[뇌] 뇌의 구조

뇌는 우리 몸의 중추신경계를 관장한다. 또한 우리 몸의 움직임과 행동을 관장하고 신체의 항상성을 유지시키며 인지, 감정, 기억, 학습기능을 담당하고 있다.

 

성인 뇌 무게는 1.4~1.6kg 정도이며 뇌를 구성하는 최소단위는 뉴런이라는 신경세포이다. 뇌는 두개골과 뇌척수막에 쌓여있으며 뇌의 아래는 척수와 연결되어 있고 그 안은 뇌척수액이 흐르고 있다. 뇌는 형태와 기능에 따라 대뇌, 소뇌, 뇌줄기(뇌간)로 나뉘며, 뇌줄기를 좀 더 세분화하면 중간뇌, 다리뇌(교뇌), 숨뇌(연수)로 분류할 수 있다.

 

1. 대뇌
대뇌(大腦, 라틴어: Cerebrum)는 뇌의 일부로 대뇌 좌우 반구의 대뇌피질과 피질밑 구조(기저핵, 시상, 해마, 후각 망울등)를 포함하는 영역이다. 사람에게 대뇌는 중추신경계의 가장 상위 영역이다. 운동, 감각, 감정, 언어, 기억 및 판단 등 고등 정신 기능을 한다. 대뇌 또는 전뇌를 끝뇌(telencephalon)로 언급하는 경우는 개체발생학적으로 배아의 발생 과정에서 대뇌가 후뇌와 중뇌의 발생 및 발달단계에 이어 최종단계에서 발현하는 구조에 기원한다. 포유동물의 등 쪽 끝뇌 혹은 겉질(pallium)은 대뇌피질이 되고, 배 쪽 끝뇌 혹은 아래겉질(subpallium)은 기저핵이 된다. 대뇌는 거의 대칭적인 좌우 반구로 나뉜다

 

대뇌는 뇌에게 가장 큰 부분이다. 뇌줄기의 꼭대기나 앞에 있으며 사람에게는 뇌에서 가장 크고 발달한 부분이다. 대뇌는 계통학적으로 가장 나중에 발달한 구조로 포유류가 다른 종에 비하여 가장 크고 잘 발달한 대뇌를 갖는다. 포유류에게만 대뇌 피질이 있다. 큰 포유류의 경우에 대뇌 피질은 많은 고랑(뇌고, sulcus)과 이랑(뇌회, gyrus)으로 이루어져 있어 부피 대비 표면적을 늘렸다.

사람의 경우 대뇌는 진화적으로 오래된 부위를 감싸고 있다. 변연계, 후각계, 운동계는 대뇌에서 뇌줄기와 척수로 신경섬유를 뻗는다. 인지와 의지 기능은 대뇌에서 시작하여 시상과 중뇌의 특정 영역에 이르는 회로를 통하여 일어난다. 대뇌의 신경 네트워크는 사회적 상호작용, 생각, 판단, 학습, 작업 기억, 그리고 인간의 경우 발화와 언어를 포함하는 복잡한 기능을 가능하게 한다.

 

대뇌의 표면에는 많은 주름이 있는데 다른 부분보다 돌출된 부분을 이랑(gyrus)이라 하고 주름져 안으로 들어간 부분을 고랑(sulcus)이라 한다. 대뇌는 이랑과 고랑의 모양에 따라 이마엽, 관자엽, 마루엽, 뒤통수엽 등으로 나뉘며 각각의 부위에 따라 수행하는 기능이 다르다. 이러한 대뇌의 영역의 구분은 두개골의 조각들과 일대일대응해 볼 수 있다.

 

대뇌피질(Cerebral cortex): 대뇌의 가장 표면에 위치하고 있으며, 기억, 집중, 사고, 언어, 각성, 의식 등 중요 기능을 수행한다.
전두엽(Frontal lobe): 대뇌에서 가장 큰 엽으로 운동기능과 언어기능 등을 담당한다.
측두엽(Temporal lobe): 대뇌의 양쪽 옆면에 위치하며, 청각 등의 기능을 담당한다.
두정엽(Parietal lobe): 대뇌의 윗부분에 위치하며, 감각신호를 이해하고 해석하는 기능이 있다.
후두엽(Occipital lobe): 대뇌의 뒷면에 위치하는 엽으로 시각기능에 관여하는 시각겉질(visusal cortex)이 위치해 있다.

