오태광의 바이오 산책 <52>인체 뇌 구조와 쾌락 보상회로 (Human brain and Reward pathway) > News Insight

  성인의 뇌의 무게는 체중의 2%로 대략 1.5 kg에 불과한데, 섭취하는 에너지의 20%를 사용하기 위해 심장에서 나오는 혈액의 20%를 공급받고 있는 아주 중요한 기관이다. 사람의 뇌는 대뇌(Cerebrum), 소뇌(Cerebellium), 뇌간(Brain stem)으로 크게 3개 부분으로 나눌 수 있고, 뇌와 신체의 연결은 뇌간과 척추에 있는 척수(Spinal cord)로 연결되어 신체의 모든 기능을 통합/조절할 수 있다. 

대뇌는 의식영역으로 주로 인간이 가지는 높은 지적 기능 발생을 담당하고, 소뇌는 신체의 움직임을 담당하여 신체운동의 미세조정과 균형을 유지하는 데 큰 역할을 하고 있다. 뇌간은 뇌와 척수를 연결하면서 뇌와 신체 간의 생체신호를 전달하고 기본적인 무의식적 반사작용을 관리하고 있다. 

초기는 생물통신시스템인 신경은 운동에 관여하는 근골(筋骨)계에 말초신경 형태로 발달하였고, 점차 생명 안전을 위한 정교한 조절을 위해서 오감(시각, 후각, 청각, 촉각, 미각)에 관여하는 신경계가 생겼을 것이다. 하지만, 오감에 의해서만 생명을 유지하는 방법은 단지, 순간적인 반사작용(Involuntary reflex, 反射作用)만이 가능하게 설명할 수 있다.

 생존을 위해서는 위험했던 과거의 경험을 기억하고, 예방적인 차원의 선제적 행동을 한다면 생명체를 더 안전하게 유지할 수 있었을 것이다. 이렇게 되기 위해 신체에 분포한 말초신경이 연결/통합되는 척수와 중추신경계인 뇌간과 연결되었다. 뇌간을 둘러싸고 있는 변연계(Limbic system)인 구 피질(Paleocortex, 舊皮質)은 기억을 담당하고 있다. 

인간이 가지고 있는 구 피질을 둘러싸고 있는 신 피질 (Neocortex, 新皮質)은 외부환경에 대한 정보와 과거 기억을 저장/분석하여 미래에 발생할 수 있는 상황을 판단/예측한다. 생명체에 가장 기본인 위험에 대한 반사작용과 생존/생식 같은 원시적인 기능을 가지는 뇌간은 하등동물 파충류가 가졌다고 해서 파충류의 뇌(Reptilian complex)라 한다. 파충류의 뇌에 변연계(籩緣系,둘레 계통)가 둘러싸고 있고 그 역할은 감정(Emotion), 공감(Empathy), 부모 가족 감(Parental) 등을 느끼고 있어 포유류 뇌(mammalian(Limbic) system)라고 부른다.

 포유류 뇌에 신 피질(Neocortex)로 둘러싸인 인간 뇌(human brain)는 고등적인 논리(Logic), 추상적 생각(Abstract thought) 등을 할 수 있다. <그림 1> 실제 파충류는 뇌간만, 포유류는 뇌간+구피질, 인간은 파충류+구피질+신피질로 구성되어 있다. 인간 뇌 앞쪽 얼굴 쪽에 신 피질에 있는 전두연합영역(前頭連合領域)은 한 가지 제한된 기능만을 수행하는 것이 아니라 종합적인 상황을 판단하여 인간이 추구하는 목적에 따라 처리 우선순위뿐만 아니라 때에 따라서는 동시에 협력 또는 중지하는 조절을 한다. 뇌에서 내리는 명령을 세포들도 단순히 수행만 하는 것이 아니라 뇌가 수행한 결과가 긍정적일 결과일 때 보상하는 쾌락(快樂)이라는 보상(報償, Reward)회로가 있는데, 이 회로(回路)를 보상회로, 또는 쾌락 회로 명명한다.

 보상회로는 의학계에서 1950년 초 쥐 뇌에 전극으로 시험하여 정립하고, 최근, 2022년에는 일론 머스크(Elon Musk)의 뉴럴링크(Neurallink)사는 신경 레이스(Neural lace)인 신경 그물망에 많은 아주 작은 전극을 통해서 원숭이 뇌에 쾌락 회로를 자극하여 사람이 원하는 움직임을 하는 살아있는 원숭이 로봇을 개발하기도 하였다. 쾌락 보상회로의 중요성은 인간 자신이 목표를 설정하고 주어진 방향으로 성취감과  쾌락을 느끼면서 진화할 수 있어서 질병 예방/치료는 물론 육체/정신적으로 더 진보된 인간의 미래로 개척할 수 있을 것이다.

