오태광의 바이오 산책 <97> 신경(Neuron) > News Insight

생물은 가장 작은 단위인 세포가 모이면 조직이 되고, 조직이 모이면 위, 간, 췌장 등과 같은 기관을 만들어지고, 기능이 있는 기관이 모이면 기관계를 이루고, 결국 기관계의 집합이 인간을 비롯한 동물, 식물과 같은 생물 개체가 된다. 인간은 특정 기능 수행을 함께하는 해부학적 집합체인 생체 기관계(Organ system)로 구성되는데, 현재로는 골격계(Skeletal system), 근육계(Muscular system), 생식계(Reproductive system), 호흡계(Respiratory  system), 순환계(Circulatory system), 피부계(Integumentary system), 내분비계(Endocrine system), 림프계(Lymphatic system), 신경계(Nervous system), 소화계(Digestive system), 배설계(Excretory system) 및 면역계(Immune system) 등으로 구성되어 있다. 

현재 과학지식으로 기능을 알 수 없지만, 더 많은 과학적 진보가 있으면, 지금은 알지 못하는 새로운 기관계가 생길 수도 있다. 기관의 기능은 에너지를 얻기 위해서 음식물을 소화하는 소화계, 산소를 얻고, 이산화탄소를 버리는 호흡계, 노폐물을 운반하여 버리는 배설계, 산소, 이산화탄소, 영양소, 폐기물을 옮기는 순환계 등이 목적으로 하는 기능에 통합적 작용하지만, 기관계가 독립적이지 않고 협력하여 작용하기도 한다. 예를 들면, 세포, 조직, 기관에 신호를 전달하고 생체 내를 큰 변화가 없게 안정되게 항상성(恒常性, Homeostasis)을 유지하는 데는 내분비계와 신경계가 통합 작용으로 작용한다. 내분비계는 호르몬이란 화학물질이 혈액을 통해서 특정 호르몬 수용체가 있는 세포에서 전달되어 작용하고, 신경계는 신경(Nerve) 세포로 구성되어서 인체 주위 환경변화로 신체를 자극하면 체성신경이 감지한 정보가 감각신경을 통해서 전기적으로 척수신경을 통해 최종 뇌 신경에 도달하고, 뇌에서 결정하여 판단된 정보는 다시 척수신경을 거쳐 운동신경을 통해서 근육에 말초신경에 도달하여 근육이 움직여서 반응한다. 근육에는 움직이게 하는 말단신경계가 있고, 심장이나 내장 기관과 같이 인간의 의지와 관계없이 움직이는 자율신경계가 있다. 하지만, 신경이 전달되는 방식은 전기적 신호이기 때문에 전기 흐름이 광속도와 같이 빠른 속도로 움직이기 때문에 위험한 순간에는 아주 짧은 시간에 신경이 반응할 수 있다. 많은 자율신경계나 말단신경계는 분비계와 통합적으로 작동하기 때문에 내분비계 호르몬이 혈액으로 이동하고, 신경계도 혈관주위에 말초신경이 많이 분포되어 있어서 신경과 호르몬과 통합적 운영이 쉽게 일어날 수 있고, 또한, 신경 세포에 필요한 막대한 에너지를 혈액으로 운반된 산소와 영양분을 쉽게 이용하고 생성된 노폐물을 혈액을 통해서 제거할 수 있다. 실제로 신경과 통합해서 작용하는 신경호르몬(Neurohormone)은 신경 내 분비세포에서 생성되어서 혈액으로 방출된다. 호르몬은 인체의 모든 전신에 혈액이라는 순환계를 통해서 분비되지만, 작용기관의 수용체에 붙어서 작용하고, 신경계는 뇌 중추에서 온몸의 말단까지 신경으로 연결되어 있는데, 신경끼리 전달은 전기신호로 전달되지만, 신경 세포가 연결되는 부위인 시냅스에서는 신경전달물질이 신호를 전달한다. 근육 등에 운동을 작동할 때는 호르몬인 신경전달 물질의 도움으로 자가분비 또는 국소분비와 같은 미세하고 제한적인 다른 역할도 할 수 있다. 

