심리학 - 신경과학과 행동

우리는 편의상 인간을 몸과 마음으로 나누어서 설명하지만 사실 몸과 마음은 둘로 나눌 수가 없는것이다. 그러나 20세기에 들어와서 비로소 신체가 세포로 구성되어 있으며, 이들 중 신경세포는 전기적 신호와 화학적 메세지를 통해 정보를 전달함으로써 다른 세포와 의사소통을 할 수 있다는 것을 알 수 있게 되었다.

 

1. 신경계의 정보전달

1) 뉴런

(1) 뉴런의 구조와 기능

뉴런(신경세포)는 신경계의 기본단위이자, 여러 가지 종류가 있지만 기본구조는 동일하다. 전기신호와 화학신호를 생산하고 수용하며 서로 연결한다. 연결을 통해 정보를 받아들이고 처리하는 기능을 담당한다. 뉴런의 한쪽 끝에는 꼬인 나뭇가지와 같은 모양의 수상돌기라는 돌기들이 있어 다른 뉴런들로부터 정보를 받아들인다. 그리고 반대쪽 끝에는 꼬인 나뭇가지와 같은 모양의 돌기가 있는데, 이것을 축색이라고 하며, 축색은 다른 뉴런에게 정보를 보내는 역할을 한다. 축색의 끝은 약간 부풀어 있는데, 이를 종말단추라 하며, 여기서 다른 뉴런들에게 정보가 전달된다.

▲ 뉴런의 구조 (위키피디아)

(2) 뉴런의 정보전달

뉴런은 인체의 감각수용기에서 전달되어온 자극(빛, 열 등)으로부터 신호를 받거나 다른 뉴런으로부터 화학적 신호를 전달받으면 활동하게 된다. 뉴런은 2가지 정보전달 방식이 있는데, 첫번째는 뉴런의 안에서 일어나는 전달이고, 두번째는 뉴런과 뉴런, 즉 두 뉴런 간의 전달을 말한다.

뉴런 안의 축삭 돌기에서의 정보 전달은 전기신호 전달로 이루어진다. 뉴런의 내부는 (-) 전위를 띄고 외부 (+) 전위로 전압차가 존재하는데, 이를 안정전위라고 한다. 신경자극에 의해 수상돌기에서 축색돌기로 자극정보가 들어오게 세포막이 흥분하게 되면 세포막이 열려서 세포밖의 양이온이 들어오도록 허용뉴런 내부로 양이온이 들어오면 전위차가 감소하는데 이는 탈분극 상태로 활동전위가 쉽게 일어날 수 있는 상태이다.

뉴런 내에서 전기적 신호전달이 이루어지기 위해 필요한 전기적 반응을 활동전위라고 한다. 시냅스에서 수상돌기로 전해진 자극신호가 전기적 반응을 일으킬만큼 크면 그 신호가 축색을 따라 계속 종말단추 끝으로 전달되는 방식이다. 뉴런과 뉴런이 만나는 좁은 틈을 시냅스라고 한다.

뉴런과 뉴런 간의 정보 전달은 화학적 전달이다. 뉴런 간의 정보전달은 시냅스 전 뉴런의 종말단추와 시냅스 후 뉴런의 수상돌기 사이의 틈인 시냅스에서 이루어진다. 세포체의 전기반응이 종말단추에 전해지면, 종말단추 끝에 있는 소낭 속의 신경전달물질이 시냅스에 방출된다. 이 신경전달물질은 시냅스에서 시냅스 후 뉴런의 수상돌기에 있는 수용기로 부착된다. 이렇게 해서 이루어진 신경전달물질의 영향으로 뉴런 내에서 또 다시 전기적 반응이 이루어진다. 시냅스에서 화학적 신호를 전달한 후에 신경전달물질은 다시 시냅스 전 뉴런의 종말 단추로 재흡수 되거나 효소에 의해 분해된다.