<쾌락에 대한 동물실험>

 쾌락은 식사, 성행위, 음수 등의 원초적인 욕구 충족뿐만 아니라 체육, 학습, 취미활동에서 얻을 수 있는 만족감은 물론 자신에게 아무런 이익이 없는 희생, 사회에 봉사하면서 얻는 정신적 만족감과 고통을 참고 달리는 마라톤, 고행, 인내 등에서도 인간은 쾌감을 느낄 수 있다. 쾌락을 실험으로 입증한 것은 1954년 초 미국 생물 심리학자 제임스 올즈(James Ods)와 피터 밀러(Peter Milner)가 쥐 실험에서 쾌락 중추를 발견하면서 시작되었다. 쥐 뇌의 특정부위(뇌 내측)에 전극을 심고 바닥에 전류를 흐르게 하는 스위치를 장치를 장치<그림 2>하여, 쥐가 스위치를 눌러서 뇌에 전기 자극을 하면서 쾌감을 느끼는 것을 발견하여 쾌락 중추를 발견하였다.

 뇌에 전기 자극에 쾌감을 느끼는 부위를 “보상계(Reward system)”라고 명명했지만, 보상을 줌으로 쾌감을 느낀다는 의미로 “플러스 강화”라고 표현하고, 쾌락 시스템(또는 보상시스템)으로 명명하였다. 실제로 쥐에게 먹이, 물, 짝짓기 등 원초적 본능과 전기 쾌락 시스템을 비교하여 선택하도록 실험했을 때도 쥐는 당연히 전기 자극을 받는 스위치를 선택하였다. 심지어, 먹이활동과 같은 기본적인 욕구를 포기하고 1시간에 700번 이상으로 스위치를 눌러서 결국 죽음에 이른 쥐도 있었다. 다른 연구자가 중추신경 자극제인 코카인, 아편과 같은 마약을 사용하여 쾌감 보상 연구를 했을 때도 실험대상 동물은 역시 기본적인 욕구를 포기하고 마약을 선택하였다.

비슷한 실험이지만, 쾌락을 주는 뇌 위치의 전극을 설치하고, 방향을 잡을 때 사용하는 쥐의 수염을 자극하는 뇌 위치에 또 다른 전극을 설치하였다. 쥐를 왼쪽으로 움직이게 왼쪽 수염을 자극하고, 쥐가 왼쪽으로 움직이면 쾌락을 주는 전극을 자극하여 행동을 유도하는 방식으로 실험하였다. 원하는 행동을 하면 보상으로 쾌락을 주는 방식으로 교육한 후, 쥐를 사람이 원하게 움직이는 실험도 성공하였다. 

전기 자극 자체가 쾌락을 느끼게 하는가를 연구한 결과, 전기 자극이 뇌 신경을 자극하여 도파민(Dopamin)과 같은 호르몬이 분비되면서 쾌감 신경이 피드백(Feedback)되고, 너무 과하게 호르몬이 분비하여 신경을 강하게 자극하면 호르몬 분비를 줄이는 네가티브 피드백(Negative feedback) 반응으로 조절되면서 정상적인 항상성(恒常性, Homeostasis)을 유지하는 것을 알았다. 

인간 뇌 전기 자극 시험은 1963년 히스(R.G. Heath)가 뇌수술이 필요한 잠만 자는 기면증 환자와 간질 환자 치료를 위해 뇌에 각각 14개 및 17개의 전극을 이식하였다. 뇌 중앙부위와 중간뇌 덮개(Tegmentum)에 전기 스위치 작동 시, 기면증 환자는 쾌락을 느끼고 오르가슴(Orgasm)까지 느꼈지만, 간질환자는 항상 좋지는 않고 오히려, 안쪽 시상(Medium thalamus) 부위에서는 기억력이 회복되는 현상을 발견하였다. 이런 결과는 전극의 위치가 정확하지 않아서 나온 결과로 추정한다. 

최근, 2022년에는 일론 머스크(Elon Musk)의 뉴럴링크(Neurallink)사는 어느 정도 정확한 전극의 위치를 파악하여 원숭이 뇌에 많은 수의 미소한 전극을 침습적으로 임플란트하여 뇌 조절 결과를 발표하였고, 2023년 5월 중국 난카이대는 뇌-기계 인터페이스(Brain Machine Interface, BMI)로 뇌에 전극을 직접 뇌에 침습하여 이식하지 않는 비침습 BMI로 발전시키기 위해 두뇌 대신 경정맥에 스텐트를 넣는 “중재적 BMI” 기술을 개발하여 <그림 3>에서와같이 원숭이 생각만으로 로봇 팔을 움직였다. 