결론적으로 신경계에서는 호르몬계는 신경전달물질이 박자, 음높이 등이 기록된 악보를 통해서 다른 악기로 합주하는 오케스트라처럼 다양한 음악을 만들 수 있듯이 다양한 조절이 가능하다. 인체의 체온, 수분, 혈당, pH 등 수많은 생체 요소를 정밀하게 조절하여 인체 항상성 유지라는 인체 오케스트라(한국경제, 2011.7)를 신경계, 내분비계, 순환계 등이 합주로 만든다. 결론적으로 인체 내 생리 환경을 정상적으로 작용할 수 있게 항상성을 유지할 뿐만 아니라 긴급 시는 정상적 생리 상태에서도 적합한 세포를 인체가 성장, 회복, 생식, 재생, 스트레스 해소 등과 같은 전혀 다른 조건에서도 일정한 효과를 가질 수 있게 특정 기능에 적합한 반응을 할 수 있게 한다. 

<신경 세포의 구조와 기능>

신경은 크게 뇌와 척수로 연결되는 중추신경계(Central Nervous System, CNS)와 중추신경계를 제외한 모든 신경을 말초신경계(Peripheral Nervous System, PNS)로 나눌 수 있고, 말초신경은 다시 인간의 의지와 상관없이 본능적으로 공격 또는 회피(Fight or Flight, FF) 반응을 하는 자율신경계와 외부에서 들어오는 감각을 말단기관에서 감지하여 중추신경으로 올려보내거나 중추신경의 명령을 말단 근육에 전달하는 근육운동을 일으키는 인간에 의지에 따라 움직이는 체성 신경계가 있다. 자율신경계는 위기 또는 스트레스 상황에서 공격적으로 반응하는 교감 신경계와 긴장을 완화하고 휴식이나 에너지를 저장하게 하는 부교감 신경계가 있다. 

신경계 종류와는 관계없이 신경 세포(Neuron)는 일반 세포와 마찬가지로 대사 활동을 하기 위해서 영양분을 얻어서 에너지를 만드는 대사 활동을 하고 있지만, 특이하게 신호를 전달하는 기능이 있어서 일반적인 인체 세포와는 상당히 다른 구조를 가진다. 신경 세포는 핵이 있는 신경세포체(Soma, 신경 원체), 신경 정보나 명령을 입력받는 수상돌기(Dendrite, 또는 가지돌기), 수초로 둘러싸여 있는 부분과 수초가 없는 부분이 이어진 축삭(Axon, 신경섬유), 정보나 명령을 다른 신경 세포로 전달하는 축삭 말단(신경섬유 말단)으로 [그림 1]과 같이 구성되어 있다. 

축삭은 전기선(전선)과 비슷한데, 전기선에는 절연물질로 둘러싸인 피복이 있듯이 축삭을 둘러싸고 있는 전기가 통하지 않는 지방층으로 구성된 미엘린수초(노란색)는 전기선의 절연체인 전선 피복 물질과 같은 역할로 전기선에서 전기 손실을 줄어서 확실하게 신호를 전달한다. 신호가 전달되는 축삭은 전기선과는 다르게 마치 전기선에 피복이 벗겨져서 노출된 랑비에결절이 있는데, 랑비에결절이 넓거나, 많으면 신호전달 시 전기신호의 손실이 커서 느리게 정보가 전달될 것이고, 그 반대로 전선의 피복이 벗겨진 부분이 좁거나 적으면 신호를 빠르게 전달된다. 수상돌기와 축삭종말에 신경 세포가 연결되는 부분을 시냅스(Synapse)라고 하고 축삭종말과 수상돌기가 연결되는 축삭-수상돌기 시냅스(Axo-dendritic synapse), 축삭종말과 신경세포체가 연결된 축삭-세포체 시냅스(Axosomatic synapse), 축삭종말과 축삭이 연결된 축삭-축삭 시냅스(Axo-Axonic synapse)의 3가지 양식이 있어서 시냅스의 연결이 다양하여 아주 복잡한 신경계 네트워크를 형성한다. 정보량이 많을수록 네트워크가 복잡하여 라디오나 무전기에 주파수 혼선이 생기듯이 혼선과 오류가 생길 위험도 있다. 시냅스 간의 간격이 달라지거나 수용체의 단백질 농도가 달라져도 전기신호 오류나 신호전달 물질 부족/과잉에 따라서도 오류가 발생하게 될 수도 있다. 신경전달에 신경전달물질인 호르몬을 사용하는 것은 좀 더 정확한 정보를 전달하는데 유용성이 있다. 신경에는 뇌 중추에서 하부조직에 명령으로 전달되는 원심성 신경과 피부와 같은 말단에서 뇌 중추로 감각 신호를 전달하는 구심성 신경으로 나눌 수 있다. 원심성인 운동신경의 경우는 중추신경에 신경세포체(Soma)가 있고, 반응하는 골격근까지 단 하나의 축삭으로 이어져 있어서 빠른 반사 신경의 작용이 가능하다. 만약, 눈에 이물질(異物質)이 날아 들어온다면 눈꺼풀은 반사적으로 닫히는데, 시각 자극을 뇌로 전달하고 중추신경이 작용하여 닫히는 시간은 불과 몇 미리~수백 미리 초(milli-second(ms), 1/1.000초)에 가능하다. 신경은 기능별로 대뇌, 척추와 중추신경계(Central Neural System, CNS), 피부와 같은 말단의 감각 수용기에서 받은 정보를 대뇌로 전달하는 감각신경과 대뇌, 척추에서 골근계로 운동 명령을 전달하는 운동신경으로 크게 나눌 수 있다. 