 

[대뇌의 주요 기능]

o 운동
대뇌는 신체 운동 중 의식적이고 의지적인 운동을 담당한다. 일차 운동 피질과 기타 전두엽 운동 영역 운동에 대한 계획이 수립된다. 일차 운동 피질에 있는 상위 운동 뉴런은 축삭을 뇌줄기와 척수로 보내 하위 운동 뉴런과 시냅스를 형성하고, 하위 운동 뉴런은 근육에 자극을 준다. 대뇌 피질의 운동 영역이 손상되면 전체적으로 마비되기보다는 근력이 감소하고 운동의 정확성이 떨어진다.

 

o 감각정보 처리
일차 감각 피질은 연합 피질 영역과 연합하여 시각, 청각, 몸감각, 미각, 후각 정보를 받아들이고 각 감각을 합성하여 개체를 둘러싼 환경에 대한 지각을 만들어낸다. 사람 뇌의 체성순서적 배열 (Somatotopic organization)에 따라 모형으로 나타낸 호문쿨로스 (Homunculus)가 있다. 호문쿨로스는 각각의 피질영역의 크기와 감각을 느낄 수 있는 능력에 따른 비율을 표현한 모형이다. 예를 들면 다리와 비교했을 때 상대적으로 다양한 재주를 갖고 있는 손은 피질영역의 더 큰 영역을 차지한다.

 

o 후각

척추동물 대부분은 대뇌의 상당 부분을 냄새 감각을 담당하는 후각 망울이 차지하고, 그와 달리 사람은 전두엽 아래에 일부만을 차지한다. 다른 감각 수용체는 시상을 거쳐 각 감각 피질로 감각 정보를 보내지만, 후각 망울은 직접 축삭을 후각 피질로 보낸다. 후각 망울이 손상되면 냄새를 맡는 감각을 잃는다.

 

o 언어전달

말하기와 언어 능력은 주로 대뇌 피질의 여러 부분에 걸쳐 있다. 발성 등 운동 기능은 전두엽의 브로카 영역(Broca's area)에서, 이해 등의 기능은 측두엽과 두정엽의 연결 부분인 베르니케 영역(Wernicke's area)이 주관한다. 두 영역은 활꼴 신경다발(arcuate fasciculus)이라는 백색질 조직으로 연결되어 있다. 브로카 영역이 손상되면 생각하고 있는 내용을 말로 표현하는 기능에 장애(표현언어상 실증)가 생기게 되고, 베르니케 영역이 손상되면 말은 유창하지만 들은 내용을 이해하고 해석하는 기능에 장애(수용성언어상실증)가 생긴다

 

o 학습과 기억

사실적이고 서술적인 기억은 해마와 중앙 측두엽에서 담당한다. 복잡한 운동 활동같이 내재적이고 과정적인 기억은 기저핵에서 담당한다. 단기 기억이나 작업 기억에는 해마와 연합피질, 특히 등쪽가쪽 전전두피질이 관여한다. 30세에서 99세까지의 뇌 MRI사진을 비교해 보면, 노화함에 따라 기억력과 관련된 해마에서의 퇴화가 뇌 회백질의 어느 부위보다 가장 빠르게 가속화되어 나타난다

 

2. 소뇌

소뇌(小腦, cerebellum)는 척추동물 대부분의 후뇌에서 도드라게 관찰되는 뇌의 일부분이다. 대개 대뇌보다는 작지만, 코끼리과 동물과 같은 일부 동물들은 대뇌보다 소뇌가 더 큰 경우도 있다. 감각 인지의 통합과 근육의 조정과 제어에서 중요한 역할을 담당하는 것으로 알려져 있다. 그 이외에도 주의, 언어와 같은 인지 기능과 두려움 조절, 쾌락 반응 등에 관련되어 있는 것이 알려져 있다. 운동기능의 경우 운동 신호를 직접 내려주는 중추가 아닌, 척추를 통해 들어온 감각 정보와 기타 뇌 영역의 신호들을 종합하여 정밀한 운동기능을 수행하거나 협응 하여 수행한다.

