I. 과거의 뇌 연구

## 목차 

I. 과거의 뇌 연구 (뇌 배경지식)

[1] 두뇌영역이론

- 피니어스 게이지의 사례 (전두엽손상/인격변화)

- 브로카와 베르니케 연구 (브로카, 베르니케 영역과 실어증)

[2] 전기신호를 통한 정보전달, 뉴런

- 리차드 카톤의 연구 (뇌파의 발견)

- 골지와 카할의 연구 (뉴런의 발견)

- 구스타프 프리치의 연구 (운동피질의 발견)

- 와일더 펜필드의 연구 (감각피질과 운동피질의 발견)

I. 과거의 뇌 연구

 

뇌 연구는 역사적으로, 뇌 손상을 겪은 사람들의 변화를 관찰함으로서 이루어졌다. 사고로 인해 뇌의 특정 부위가 손상된 환자들이 어떻게 변했는지 분석함으로서 뇌의 각 영역이 평소 어떤 기능을 하는지 알아낼 수 있었다.

하지만 기술적 한계로 인해 뇌 손상이 있는 사람이 죽기 전까지는 정확히 어느 부위에 손상을 입었는지 알 수 없었다. 사람이 죽은 뒤에 그 뇌를 꺼내서 부검하는 것이 유일한 연구 방법이었다. 그 결과 20세기 초까지 뇌에 대한 연구는 극히 적은 양에 불과했다.

이후 신경과학이 발전하면서 뇌의 정보전달이 전기신호를 통해 이루어짐이 알려지고, 전자기 기술이 향상되어 뇌 특정 부위의 활성도를 정량적으로 측정가능해지면서 뇌 연구는 활발하게 이루어졌다.

 

 

[1] 19세기 : 두뇌영역이론의 등장

=> 뇌의 각 부위마다 서로 다른 기능을 가진다

 

19세기 후반 두뇌 영역 이론은 두뇌 통합 이론과 대립하고 있었다. 영역 이론이 두뇌의 활동이 영역별로 이루어진다고 주장하는 데 비해서, 통합 이론은 두뇌 전체가 특정 기능을 위해 작동한다고 주장한다. 게이지의 사례와 브로카, 베르니케의 연구를 통해 두뇌 영역 이론이 득세하게 되고, 뇌의 특정 부위가 정해진 기능을 수행함이 알려진다.

 

(1) 피니어스 게이지의 사례 (전두엽 손상과 인격 변화)

역사적으로 가장 유명한 뇌손상 환자는 아마 피니어스 게이지(Phineas P. Gage, 1823~ 1860.5.21.)라는 사람일 것이다. 피니어스 게이지는 철도레일을 놓는 공사장에서 일하는 간부였고, 주 업무중 하나는 커다란 바위에 구멍을 뚫어 폭발물을 설치한 뒤 바위를 부수고 제거하는 일이었다. 이 작업에는 바위에 뚫은 구멍에 화약을 채우고, 퓨즈를 달고, 커다란 강철봉을 이용해 모래를 채우는 일들이 수반된다. 그러던 어느날 게이지는 구멍에 모래를 붓는 작업을 잊어버렸고, 발파공을 충전시키려고 했을 때 강철봉이 바위와 부딪쳐 불꽃을 일으키고 말았다. 이 폭발로 강철봉은 게이지의 머리를 뚫고 지나갔고 그는 약 27m나 날아갔다고 한다. 강철봉은 왼쪽뺨과 두개골을 뚫고 지나갔다.

기록에 따르면 게이지는 즉사할만한 상황이었음에도 불구하고 의사가 도착했을 때 의식이 있었다. 부상으로부터 회복한 이후 게이지는 바로 일터로 돌아갔다.

게이지의 담당의사였던 할로우(J.M. Harlow) 박사에 따르면, 그는 평소 부지런하고 책임감 있는 사람이었다고 한다. 하지만 사고이후 인격은 급격히 바뀌었다. 게이지는 변덕스러웠고, 불순했고, 버릇없이 굴었으며 종종 매우 불경스러웠다. 미래를 위해 많은 계획을 궁리했으나 전혀 정리되지 못했고, 지적능력과 표현능력은 크게 저하되었다.