<전기신호로 전달되는 신경 세포>

전자가 마치 전깃줄로 이동하여 전기가 흐르듯이 신경 세포가 자극을 받으면 신경 세포의 축삭을 전깃줄처럼 이용하여 [그림 2] (a) 에서 보는 바와 같이 전자를 이동하여 신호를 전달한다. 신경 세포막의 외부는 양전하(Positive charge), 내부는 음전하(Negative charge)를 띄어서 내외부 전위차는 평소는 휴지기 상태에서 –70mV (-60∽-90mV)을 되다가 신경이 자극되면 신경 세포막에 있는 이온통로(Ion channel)가 열리면서 신경 세포 외부에 있는 Na+, Ca++ 양이온이 신경 세포 안으로 유입되어 신경 세포 내의 전하값이 +값인 양(Positive)으로 바뀌고, 계속 신경이 자극받으면 이온통로로 더 많은 양이온이 들어와서 신경 세포 내부의 전위값이 음전하에서 양전하로 바뀌는 역전하는 변위가 되면 활성 전위(Action potential)가 생기게 된다. 활성 전위는 자극을 받아들이는 부분뿐만 아니라 국지적 주변의 통로에 영향을 주어서 활성 전이가 합쳐서 일정 전위 이상이 되면 단일한 신경 세포에서 신호나 정보가 전달된다. 

신경 세포에서 신호를 받는 부위는 [그림 1]에 도시하듯이 핵이 있는 신경세포체(Soma)나 신경세포체에서 손가락 모양으로 나와 있는 수상돌기(Dendrite)에 전달하려는 신경 세포의 축삭 말단에 접촉하는 부위를 시냅스(Synapse)라 하고 이를 통해서 신호를 전달한다. 신경 세포 내에서 신호를 전달하기 위해서는 전기선 모양의 길게 뻗어 있는 축삭(Axon)을 통하는데, 핵에서 발생한 활성 전위를 전달하지만, 역방향으로 흘러가지 않게 방향성을 유지한다. 세포의 전위값이 신경전달물질(Neurotransmitter)로 양전하인 Glutamate가 유입되면 Na+이온이 [그림 3]의 (a) 와 같이 계속 증가하면서 탈분극(Depolarization)이 일어나서 강하게 신호가 전달된다. 반대로 신호전달 물질로 GABA(Gamma AminoButyric Acid)가 작용하여 Cl-이온통로로 들어가면 신호전달을 저해하는 반응이 일어나서 신경 세포막 전위를 낮추어 탈분극을 방해(Hyperpolaisation)하여 신호전달을 낮추거나 어렵게 한다. 

