전뇌

전뇌

 

인간의 전뇌 중 가장 뚜렷한 부분은 대뇌(cerebrum)인데, 이는 크고 깊게 주름진 2개의 반구로 구성되어 있다. 대뇌반구는 4개의
뇌엽(lobe), 즉 전두엽(frontal), 두정엽(parietal), 후두엽(occipital), 측두엽(temporal)으로 나누어진다. 대부분의 척추동물에서 대뇌는 커다란 후엽(olfactory lobe)을 가지지만, 인간의 경우 후엽은 비교적 작다. 전뇌는 시상(thalamus), 시상하부(hypothalamus), 뇌하수체(pituitary gland)의 일부분 송과선(pineal gland)을 포함하고 있다.

인간의 대뇌는 다른 척추동물과 비교하여 특이한 구조를 가지고 있는데, 2개의 대뇌반구의 부피는 약 1,350m이다. 고래와 같이 큰 포유동물은 더 큰 뇌를 가지고 있지만 중추신경계에서 대뇌가 차지하는 비율은 다른 척추동물에 비해 인간의 경우가 훨씬 크다.

인간을 포함한 포유동물은 대뇌 구조에 있어 또 다른 특징을 지니고 있다. 대뇌의 바깥쪽인 피질(cortex)은 회백질로 이루어져 있으며 대부분 신경세포체와 수상돌기 부분이 모여 있다. 대뇌반구의 내부에는 유수신경섬유(myelinated nerve fiber)로 만들어진 백질이 있다. 이러한 배열은 척수에서의 배열과 정반대이며, 다른 척추동물의 뇌에서의 배열과도 정반대이다. 개구리 대뇌의 표면은 다른 중추신경계 부분과 같이 흰색을 띤다. 이러한 반대 배열이 지니는 의미는 신경세포체가 더 넓은 표면적을 차지하는 데 있다. 대뇌피질에 엄청난 수(100∼1,000억)의 신경세포체가 있고 상상조차 할 수 없을 정도로 많은 수(10)의 신경세포간 결합이 있음으로 해서 인간의 뇌는 많은 활동을 할 수 있게 된다. 또한 대뇌피질의 많은 주름(convolution)이 있어서 세포체표면적은 더욱 증가하게 된다.

대뇌 뉴우런의 1% 이하는 뇌의 다른 부분으로 신경섬유를 보내고 있으나, 아직까지 이들이 무슨 일을 하는지 정확하게 밝혀져 있지 않다. 대뇌에서는 많은 전류활동이 일어나고 있다. 뇌파를 측정하고 기록하는 뇌파측정기(electroencephalograph, EEG)를 이용하여 잠을 자거나 흥분이 되어 있을 때 전류활동에서의 변화를 기록할 수 있다. 뇌파측정기는 간질과 같은 뇌의 비정상 상태를 진단하는 데 유용하다. 아직까지 대뇌의 기능은 완전히 밝히지 못했으나 다음과 같은 세 가지 연구결과로서 대뇌의 기능이 어느 정도 밝혀지고 있다.

1. 첫번째는 뇌의 일부분이 파괴되었을 때 발생하는 현상을 단순히 관찰하는 것이다. 종양이나 졸도(뇌의 일부분에 혈액 공급 중단), 총상과 같은 물리적 손상 등에 의한 뇌 손상은 뇌의 각 부분이 지니는 세부적 기능 규명에 많은 정보를 제공해 왔다. 

2. 두 번째 접근방법은 뇌를 노출시켜 전극으로 자극시키는 것이다. 뇌수술을 받는 몇몇 환자들이 뇌수술 동안 노출된 뇌에 이러한 실험을 할 수 있도록 지원하는 경우가 있다. 이 실험 기간 동안 환자는 고통을 받지 않으며, 전신마취를 하지 않은 경우 환자는 뇌자극에 따른 그들의 감각을 실험자에게 알려주게 된다. 이러한 실험으로 로란도 열구(fissure of Rolando)(그림 22.3)의 바로 앞부분에 평행하게 위치한 피질대를 발견했다. 이 부분은 골격근수축을 조절하는 자리이므로 이 피질대의 일부를 자극하면 근육은 수축하게 된다. 우리 몸을 조절하는 운동피질의 영역은 그 부분의 크기에 비례하는 것이 아니라 운동신경 나무의 수에 비례한다. 하나의 근육구조를 조절하는 운동신경이 많으면 많을수록 이 근육은 보다 더 정밀하게 조절된다. 따라서 손과 입술을 조절하는 운동피질의 영역은 몸과 다리의 근육을 조절하는 영역보다 더 넓다.

로란도 열구 후방에도 열구에 평행으로 배열된 또 하나의 피질대가 존재한다. 이 영역은 몸의 각 부분으로부터 오는 감각작용(sensation)과 관련이 있다. 이 영역에 전기적 자극을 가하면 환자는 몸의 특정 부위에서 감각을 느낀다고 호소한다. 이러한 실험결과를 토대로 대뇌의 기능지도를 만들 수 있다.