*신경전달물질의 종류와 기능

신경전달물질의 종류	기능
아세틸콜린	근육운동, 학습, 기억관련 신경전달물질
도파민	인간의 복잡한 운동, 동기, 정서, 학습 반응을 조절하는 데 관여
세라토닌	CNS의 활동 기준을 조절하고 수면 및 각성, 통증, 정서와 행동에 관여하며, 수면 및 각성의 주기에 따라 변한다. 체온조절, 신체의 통증조절에 관여하며 정서장애, 불안장애와 관련이 있다.
노르에피네프린	수치는 수면 및 각성에 따라 변동한다. 주의, 경계, 정서와 불안장애에 주된 역할을 한다.
멜라토닌	24시간 주기에 작용한다. 피부세포의 색소를 선명하게 하고, 동물에서는 생식을 조절한다.
감마-아미노낙산	뇌의 억제성 물질로 불안 및 흥분을 저하시키며 수면에 관여한다.
엔도르핀	뇌에는 모르핀보다 1백 배 정도 강력한 작용을 가진 마약이라고 하며, 뇌 속에 존재하고 있는 내인성 모르핀이라는 의미로 줄여서 엔도르핀이라고 부르게 됨

 

2. 신경계의 구조 및 기능

신경계는 뇌와 척수를 중추신경계라고 부른다. 신체의 각 부분을 중추신경계와 연결해주는 뉴런들을 말초신경계라고 부른다.

중추신경계는 뇌와 척수로 이루어져 있으며, 말초신경계는 뇌신경12쌍과 척수신경31쌍으로 이루어진다. 말초신경계를 기능적으로 구분할 때는 몸신경(체성신경)과 자율신경으로 구분할 수 있다. 몸신경은 감각신경과 운동신경으로 나누어지며, 자율신경은 교감신경과 부교감신경, 내장신경으로 구성되어 있다. 교감신경과 부교감신경은 길항작용을 하며 우리 몸의 항상성을 유지한다.

신경계는 크게 상호 연결된 3가지 기능을 갖는다. 우선 수용기를 통한 감각입력 이를 중추신경계로 전달하여 정보의 통합, 그리고 처리된 정보를 효과기로 보내 운동을 일으키는 운동출력이다.

1) 말초신경계

말초신경계는 구조적으로 뇌신경12쌍과 척수신경31쌍으로 구성되어 있다. 감각과 운동자극을 중추신경으로 연결하는 통로가 되는 기관이다. 말초신경계의 기능적인 구분은 체성신경계와 자율신경계로 구분된다.

체성신경계는 운동신경과 감각신경으로 구성되는데 운동신경은 원심성 신경흥분을 중추에서 말단(골격근)으로 전달하여 근육운동을 일으킨다. 감각신경은 구심성 신경흥분을 말단(감각기)에서 중추로 전달한다.

자율신경계는 교감신경과 부교감신경으로 구성되어 있다. 교감신경과 부교감신경은 서로 길항작용을 하여 인체의 항상성을 유지하는 일을 한다.

뇌신경은 뇌의 아랫부분에서 시작하며 얼굴과 목에 주로 분포하는 12쌍의 신경으로 뇌의 윗부분부터 번호를 붙여 부르며 명칭이 정해져 있다.

▲ 뇌신경12쌍 (간준모 페이스북)

척수신경은 척수에서 분지해서 나온 척수신경은 신체에 분포되어 각 부분의 운동을 지배하는 31쌍의 신경으로 구성되며 신경이 빠져 나가는 부위에 따라 경(목)신경 8쌍, 흉(가슴)신경 12쌍, 요(허리)신경 5쌍, 천(엉치)신경 5쌍, 미(꼬리)신경 1쌍으로 나뉜다.

2) 중추신경계

중추신경계는 뇌와 척수로 이루어져 있다. 인체의 여러 감각기관에서 받아들인 신경정보들을 모아 통합하고 조정하는 중앙처리 장치에 해당되며 약 1,000억 개의 신경세포로 구성된다. 척수는 감각기관을 통해 들어온 정보를 뇌로 전달하고, 또 뇌의 명령을 신체의 근육으로 전하는 운동명령의 통로이다. 하지만 뇌의 통제 없이도 행동을 통제하기도 하는데, 척수반사는 뇌의 반응과 상관없이 일어나는 활동으로 감각신경과 운동신경이 이에 관여한다.