 

- 게이지가 사고로 인해 손상된 부위는 감정과 사고를 담당하는 전두엽이었고, 이후 전두엽의 손상이 인격의 변화를 가져다준다는 대표적인 사례로 많이 인용되었다. 그의 사례는 행동장애와 두뇌 손상이 매우 밀접한 연관이 있음을 알려주었고, 두뇌의 각 부분이 인간의 생각과 행동을 분야별로 제어할 수 있음을 암시했다.

 

 

(2) 브로카와 베르니케의 연구 (브로카영역, 베르니케 영역 손상과 실어증)

그림

http://brain.brainworld.com/front/page/BrainKeek/TemporalLobe.aspx?menu=6&category=Keek

 

1) 브로카 실어증

프랑스의 외과의사이자 신경해부학자였던 폴 브로카(Pierre Paul Broca)는 1861년 자신이 몇 년 동안 진료해오던 환자(Louis Victor Leborgne)의 뇌를 부검했다. 이 환자는 ‘탄’이라는 말만 할 수 있었기 때문에 ‘탄’이라는 별명으로 불리던 사람이었다. 부검 결과, 대뇌피질 좌측반구의 특정 부위가 손상된 것을 발견했다. 이후 브로카는 언어가 상실되거나 손상된 실어증(Aphasic) 환자를 여럿 관찰하고 그들이 죽은 후 뇌를 부검했는데, 모두 뇌의 비슷한 부위가 손상되어 있었다. 브로카는 이들 사례를 토대로 대뇌피질 왼쪽 반구의 특정 영역에서 음성언어를 담당한다고 주장했다.

 

브로카 영역은 ‘말하기’ 기능을 수행하는 영역이다. 좌측 전두엽에 위치해있다. 브로카 영역은 전두엽의 운동피질에서 입과 입술을 조절하는 영역과 인접해 있어서 브로카 영역이 손상되면 말을 알아듣거나 읽을 수는 있지만 말하는 데는 어려움을 겪는 ‘브로카 실어증’이 나타난다. 브로카 실어증은 말하거나 글을 쓸 때 언어를 생성하는 능력이 상실되는 질환으로 표현성 실어증 (Expressive aphasia/non-fluent aphasia)이라고도 한다. 질문을 수용하고 이해할 수 있지만, 단어를 종합해서 문장으로 표현하는 능력이 부족하기 때문에 느리고, 쉼이 길게 단어위주로 말하는 듯 보인다.

 

*첨언

말하기 직전에 브로카 영역의 활성은 매우 컸지만 직접 소리내어 말하는 동안에는 활성이 없었다고 한다. 이는 감각 신호를 받아들여 조직화하는 측두엽 피질(temporal cortex)과 입 동작을 제어해 발성하게 하는 운동 피질(motor cortex) 사이에서, 브로카 영역은 일종의 중개자이자 조정자로서 소리 내어 말하기 이전에 말하기 문장을 계획하는 과정에서 중요한 구실을 한다는 것이다. 전두엽은 정보를 종합해 미래를 계획하거나 생각을 정리하는데 핵심적인 역할을 수행하는 것으로 알려져 있다.

 

(브로카 실어증을 겪는 사람들이 말하는 방식)

https://www.youtube.com/watch?time_continue=79&v=6zNKz7YoUao

 

2) 베르니케 실어증

1874년 독일의 신경병리학자인 칼 베르니케는 브로카 영역과는 다른 대뇌 좌반구의 손상에 의해 정상 언어기능에 장애가 생긴 사례를 발표했다. 대뇌의 측두엽 상부 표면에 위치하는 베르니케 영역은 청각피질 바로 뒤쪽에 위치한다.

