신경계의 발달

다윈의 진화론과 자연 선택

1859년, 영국의 저명한 생물학자 찰스 다윈(Charles Darwin)은 그의 획기적인 저서 종의 기원을 발표했다. 이 저서는 진화론을 제시하며, 모든 생물이 공통의 조상에서부터 진화해왔다는 이론을 담고 있다. 다윈은 종 간의 차이가 "자연 선택"이라 불리는 과정을 통해 나타난다고 설명했다. 생식 과정에서 자손은 부모와는 다른 신체적 특성을 가질 수 있다. 만약 이러한 특성이 생존에 유리하다면, 그 자손은 생존할 가능성이 높아지고, 결국 후손에게 이러한 유리한 특성을 전달할 확률이 높아진다. 많은 세대를 거치며 이러한 과정은 현재의 종들을 구분 짓는 특성, 예를 들어 바다표범의 지느러미, 개의 발, 라쿤의 손과 같은 특징의 발달로 이어졌다.

이 혁신적인 이론은 생물학 분야를 근본적으로 변화시켰다. 오늘날 인류학부터 분자 유전학에 이르기까지 다양한 분야에서의 과학적 증거는 자연 선택에 의한 진화론을 강력히 뒷받침하고 있다. 다윈은 행동 또한 진화할 수 있는 유전적 특성으로 간주했다. 예를 들어, 그는 많은 포유류가 두려움을 느낄 때 비슷한 반응을 보인다는 점에 주목했다. 동공이 확장되고, 심장이 빨리 뛰며, 털이 곤두서는 반응은 인간뿐만 아니라 개에게도 똑같이 나타난다. 다윈은 이러한 유사한 반응 패턴이 서로 다른 종들이 동일한 행동적 특성을 지닌 공통 조상에서 진화했음을 의미한다고 결론지었다. 이러한 반응은 아마도 포식자로부터 도망치는 데 유리했기 때문에 생존에 도움이 되었을 것이다.

행동이 신경계 활동에서 비롯되기 때문에, 이러한 두려움 반응을 일으키는 뇌 메커니즘 또한 여러 종에서 유사하거나 동일할 가능성이 높다. 다양한 종의 신경계가 공통 조상에서 진화했으며, 유사한 메커니즘을 공유할 수 있다는 생각은 동물 실험 결과를 인간 연구에 적용하는 데 있어 근거가 된다. 예를 들어, 신경 섬유를 따라 전기 신호가 전달되는 방식에 대한 세부 사항은 처음에는 오징어를 통해 밝혀졌으나, 이후 인간에게도 동일하게 적용된다는 것이 밝혀졌다.

오늘날 많은 신경과학자들은 인간에 대한 연구를 위해 동물 모델을 사용한다. 예를 들어, 쥐는 반복적으로 코카인을 자가 투여할 기회가 주어질 경우 뚜렷한 중독 증상을 보인다. 이러한 이유로 쥐는 신경계에 마약성 약물이 어떤 영향을 미치는지 이해하기 위한 연구에서 매우 중요한 모델로 활용된다. 반면, 특정 행동적 특성은 종이 사는 환경이나 생태적 틈새(niche)에 따라 고도로 특화되어 있다. 예를 들어, 나뭇가지에서 나뭇가지로 이동하는 원숭이는 뛰어난 시각을 가지는 반면, 지하 터널을 탐색하는 쥐는 시각이 발달하지 않았지만, 코와 수염을 이용한 고도로 발달된 촉각을 가지고 있다. 이러한 적응은 각 종의 뇌 구조와 기능에도 반영되어 있다.

다양한 종의 뇌 특화를 비교함으로써, 신경과학자들은 뇌의 어떤 부분이 특정 행동적 기능을 담당하는지 밝혀낼 수 있었다.

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뉴런: 뇌의 기본 기능 단위

세포와 뉴런의 발견

19세기 초, 현미경 기술의 발전은 과학자들이 동물 조직을 이전보다 훨씬 높은 배율로 관찰할 수 있게 했다. 1839년, 독일 동물학자 테오도어 슈반(Theodor Schwann)은 모든 조직이 세포라고 불리는 미세 단위로 이루어져 있다는 "세포 이론"을 제안했다. 뇌에서의 세포는 이미 확인되고 묘사되었지만, 당시에는 개별적인 "신경 세포"가 실제로 뇌 기능의 기본 단위인지에 대한 논쟁이 있었다.

