신경과학이란

신경과학에 대하여

 

신경과학 (또는 뇌신경과학)은 뇌를 포함한 모든 신경계에 대해서 연구하는 학문입니다. 신경과학은 우리가 외부 환경을 어떻게 인지하며 경험하는지, 그리고 다른 사람과 어떻게 상호관계를 맺는지 등을 밝혀내는 데 중점을 두고 있죠.

신경과학은 유전학, 생화학, 생리학, 약리학, 병리학, 진화 생물학 등의 학문과 밀접한 연관을 맺고 있으며 생물학의 한 분야로 여겨집니다. 그러나 신경과학은 학문의 특성상 생물학의 한 분야라고만 단정 짓기는 어려우며, 실제로 심리학, 컴퓨터 과학, 통계학, 물리학, 의학, 언어학, 철학, 수학 등의 다른 분야의 학문의 도움을 많이 받고 있습니다.

신경과학은 분자, 세포, 발생, 구조, 기능, 진화, 컴퓨터 연관, 의학적 측면을 다룬다. 신경과학자들이 사용하는 기술은 빠르게 발전하여 개별 신경세포의 분자 및 세포 수준에서 뇌의 감각과 운동 능력에 대한 뇌 영상까지 연구할 수 있습니다. 최근에는 이론적인 진척에 힘입어 신경망에 대한 연구가 진행되고 있습니다.

 

역사

 

신경계 연구의 역사는 고대 이집트까지 거슬러 올라갑니다. 이 시기에 두통을 완화하거나 정신 질환을 치료하려는 목적 혹은 두개골 내압을 낮추기 위하여 두부 절개술(두개골에 구멍을 내는 외과술)이 시행되었습니다. 두부 절개술이 행해졌다는 증거는 신석기 시대 지층에서도 발견되며 전세계적으로 널리 퍼져 있습니다. 기원전 18세기의 필사본에 의하면 이집트인이 뇌 손상에 대한 지식을 가지고 있었습니다. 처음에 이집트인들은 뇌를 단순히 '두개골을 채우는 무언가'로 여겼습니다. 이집트 중왕국 시대에 이르러서는 미라를 만들면서 뇌를 제거하는 것이 관례가 되었습니다. 이 시기에는 인지 기능이 심장에서 이루어지는 것으로 보았습니다. 헤로도토스는 미라화의 첫 단계가 "구부러진 철 조각으로 콧구멍을 통해 뇌를 끄집어내고 머리뼈의 빈 공간을 약품으로 헹궈 씻는 것"이라고 하였죠.

 

심장을 의식의 원천으로 보는 관점은 고대 그리스 의사였던 히포크라테스 시대까지 받아들여졌습니다. 그는 뇌가 감각과 연관이 있을 뿐만 아니라, 지능과도 연관이 있다고 믿었습니다. 플라톤은 영혼(soul)의 이성적인 부분이 뇌에 자리하고 있다고 생각했습니다. 그러나 플라톤의 제자였던 아리스토텔레스는 심장이 지능의 중심이며 뇌는 심장에서 나오는 열의 양을 조절하는 기능을 한다고 믿었습니다. 이 관점은 고대 로마의 검투사들의 의사이자 히포크라테스의 신봉자였던 의학자 갈레노스 시대까지 받아들여졌습니다. 갈레노스는 그의 환자들이 뇌에 지속적인 손상을 입으면 정신적인 능력을 잃는다는 것을 관찰하였습니다.

 

서양에는 아불카시스라고 알려진 아부 알까심 알자흐라위, 이븐 루시드, 이븐 주르, 그리고 마이모니데스는 중세 이슬람 계에서 활동한 의학자들로, 뇌와 관련된 의학적 문제에 관해 문헌으로 남겼습니다. 르네상스시기 유럽에서는 베살리우스(1514-1564)와 르네 데카르트(1596-1650)가 신경과학에 기여하였습니다. 특히, 르네 데카르트는 심장 활동과, 기타 생명 활동에 필요한 필수적인 기계적 운동을 모두 뇌에서 관장하고 있다고 보았는데, 이러한 주장은 데카르트가 저술한 『인체의 구조에 관하여』에서 쉽게 확인할 수 있습니다.

 

현미경이 발견되고 카밀로 골지가 1890년대에 은 염색법을 개발한 이래로 뇌 연구는 좀 더 정교해졌습니다. 은 염색법은 크로산은 염을 이용하여 개별 뉴런의 복잡한 구조를 드러내었습니다. 산티아고 라몬 이 카할은 이 기술을 이용하여 '뇌의 기능적 단위는 뉴런이다'를 골자로 한 뉴런주의를 주장하였습니다. 골지와 라몬 이 카할은 뇌 곳곳의 뉴런을 관찰하고, 묘사하고, 분류한 공로로 1906년 노벨 생리학 의학상을 수상하였습니다. 루이지 갈바니는 1700년대 말에 근육과 뉴런이 전기적으로 흥분한다는 선구적인 연구를 했으나 에밀 뒤부아 레몽(Emil du Bois-Reymond), 요하네스 페터 뮐러, 헤르만폰 헬름홀츠 등은 19세기 말에 이르러서야 뉴런이 흥분하여 인접한 뉴런의 전기적 상태에 영향을 미친다는 것을 증명하였습니다.

 

폴 브로카는 뇌 손상을 입은 환자들을 연구하여 뇌의 특정한 영역에 손상을 입으면 특정한 기능이 손실된다고 주장하였습니다. 당시에 브로카의 발견은 프란츠 요제프 갈의 이론, 즉 언어 기능과 특정한 정신적 기능은 대뇌 피질의 특정한 영역에 국한되어 있다는 것을 확인하는 것으로 여겨졌습니다. 존 헐링스 잭슨(John Hughlings Jackson)은 간질 환자들을 관찰하고 운동 피질의 존재를 추론하자 뇌의 특정 부위가 특정 기능을 담당한다는 '기능의 국소화' 이론은 각광을 받았다. 칼 베르니케(독일어: Carl Wernicke)는 언어 이해와 발화에 관하여 특정 뇌 구조 이론을 더욱 발달시켰습니다. 현대 연구는 특정한 일을 수행하는데 활성화되는 피질 영역을 구분할 때 여전히 브로드만 영역, 대뇌 피질의 세포구축학(cytoarchitectonics, 세포가 이루는 구조를 연구하는 분야)에서 유래한 해부학적 정의를 이용하고 있습니다.

 

1952년, 앨런 로이드 호지킨과 앤드루 헉슬리는 오징어의 거대 축삭에서 어떻게 활동전위가 발화되고 전달되는지 수학적 모델(호지킨-헉슬리 모델)을 제시하였습니다. 1961년에서 1962년 사이, 피츠휴(R. FitzHugh)와 나그모(J. Nagumo)는 호지킨-헉슬리 모델을 간소화하여 피즈휴-나그모 모델을 만들었고, 1962년 베르나트느 캐츠(Bernard Katz)는 시냅스라는 뉴런 사이의 공간을 건너는 신경전달을 모델화하였습니다. 1981년 모리스와 레카는 두 모델을 결합하여 모리스-레카 모델(Morris-Lecar model)로 만들었습니다. 1984년 J.L. 힌드마쉬와 R.M. 로즈는 신경전달 모델을 확장하였습니다.

1966년 초 에릭 칸델은 학습과 기억 저장 중 뉴런의 생화학적 변화를 연구하였습니다.