도파민과 같은 호르몬의 변이되거나 분비에 문제가 되어 정상적인 신경 신호가 전달되지 않을 때 뇌는 비정상(Dysfunction)화 되어 신경세포가 퇴화하거나 자가 포식(Autophagy)하여 파괴되면서 심각한 뇌 질환이 발생한다. 이렇게, 신호전달이 되지 않는 신경세포를 만능유도 줄기세포를 키워서 신경세포로 분화하여 이식하는 기술도 개발되고 있다. 사람의 뇌세포를 줄기세포로 배양한 작은 뇌 모양인 오르가노이드로 만들어 새끼 쥐의 뇌 속에 이식한 결과 <그림 4>와 같이 실험에 성공으로 자리 잡고 신경이 연결하였다고 Nature 지(2022. 10)에 발표하였다.

이런 내용은 현재 마땅한 치료제가 없는 뇌성마비, 조현증, 알츠하이머 등 뇌질환치료 시 외부에서 사람의 뇌세포를 오르가노이드로 만들어 치료할 수 있다는 가능성이 있지만, 아직 넘어야 할 난제가 너무 많아 더 많은 연구가 필요하지만, 생물윤리 문제 등 현존한 눈앞에 문제점도 뛰어넘기는 어려울 것 같다. 

< 쾌락 호르몬과 뇌 신경>

쾌락과 관계되는 뇌 호르몬은 주로 도파민이 분비되면서 일어나는데 분비되는 뇌 부위는 뇌의 변역계인 복측피개영역(Ventral tegmental area,VTA)과 흑질(Substantia nigra, SN)에서 만들어지고 전달은 주로 A10 신경계 따라서 전두엽 피질로 퍼져나가 쾌락 <그림 5>을 느끼게 된다. 스포츠를 즐기면, 운동과 관련된 근육 긴장성 섬유에 있는 말단 신경이 뇌 시상하부와 연결되어 있어서 A10 신경계를 나가면서 도파민과 시상하부에서 만들어진 엔도르핀(Endorphin)이 분비되어서 쾌감을 느낀다. 실제 운동뿐만 아니라 식사, 사랑, 정신적 성취가 있을 때도 도파민이 분비되고 있어서 쾌락과 관련된 주요 근원은 도파민인 셈이다. 

 도파민은 우리가 먹는 식품에서 섭취하는 아미노산인 페닐알라닌(Phenylalanine)과 티로신(Tyrosine)에서 도파(DOPA)를 거쳐 만들어지는 카테콜(Catechol)계 신경전달 호르몬이다. 도파민은 생체 내에서 쉽게 노르에피네프린(Norepinephrine)이나 에피네프린(Epineprrine)으로 전환되어 신경전달 물질로 작용하고 혈압, 동공 확장, 흥분시키는 작용을 하고 극히 작은 양으로도 충분히 신체기능을 조절한다. 결국 도파민이 분비되면 즐거움과 쾌락의 근원이지만, 도파민양이 떨어지면 학습, 활동, 대화 등에 주의력이 결핍되어 과잉 행동장애(ADHD)의 원인이 되고 너무 과량으로 존재하면 집중력이 지나치게 증대하여 경계심이 높아지고, 사소한 것에 화를 내고 의심이 많아져서 결국 편집증이나 조현병으로 병발 될 수 있다. 

결국, 쾌락을 조절하는 도파민도 조절되어 분비되는 항상성이 있어야 한다. 복측피개 영역과 흑질에서 만들어진 도파민은 그림 4에 보는 바와 같은 A10 신경계를 따라서 자극되어서 쾌감을 느끼게 된다. A10 신경계는 성욕, 식욕, 체온조절과 같은 원시적 욕구와 운동, 인내와 같은 육체적 극복뿐만 아니라 학습, 기억, 봉사, 희생과 같은 정신세계를 관장하는 전두연합 영역에 연결되어서 다양한 쾌감을 느끼면서 인체의 보상체계로 만들고 있다. 

인간만이 가지고 있는 신피질의 경우는 도파민 수용체가 조절하는 자가수용체(Auroreceptor)를 가지고 있지 않아 피드백 기능으로 조절하지 않아서 도파민 과잉상태를 유지되어 지속적인 다양한 쾌감을 경험할 수 있어서 인간 정신활동이 제한없이 자유분방한 발상, 무한한 상상이 가능(오키 고스케 “뇌로부터 마음을 읽는다(2020)”)하여 달리 A10 신경계를 자극하여 스스로 쾌감을 만들 수 있다. 즉, 파충류와 개, 고양이와 같은 포유류는 A10 신경은 있지만, A10 신경계를 조절하는 상위의 신 피질이 없으므로 스스로가 쾌감을 만들 수 없고 단지 외부자극으로만 쾌감을 느낀다. 