 

 

신경 세포는 중심 세포체에서 뻗어나가는 가늘고 긴 돌기를 특징으로 한다. 초기 과학자들은 이러한 돌기들이 혈관처럼 서로 연결되어 하나의 연속적인 네트워크를 형성하는지 여부를 알지 못했다. 만약 그렇다면, 이 “신경망”이 뇌 기능의 가장 기본 단위를 나타낼 것이라고 생각했다. 그러나 1900년경에는 뉴런이라 불리는 개별 신경 세포가 신경계의 기본 기능 단위로 확립되었다.

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현대 신경과학

뇌 연구의 지속적인 진화

현대 신경과학은 여전히 발전 중이며, 지금까지의 성과는 연구의 기반을 형성하고 있다. 이 교재는 신경과학의 최신 발전 사항을 다룰 것이며, 그 전에 뇌 연구가 어떻게 이루어지고, 왜 사회적으로 중요한지에 대해 살펴볼 것이다.

환원적 접근법과 분석 수준

뇌를 이해하는 일은 대단히 복잡한 도전 과제이다. 이를 해결하기 위해 신경과학자들은 문제를 더 작고 관리 가능한 구성 요소로 나누어 체계적으로 연구하는 "환원적 접근법"을 사용한다. 이러한 과정은 분석의 수준으로 정의되며, 각 수준은 분자, 세포, 시스템, 행동, 인지라는 점진적으로 복잡해지는 순서를 따른다.

• 분자 신경과학
  뇌는 신경계에 특화된 다양한 분자로 구성되어 있으며, 이러한 분자들은 뇌 기능에 있어 중요한 역할을 한다. 예를 들어, 뉴런 간의 의사소통을 가능하게 하는 신호 분자, 뉴런으로의 물질 출입을 조절하는 경비병 역할의 분자, 뉴런의 성장을 조율하는 지휘자 역할의 분자 등이 있다. 이러한 기본적인 수준에서 뇌를 연구하는 학문은 분자 신경과학이라 불린다.
• 세포 신경과학
  세포 신경과학은 여러 분자가 협력하여 뉴런에 특수한 기능을 부여하는 방식을 연구한다. 이 수준에서 연구자들은 뉴런의 유형과 기능적 차이, 뉴런이 다른 뉴런에 영향을 미치는 방식, 태아 발달 동안 뉴런이 어떻게 연결되는지 등을 탐구한다.
• 시스템 신경과학
  뉴런 집단은 시각이나 운동과 같은 공통된 기능을 수행하는 복잡한 회로를 형성한다. 이는 “시각 시스템”이나 “운동 시스템”처럼 뇌 내의 특정 회로를 지칭한다. 시스템 신경과학은 이러한 신경 회로가 감각 정보를 분석하고, 외부 세계를 인지하며, 결정을 내리고, 행동을 실행하는 방식을 연구한다.
• 행동 신경과학
  행동 신경과학은 서로 다른 신경 시스템이 어떻게 통합되어 행동을 만들어내는지 연구한다. 예를 들어, 기억의 다른 형태가 서로 다른 시스템에 의해 설명되는지, 마약성 약물이 뇌의 어느 부위에 작용하는지, 특정 성별에 특화된 행동을 담당하는 신경 시스템이 무엇인지와 같은 질문을 다룬다.
• 인지 신경과학
  인지 신경과학은 자아 인식, 상상력, 언어와 같은 고차원의 인간 정신 활동을 담당하는 신경 메커니즘을 이해하는 데 초점을 맞춘다. 이 연구는 뇌의 활동이 어떻게 마음을 만들어내는지 탐구한다.

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신경과학 연구의 중요성

이처럼 다양한 분석 수준을 통해 신경과학자들은 뇌라는 놀라운 기관의 비밀을 하나씩 풀어가고 있다. 이러한 연구를 통해 얻어진 통찰은 과학적 이해를 확장할 뿐만 아니라, 인간의 건강과 복지를 개선하는 의학적, 기술적 혁신에도 기여하고 있다.