베르니케 영역은 ‘알아듣기’ 기능을 수행하는 영역이다. 베르니케 영역에 문제가 생기면 ‘베르니케 실어증’이 나타난다. 베르니케 실어증은 글이나 말로 표현된 언어를 이해하지 못해 발생하는 실어증으로 수용성 실어증(Receptive aphasia/sensory aphasia)라고도 한다. 얼핏 말을 유창하게 하는 것처럼 들리지만 그 내용이 이치에 맞지 않고, 다른 사람이 하는 말도 내용을 이해하지 못한다.

 

(베르니케 실어증을 겪는 사람들이 말하는 방식)

https://www.youtube.com/watch?time_continue=25&v=3oef68YabD0

 

 

브로카와 베르니케의 연구는 두 가지 중요한 결론을 암시한다.

첫째, 대뇌 좌반구가 언어기능을 수행하는데 있어서 매우 중요하다.

둘째, 언어 인지능력과 언어 표현능력을 지닌 부위는 서로 다르다.

 

즉, 뇌의 각 부분마다 특정한 기능을 수행한다는 점을 명백히 알려주었다.

 

 

[2] 19세기~20세기 : 전기신호를 통한 정보전달의 발견과 뉴런의 발견

=> 뇌의 모든 부분은 신경세포(뉴런)로 구성되어있으며 전기신호를 통해 정보를 전달한다.

전기 뱀장어, 전기 가오리 등 전기를 발생시키는 생명체들이 발견되면서 생명체 내에 전류가 발생할 수 있음은 일찍이 알려져 있었다. 이후 18세기 후반에 갈바니(L. Galvani)가 개구리의 다리 근육에 전류가 흐르면 근육이 수축함을 발견했고, 생체에 전류가 흐르는 현상은 특정한 생물에 제한되어있지 않고 일반적인 생체현상의 일부로서 존재한다는 것이 알려졌다. 즉, 생체 내에 전기신호를 통해 움직임이 조절됨이 알려진 것이다.

 

(3) 리차드 카톤의 연구 (뇌파의 발견)

리차드 카톤(Richard Caton)은 1875년 갈바노미터(검류계)를 사용하여 토끼와 원숭이의 뇌에서 전류를 검출하였다. 신경을 지나는 것은 액체가 아니라 전기임이 실증된 것이다. 즉, 전기펄스가 신경을 통해서 전달되어 근육을 움직인다는 사실이 밝혀졌다.

리차드 카톤이 뇌에서 발생하는 전기적 신호를 측정하고 뇌파(뇌의 활동으로 일어나는 전기적 파동)를 발견한 이후, 아돌프 백(Adolf Beck)에 의해 동물이 빛에 노출되면 뇌파의 주파수가 변화하는 것이 밝혀져 뇌의 활동과 뇌파에 연관성이 있다는 증거를 얻는다. 이어, 1924년 한스 베르거(Hans Berger)가 인간의 뇌파를 처음 기록했다.

- 뇌파(brain wave)는 뇌전도(electroencephalography, EEG)라고도 불리며 신경계에서 뇌신경 사이에 신호가 전달될 때 생기는 전기의 흐름이다.

 

 

(4) 골지와 카할의 연구 (뉴런의 발견)

- 골지가 관찰한 뉴런의 모습

신경세포(뉴런)는 19세기 후반(1873년) 골지(Camillo Golgi)에 의해 발견되었다. 그동안 신경세포는 기술적인 문제로 관찰할 수 없었는데, 골지는 뉴런을 염색할 수 있는 골지 염색법을 발명해 뉴런의 구조를 밝혀냈다. 핵을 포함하는 부풀어 있는 부분은 세포체(cell body), 여기서부터 뻗어나가는 가느다란 돌기들은 역할과 모양에 따라 축삭(axon)이나 수상돌기(dendrite)라고 부른다.