신경 세포가 신호를 전달하지 않는 휴지기에는 [그림 3]의 (b) 과와 같이 –70mV를 유지하고 그림 2의 (b) 와 같이 나트륨(Na+) 채널이 [그림 3] (a) 와 같이 열려서 세포막을 투과해서 들어가면 전기화학적 기울기가 바뀌면서 더 많은 채널이 열리면서 막 전위가 증가하면 탈분극(Depolarization) 일어나기 시작하고, –55mV 이상이 되면 활성 전위(Action potencial)의 자극의 한계점(Threshold of excition)을 지나고 계속 나트륨이온이 세포 내로 이동하여 증가하면서 탈분극이 되면서 정점인 +30mV까지 올라간다. 탈분극의 정점이 되면 나트륨 채널이 닫히면서 나트륨이온이 이제는 세포 내로 들어오지 않고, 세포 밖으로 활발하게 운반된 다음, 세포의 내부 막에 있는 개폐형 칼륨 (K+)채널이 활성화되어서 세포막 내부 칼륨이 내부에서 외부로 빠져나가서, 양극을 띄던 세포 내부는 재분극(Repolarization)이 되면서 급격하게 막 전위가 떨어져서 –55mV 이하로 떨어진다. 활성 전위가 신경 세포를 떠나는 여분의 칼륨 이온으로 –70mV 이하로 떨어지면서 과 분극(Hyperpolarization)이라는 일시적 부정적 변화가 발생하다가 다시 휴지기인 –70mV를 유지되고 이런 반응이 반복되면서 신호가 전달된다. 신경 세포에 자극이 생기면, 이런 활성 전위의 차이가 생겨서 신경 세포는 자극받은 신호를 다른 신경으로 옮겨서 중추신경에서 말초신경, 말초신경에서 중추신경으로 신호를 전달할 수 있다. 신경에서 감지한 모든 신호가 전달되는 것은 아니고, 일정 이상의 활성 전위가 생긴 것만이 신경 신호로 전달되어 미미한 반응으로 일어난 신호는 무시하고 어느 정도 이상의 자극이 있는 신경 신호가 전달된다. 실제적 예를 들면, 손에 뜨거움을 느끼는 것도 전달되는 온도가 어느 정도 이상의 자극이 되어야 신경을 자극하여 뜨거움에 반응한다. 결국, 자극의 합이 적어도 자극 한계점을 넘는 활성 전위 이상은 되어야 신경에 전달되고, 자극 정점의 활성 전위가 높을수록 강하게 반응하는 신호가 전달된다. 만약, 아주 미세한 변화에도 신경이 전달된다면, 너무 민감하여 모든 아주 작은 반응에도 일일이 반응하면 인간은 생활하기가 어려울 것이다. 이런 활성 전위차를 이용하여 신호를 전달하는 뇌 신경을 모사한 것이 바로 현재 가장 주 관심사가 되는 과학기술인 인공지능이다. 인공지능이 빠르게 판단할 수 있는 것은 여러 가지 전달되는 활성 전위를 컴퓨터에 빠른 계산능력으로 계산하여 활성 전위의 크기를 판단하여 전달할 것인지, 무시할 것인지를 판단하고 인간이 요구하는 질문에 대한 답을 만드는 것이다. 컴퓨터의 엄청난 기억/계산능력은 인간의 능력을 이미 추월해서 한꺼번에 많은 경우의 수를 선정하고 아주 빠른 계산능력으로 전달할 것인지, 무시할 것인지를 판단할 수 있어서 인공지능을 유용하게 사용할 수 있다.

<연결체(Connectome)>

신경계의 신경망 전체의 연결을 나타낸 지도를 “연결체(Connectome)”라고 하고, 인간의 연결체는 아직은 전혀 모르고 있지만 간단한 생물인 예쁜 꼬마선충의 뇌 연결체는 1980년대 후반에 완성되었고, 2020년 초에는 초파리의 구더기의 연결체가 완성되었으며, 성충 초파리의 13만 개의 신경 세포와 5,000만 개 이상 시냅스가 어떻게 연결되어 있는지를 밝힌 뇌 회로도인 연결체를 과학 전문 저널 Nature(2024, 11.3) 지에 발표하여서 애벌레(구더기) 수준이 아닌 날아다니는 성충 초파리의 복잡한 뇌 회로도를 완성한 것의 의미는 아주 크다. 특히, 이번 Nature지 발표는 미국 프린스턴대 승현준 한국인 교수와 말라 머시 교수의 국제 팀(FlyWirw)이 발표[그림 4]하여 의미가 크다. 초파리 성체의 연결체의 뇌지도는 인간 뇌지도를 만드는 첫걸음이 될 것으로 전망하고 있다. 만약 인간의 뇌지도가 완성되어서 두뇌 작동의 원리를 밝히게 된다면, 아직 알츠하이머와 같이 치료 약이 없는 뇌 질환을 치료하는 신약이 개발은 물론 한층 이해가 높은 인간의 정신적 문제를 포함한 신경성 문제도 풀 수 있을 것으로 전망한다. 

