇌과학올림피아드를 준비하는 학생을 위한 시리즈 첫번째로 신경망과 신경회로에 대해서 알아보았습니다. 다음 글에서는 뇌세포와 뇌세포의 특정 구조, 그리고 분자적 특징에 대해 간략히 알아보도록 하겠습니다.