 신 피질이 있는 인간은 스스로 마음이나 정신을 긍정적으로 집중하면 쾌감 호르몬인 도파민과 엔도르핀(Endorphin)을 분비하여 A10 신경계를 자극하여 다양한 쾌감을 얻어 보상을 받는다. 엔도르핀은 “Endogenous(내인성) Morphine(모르핀)”의 결합어로 “몸에서 분비하는 모르핀”이라는 의미로 단지 정신적인 자극만으로 시상하부나 뇌하수체에서 만들어진다. 엔도르핀도 모르핀과 아편 같은 마약의 수용체인 오피에이트(Opiate) 수용체에 결합하여 쾌감을 느끼게 한다. 

사실 이런 인간의 정신적 쾌감은 극도의 희생과 고행을 하는 성인이나 인내하면서 몰입하는 보통 사람도 정신적 수련에서 쾌감을 얻을 수 있다는 근거가 되고 있다. 더 큰 발견은 인간이 삶의 목표를 정하고 몰입 및 집중하면 역시 A10 신경계를 자극하여 학습 능력과 일에 집중도를 극대화할 수 있어 빨리 지적 학습 능력을 크게 향상하게 할 수도 있다. 어쩌면 인간 진화의 원천적인 힘인 보상시스템인 쾌락이 육체뿐만 아니라 정신적 자극으로도 가능하다고 생각하면서 보상시스템인 쾌감이 생물 진화의 원동력이라고 생각한다.

<맺는말> 

  무게로는 신체 전체의 2% 정도밖에 되지 않지만, 혈액의 20%가 활동하면서 에너지의 20%를 뇌는 다세포 생물인 인간을 완벽하게 통제할 수 있는데 보상체계로 쾌락을 활용하는 것은 놀라운 일이다. 식욕, 성욕 등의 욕구가 충족되는 동안에는 쾌감 호르몬이 분비되지만, 충족 후에는 억제호르몬이 작용하여 욕구를 멈추어서 생명현상을 유지하는 기본적인 욕구의 과도한 부작용을 막아주는 피드백(Feedback)으로 인체는 항상성을 유지할 수 있다. 

도파민과 마찬가지로 카테콜(Catechol)계 화합물인 노르에피네프린과 에피네프린이란 호르몬도 인체에 분비되면 이를 억제하는 호르몬인 세로토닌(Serotoin)도 분비되어 과도한 부작용을 막아주고 있다. 인간의 뇌에 있는 신 피질은 구 피질과 뇌간과는 달리 쾌락을 만들어 주는 호르몬 분비를 억제하는 네거티브 피드백(Nagative feedback) 없어서 아무런 제한 없이 쾌감 호르몬을 계속 분비하기 때문에 높은 수준의 쾌감을 가지고 완성도가 높은 육체/정신적 목표를 달성할 수 있어서 근본적으로 동물과 다른 점이다. 

식욕, 성욕 등과 같은 생리적 욕구는 주로 뇌간에서 호르몬이 작용으로 해결되는데 신피질과 달리 뇌간은 호르몬 조절이 충분히 피드백되기 때문에 자동으로 조절되어 항상성을 유지하여 건강을 유지한다. 인간이 학습, 기억 및 고도의 정신활동을 끊임없이 할 수 있는 이유는 대뇌 신 피질이 네거티브 피드백 없어서 계속 호르몬 분비가 되어서 낮은 단계에서 높은 단계의 욕구로 이동하면서 쾌감을 느끼어 성취를 느끼고, 아주 높은 단계에서는 더 많은 쾌감을 느껴서 건강하고 젊게 살 수 있다고 한다.

 기억의 경우도 신경세포에서 해마로 직접 기억되는 것보다 신경세포에서 편도체를 통해서 저장되면 기억력이 더욱 좋아지는데, 보상(쾌감)회로를 거쳐서 쾌감, 즉, 긍정적이고 행복한 만족감을 느끼기 때문으로 알려졌다. 인간이 가진 신피질의 제한 없는 호르몬 분비는 육체/정신적으로 어렵거나 귀찮은 높은 단계를 거치면서 행복한 성취감을 느껴서 더 높은 단계로 쾌감을 느끼면서 나아갈 수 있다. 신피질을 잘 이용하면 인간이 가지는 한계성을 뛰어넘어서 기분이 좋은 성취감을 느낄 수 있어서 미래 인간의 무한한 발전적인 진화도 가능하다고 생각한다.

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