인간의 뇌는 신경 세포(Neuron)가 약 1,000억 개로 초파리 성체에 약 75만 배 이상으로 크기(1,000억/13만=769,230) 때문에 적어도, 신경 세포가 연결된 인간 뇌의 시냅스가 100조 개 이상의 그물망 구조로 추정하여, 끝없이 넓게 존재하는 작은 우주라고 말할 정도로 복잡하다. 따라서, 중요한 인간의 연결체는 인간 뇌는 워낙 복잡하여 연결체는 물론 심지어 신경수가 몇 개인지도 아직 추정할 정도이어서, 인간유전체를 발표한 후 인간에 대해서 모든 것을 아는 것처럼 이야기한 것이 부끄러울 정도로 이런 분야는 아직 시작조차 못 하고 있다. 하지만 무한히 빠르게 발전하고 있을 것으로 예상하는 인공지능의 엄청난 능력을 동원한다면, 인간의 뇌지도를 만들 수 있을 날이 머지않을 것(30년 이내?)으로 전망한다고 전문가들은 말하지만 작은 우주라는 뇌의 복잡함을 표현할 정도이니 아직은 지켜보아야 할 정도이어서 예단조차 어려운 것이 현실이다. 

<맺는말>

혈액은 인체의 모든 조직에 연결되어서 에너지를 만들 수 있는 영양분과 산소를 공급하고, 이산화탄소와 폐기물은 운반하여 제거하는 역할을 하므로 모든 인체 조직의 반듯이 연결되어야 하기에 사람의 총 혈관 길이는 10만 km로 추정하고, 중추신경에서 말단 신경까지의 총길이는 혈관 길이보다 약간 긴 약 12만 km로 추정하고 있다. 아무튼 인간의 뇌에만 1,000억 개의 신경 세포가 100조 개 이상의 그물망으로 구조를 하고 있어서 엄청나게 길 것으로 추정한다, 혈액이 도는 속도는 10만 km를 불과 20~40초 정도 걸리는데, 신경은 추정하기 힘든 길이를 거의 빛의 속도로 빠르게 반응할 수 있다. 컴퓨터의 엄청난 기억용량으로 세계 각지에서 발생하는 많은 빅데이터 자료로 자극에 대한 신경 신호가 전달하는 활성 전위를 순식간에 계산할 수 있다고 추정한다. 하지만, 인공신경망(Artificial neural network, ANN)을 사용하여 100조개에 달하는 뇌 신경의 상관관계를 나타내는 뇌 신경 연결체(Connectome)는 인간의 능력으로 거의 불가능하지만, 긍정적으로 인공지능은 가능할 것으로 생각한다. 하지만, 이미 알고 있는 사실은 올바른 심층 학습 (Deep Learning)으로 훈련한 인공지능은 뇌보다 빠르게 결론을 내리지만, 데이터가 부족하여 올바른 심층 학습이 가능하지 않을 때는 어려운 것으로 생각한다. 아직 1.5kg에 불과한 뇌의 신경 연결체는 물론이고 정확한 신경 세포의 수나 연결된 시냅스의 수조차도 전혀 예상할 수 없는 모호할 정도이어서 더 많은 연구가 필요하다. 하지만, 인공지능의 능력이 획기적 진전이 있고 뇌에 대해서 더 방대한 지식이 확보된다면 기대해 볼 수도 있다고 생각한다. 인체의 항상성을 유지하는 데는 물리적인 신경계와 화학적인 내분비계의 호르몬이 통합적으로 운영되고 있어서 신경계만 있는 인공지능보다 신경계와 내분비계 동시에 있는 인체가 조절하는 방식이 우월(?)할 것이라도 생각하여 본다. 신경계와 내분비계에 대한 좀 더 많고 깊은 연구 결과가 도출되어서 지금까지 밝혀지지 않는 미지의 세상이 열려서 인공지능을 지배하는 인간이 인공지능을 이용하여 풍요로운 삶과 삶의 질이 높아지길 기대한다.

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