- 카할이 관찰하고 그림으로 그린 뉴런의 연결 구조

골지 염색법을 이용해 수많은 동물들 뇌의 여러 부위에 대한 신경망을 연구한 카할(Santiago Ramón y Cajal)은 뇌의 모든 부분이 뉴런을 구성단위로 함을 알아냈다. 그리고 뉴런학설(Neuron Doctrine)을 주장했다. 뉴런학설이란 뉴런이 기본 구성단위이고, 뉴런들은 서로 연속적인 형태가 아니라 임의적인 형태로 결합함을 주장한 학설이다. 또한 카할은 뉴런세포들 사이에 존재하는 시냅스, 그리고 신경전달물질에 대해서도 밝혀내었다.

 

 

(5) 구스타프 프리치의 연구 (운동피질의 발견)

 

구스타프 프리치와 에두아르그 히치그는 대뇌피질에 가한 전기자극이 신체 부위를 움직이게 만든다는 것을 발견했다.

구스타프 프리치(Gustav Fritsch)는 1864년 전쟁 중 머리를 다친 병사들(두개골이 부서져서 뇌가 드러날 정도로 다침)을 치료하다가 두뇌의 반쪽(왼쪽/오른쪽)에 약한 전기자극을 가하면 그 반대쪽 팔 다리에 경련이 일어난다는 사실을 알아냈다. 전두엽의 가장 뒷 부분 중에서 아치 모양의 특정 영역에 자극을 주었을 때만 움직임이 나타났다.

이들은 두뇌가 기본적으로 전기적 성질을 띠고 있으며, 좌뇌와 우뇌의 관할 구역이 분리되어있고 서로 반대편 몸의 움직임을 이끌어낸다는 것을 발견했다. 오늘날 운동피질(motor cortex)라고 불리는 영역을 발견한 것이다.

 

 

(6) 와일더 펜필드의 연구

(감각피질과 운동피질의 발견, sensory homunculus& motor homonculus)

- 펜필드 지도. 대뇌피질의 각 부분과 신체부위의 대응 관계를 보여준다. 그림에서 나타난 각 신체부위의 크기는 대뇌피질이 관련하는 정도를 나타낸다.

 

1920년대에 이르러 신경외과 의사 와일더 펜필드(1891~1976)는 의식 있는 뇌전증(=간질) 환자들의 뇌를 수술 전에 전기 자극으로 검사하는 연구를 했다. 약물로 치료되지 않는 환자를 치료하는 마지막 수단인 외과수술을 할 때는 먼저 발작을 일으키는 뇌 조직을 세심히 진단할 필요가 있다. 중요한 기능을 수행할지도 모르는 주위 조직이 수술로 손상되지 않아야 하기 때문이다.

펜필드는 이들 환자에게 발작을 일으키는 영역과 그 주위를 전기적으로 자극했다. 진단이 이뤄지는 동안 환자들은 의식이 있었기 때문에 자극의 효과를 의사에게 알릴 수 있었다. 이런 과정을 거치면서 펜필드는 감각과 운동 기능에 관여하는 뇌 영역 지도를 그릴 수 있었다. 그는 대뇌피질의 특정 부분에 전기적 자극을 주면 각기 다른 신체부위가 반응함을 이용해 운동피질과 감각피질의 지도를 작성했다.

 

- 와일더 펜필드는 대뇌피질 호문쿨루스(cortical homunculus) 개념을 처음 도입했다. 대뇌 피질 호문쿨루스란 일정한 자극에 대한 감각이나 운동의 세기를 신체부위의 크기로 대응시킨 모형이다. 즉, 크게 나타난 신체부위는 감각 신경이나 운동 신경이 예민한 정도가 큼을 의미한다. 이는 감각 호문쿨루스(sensory homunculus)와 운동 호문쿨루스(motor homunculus)로 나뉜다.

 

 

 

 

** 본인만의 호문쿨루스 만들기 (체험활동)

- Two point discrimination을 이용해서 신체 부위별 감각기관의 예민한 정도를 측정할 수 있다.

- 이를 토대로 각 부위별로 scale을 맞추어 스케치한 뒤에 수합해서 2D 호문쿨루스를 만들 수 있다.

- sensory homunculus를 만들 수 있다.

http://www.brainfacts.org/~/media/Brainfacts/Article%20Multimedia/Educator%20Section/Olson%20Handout.ashx