인간의 뇌는 약 1.3kg에 불과하지만, 인간의 모든 행동과 마음을 통제하는다. 뇌는 좌반구와 우반구가 있으며 신경섬유다발로 두 반구가 서로 연결된다. 뇌는 대뇌, 뇌간, 시상, 소뇌, 번연계로 구분된다.

대뇌는 뇌의 가장 바깥 부분으로 기억, 논리, 자기지각 및 감각 정보를 통합하고 운동 협응과 추상적 사고를 담당한다. 최총적으로 신체를 통제하고 정보를 처리하는 중추이다. 이 밖에도 기초적인 신체 대사를 유지 및 항상성의 유지기능 등 광범위한 기능을 한다. 대뇌의 바깥 포면층을 대뇌피질이라 부르며, 주름이 많다. 이 주름의 움푹 들어가 있는 홈을 고랑, 튀어나온 부분을 이랑이라고 부른다. 대뇌피질은 중심구와 외측을 전두엽(이마엽), 두정엽(마루엽), 측두엽(관자엽), 후두엽(뒤통수엽)이라는 4개의 엽으로 나뉜다. 이 엽들이 나누어지는 골짜기를 열이라고 한다.

전두엽은 추론, 판단, 목표를 설정하는 인지적 활동과 골격운동을 통제하고 신체의 움직임을 담당하는 운동피질이 있다. 두정엽은 뇌의 윗부분으로 감각과 공간 정보에 대한 지각과 관련되는데, 온도, 촉감, 신체의 위치, 통증에 대한 정보처리를 하는 감각피질이 있다.

후두엽은시각정보를 처리하는 망막의 중심부를 관장하는 시각피질이 있으며,이 영역이 손상되면 안구에 이상이 없어도 시력이 상실한다. 측두엽은 청각을 담당하여 귀로 들어온 정보를 처리하는 역할을 하는 청각피질이 있으며, 청각피질은 언어와 관련된 영역이다.

뇌간은 뇌의 가장 오래된 부분으로 처굿가 두개골에 진입하는 위치에서 시작하여 약간 솟아올라서 연수를 형성한다. 연수에서 심장박동과 호흡을 제어하고 연수 바로 위에 뇌교가 있는데, 운동 협응에 관여한다. 뇌간의 안쪽의 망상체는 손가락 모양의 신경망으로 이곳은 유입되는 정보를 걸러내어 다른 곳으로 전달하는 역할을 한다. 시상은 게란 모양의 쌍으로 된 구조로 두뇌의 감각 스위치 역할을 한다.

시상은 후각을 제외한 모든 감각기관으롭터 정보를 받아들여서 상부에 전달하고 상부의 반응을 연수와 소뇌에 전달한다.

소뇌는 머리 뒤쪽의 야구공만한 크기로 위치하며 자세와 균형의 유지 및 근육긴장의 유지와 자발적 운동의 조절을 담당한다.

변연계는 해마, 편도체, 뇌하수체, 시상하부 등을 포함하는 부분으로 특별한 구조물은 아니며, 뇌간과 대뇌반구 사이의 도넛 모양으로 신경계 영역을 지칭한다. 섭식과 성행동, 동기와 욕망의 조절, 감정의 조절과 기억에 관여한다. 변연계에 속한 편도체는 두 개의 콩만한 신경세포의 덩어리로 자극을 받았을 때 공격성과 공포에 영향을 미친다. 시상하부는 시상 아래에 위치하며 배고픔, 갈증, 체온, 성 행동 등을 조절하는 곳이다.