 

후두엽(occipital lobe) 부분에 전기적 자극을 가하면, 환자는 빛을 감지한다. 그러나 이 부분은 단순히 시각작용뿐만 아니라 본 것을 연상시키는 작용과도 관련이 있다. 후두엽 영역이 손상되면 사물을 보는 것은 가능하지만 본 사물과 이전의 경험을 연결시키지 못한다. 청각과 이해 능력은 측두엽(temporal lobe)과 관련이 있다.

3. 뇌는 포도당과 산소를 많이 소비한다. 비록 뇌는 체중의 2%만을 차지하지만 뇌의 산소 소비량은 휴식기에도 몸 전체 산소 소비량의 20%를 차지한다. 포도당 유도체인 데옥시글루코오스(deoxyglucose)를 체내에 공급하면 호흡하는 세포는 이를 흡수하여 초기 해당과정에서 인산화시킨다. 그러나 인산화된 데옥시글루코오스는 분해되지 않기 때문에 세포내에 축적된다. 따라서 활동적인 세포일수록 더 많은 데옥시글루코오스를 축적하게 된다. 반감기가 짧은 방사능 동위원소를 데옥시글루코오스에 붙혀 “PET 스케너"로 조사하면 가장 활발히 호흡하는 뇌의 영역을 알 수 있다. 예컨대 눈을 뜨고 사물을 보면 시의 시각영역에서 다량의 방사선이 나온다. 또한 소리는 측두엽의 언어영역에서 데옥시글루코오스 흡수를 증가시킨다. 

 

대뇌피질 대부분의 기능은 불확실하다. 이들 영역을 자극해도 어떠한 특별한 활동을 나타내지 않는데, 특히 큰 전두엽이 그러하다. 아마도 예견, 논리적 분석, 창조성 같은 고차원적인 정신활동이 전두엽의 활동에 의존하는 것 같다. 아직 특정 정신활동이 피질의 특정 부위와 관련이 있다는 증거가 없으므로, 이들 상호관련성은 총괄적인 것으로 생각된다.

전두엽의 손상은 인격행동에 변화를 가져올 수 있는데 이에 대한 뚜렷한 증거가 있다. 1848년 Phineas P. Gage 라는 사람이 Vermont에 있는 Rutland와 Burlington 간의 선로를 놓기 위하여 굴착작업을 하던 중 우발사고로 철봉이 머리 앞부분에 박히게 되어 전두엽에 심한 상처를 입게 되었다. 기적적으로 그는 살아남았으며, 뇌 기능에도 치명적인 손상을 입지 않았다. 그 사람의 시각, 청각, 기타 감각, 언어, 신체조화는 정상적이었다. 그러나 그 사람의 인간성은 근본적으로 변하였는데, 사고 전에는 이성적이고, 진지하며, 양심적이던 사람이 사고 후에는 생각이 없고, 무감각하고, 발작적이며, 완고한 사람으로 되었다. 요컨대 측정할 수 없는 인간성이 사고로 급격히 변화를 일으키게 된 것이다. 1935년 74세로 Phineas는 죽었고(그의 두개골은 박혔던 철봉과 함께 하버드 의과대학 박물관에 보관되어 있다), 그로부터 전두엽을 파괴하면 어떤 형태의 정신질환을 치료할 수 있다는 것을 알게 되었다. 예컨대 정신병은 과다한 걱정이나 죄악감 등에 의해 발생하기도 하는데, 전두엽의 파괴로 치유가 가능하다. 전두엽 절제술(prefrontal lobotomy)이라 불리는 수술은 실제로 엽을 파괴하지 않고 전두엽과 시상을 신경섬유만 절단하는 것이다. 오늘날 이러한 수술은 거의 하지 않는데 그 이유는 많은 바람직한 인간성이 수술결과로 회복 불가능하게 소실되기 때문이다. 게다가 각종 진정제(tranquilizing drug)가 개발됨으로써 이러한 외과의사의 극단적인 시술 방법이 사용되지 않게 되었다. 시상과 시상하부에 대하여 살펴보자. 시상(thalamus)은 대뇌피질의 “문지기"이다. 뇌에 전달되는 모든 감각정보(냄새 제외)를 의식적으로 느끼기 위해서는 시상을 거쳐야 한다.

시상하부(hypothalamus)는 많은 작용을 하는데 체온과 혈액의 수분량을 조절할 뿐만 아니라 많은 내부기관의 활동을 조절한다. 자율신경계 (autonomic nervous system)도 주로 시상하부에 의해서 조절받는다. 동물실험결과, 시상하부는 갈증, 포식, 포만, 성욕, 분노 등의 감정에 대한 중추조절센터의 역할을 한다는 것을 알수 있다. 시상하부는 신경활동뿐 아니라 호르몬을 합성하기도 한다. 시상하부에서 합성된 옥시토신(oxytocin)과 ADH(19.4절 참조)는 뇌하수체 후엽에 보관되었다가 혈관으로 방출된다. 분비촉진호르몬(releasing hormone)과 같은 시상하부호르몬도 정맥을 타고 내려와 뇌하수체전엽에 작용하여 FSH나 LH 등이 전엽에서 분비되도록 한다.