 

3. 두개의 뇌

대뇌는 좌 우 두개의 뇌로 구분된다. 뇌량은 좌우의 대뇌반구가 만나는 부분으로 뇌량 또는 뇌들보라고 하며 신경다발조직이다. 좌뇌와 우뇌의 기능은 서로 다른데 뇌량은 각 대뇌반구의 정보를 교환하는 다리 역할을 한다. 좌뇌 반구는 언어능력과 관련되며, 우뇌 반구는 시공간 관계에 좀 더 관련 이쓴ㄴ 반구로 간주되며, 비언어적 과제의 수행에 관여한다고 알려져 있다.

 

4. 수면

1) 수면과 꿈

수면과 꿈은 모든 인간이 경험하게 되는 현상으로 왕과 농부를 평등하게 만들어주는 것이다. 수면은피곤함에서 활력을 되찾게 해주는 달콤함과 같은 것으로 과학자들의 호기심을 끌어왔다. 수면과 꿈에 대한 궁금증은 많았으나 명확한 과학적인 답이 없기 때문에 잠과 꿈에 관한 여러 속설이나 오해를 갖고 잇는 경우가 많음을 확인해보았으며 아래에서 그 해답을 찾아보도록 할 것이다.

2) 수면의 단계

윌리엄 데멘트는 수면과 의식의 관계를 연구했다. 실험참가자에게 수면을 박탈시킨 상태로 눈꺼풀에 고정 테이프를 붙여서 눈을 감을 수 없게 한 상태로 불빛을 비추어질 때마다 버튼을 누르도록 요구하였다.그러나 몇 분이 지난 후 실험참가자는 불빛 하나를 놓쳤는데, 그 이유를 묻자 '불빛이 없었다'라고 대답하였다. 그렇지만 실제로 불빛은 있었고 그가 놓친 이유는 2초간 잠에 빠져 있었기 때문이었다. 자신의 실험에서 수면 중에는 지각이라고 하는 대문이 닫히는 현상을 관찰하였다.

수면 단게의 구분은 뇌전도(EEG)로 구분을 한다. 뇌세포가 발생시키는 전기적 신호를 '뇌파'라고 부르며 두뇌에서 뇌파를 측정하는 뇌전도 기법은 1937년 알프레드 리 루미스라는 미국인 과학자가 처음 개발하였다.

▲ 뇌파와 수면단계 (KYH 네이버 포스트)

 

수면은 일련의 단계를 거친다고 볼 수 있다. 각성과 수면의 중간 단계인 단계1 수면에서는 보통 낮고 빠른 불규칙적한 뇌파를 보이며 근육 활동이 이완되고 호흡과 맥박이 느려진다.단계1에서는 감각자극이 없이 일어나는 몽상적 이미지를 경험할 수 있는데 떨어지는 느낌. 무중력인 느낌 등 환각 같은 경험을 하기도 한다. 이러한 것은 나중에 기억에 병합되기도 하지만 기억을 못할 수 있다.

단계2 수면의 뇌파는 전체적으로 느려지며 중간에 빠르고 리드미컬한 수면방추가 주기적으로 출현하기 시작한다. 이 단계에서 별 어려움 없이 깨어날 수 있지만 확실하게 수면에든 상태이다. 깊은 수면이 시작된 단계3에서는 느린 델타파가 나타나기 시작해 단계4에 도달하면 외부 자극에 대해서 더 이상 반응을 하지 않고 제한적인 근육 반응만 나타나는 깊은 수면에 빠진다. 수면 단계1에서 단계4까지 이르는 시간은 약 1시간 정도이며 이 단계에서는 안구의 움직임이 없으므로 NREM 수면이라고 부른다.

단계4 수면 상태 이후 수면 상태인데도 불구하고 단계3과 단계2로 다시 솟아오르게 되는 현상이 일어나게 된다. 사실 전체 수면의 절반정도를 단계3과 단계2에 머무르게 된다고 할 수 있다. 이후 수면단계는 REM 수면단계로 접어든다.

수면의 주기는 대략 90분마다 반복한다. 수면의 시간이 지속됨에 따라 단계 4 수면은 점점 짧아지고 REM 수면의 시간은 점차 길어진다.