해부학적으로는 대뇌 하부에 분리되어 존재한다. 불규칙적으로 분포한 대뇌 피질의 고랑들과는 다르게, 소뇌 피질의 고랑들은 서로 평행하여 규칙적으로 배열되어 있다. 소뇌 피질에는 여러 종류의 신경 세포가 규칙적으로 배열되어 있는데 그중 푸르키녜 세포와 과립세포가 특히 중요한 기능을 한다. 이들이 수행한 작업들은 대부분이 소뇌 중심부 백질에 위치한 소뇌심부핵을 통과해 다른 영역으로 전달된다.

 

[소뇌의 기능]

소뇌의 기능은 행동장애를 검사하는 과정에서 밝혀졌다. 소뇌가 손상될 경우 미세한 움직임 조절에 문제가 발생한다. 소뇌의 손상 여부를 알아보는 검사 중에는 팔을 양 옆으로 뻗은 후 양쪽 손가락이 만나는 데 걸리는 시간을 측정하는 방법이 있는데, 소뇌가 손상된 사람의 경우 손가락이 만나는 시간이 오래 걸리지만 소뇌가 건강한 사람의 경우 빠르게 손가락 끝이 닿는다. 1990년까지 소뇌의 기능이 운동조절로만 알려졌지만 이후 언어, 주의력 등의 새로운 기능이 밝혀졌다. 뇌 부위간의 관계연구에서 대뇌피질의 비운동부위와 소뇌가 상호작용을 발견했으며, 운동능력과 관련이 없는 환자들에서 소뇌의 손상이 확인되었다. Kenji doya는 "소뇌가 많은 수의 독립적인 구조들로 구성되어 있고 그 구조들은 기하학적이고 규칙적으로 이루어져있기 때문에 동일한 연산작용을 수행한다. 그래서 소뇌는 감정, 행동과 같은 서로 다른 특성을 조절할 수 있다"라 주장했다.

o 운동조절
소뇌의 작용은 골격근의 활동 조절을 하는 것이다. 어떤 운동을 할지, 그러기 위해서는 몇 가지 근육을 어떻게 사용해야 하는지에 대한 계획은 대뇌 피질의 전두엽(6영역)에서 세워지는데, 실제로 운동이 시작되고 나서 그 계획대로 여러 활동이 실현되도록 피드백 기구로 관여하는 것은 소뇌이다. 그래서 소뇌는 '추체 외로'라는 운동 명령 전달 경로에 관계하고 있다.
이 조절 양식은 두 가지로 크게 나눌 수 있다.
첫째는 주로 내이의 평형 감각 기관에서 오는 정보를 받아들여 몸의 중력과의 관계나 운동에 의한 가속도 변화 등에 대처하여 적절한 반사 운동을 하도록 조절하는 것이다. 평형 감각 기관에서 나온 전정 신경은 일부는 직접적으로, 일부는 교(橋) 등쪽에서 다른 신경과 결합한 뒤 소뇌 피질의 충부에 도달한다. 이 부분이 상처를 입으면 현기증이 나거나 몸의 평형이 깨진다. 또 이 부분에서의 명령은 교의 등쪽이나 연수의 신경핵 또는 망양체에 보내진 뒤 곧바로 척수로 하행하기 때문에 대뇌 피질 등이 관여할 여지는 거의 없으며, 조절은 완전히 무의식적으로 행해진다.
둘째는 골격근에 의한 수의 운동이 실행될 때 근육의 수축 정도나 각종 근육의 협력을 위한 조절을 하는 것이다. 이것은 다시 둘로 나뉜다. 하나는 근방추(筋紡錘)·건(腱) 방추 또는 근육 자체에서 그 활동 상태 정보를 받기 때문에 척수나 연수 등을 거쳐 소뇌 반구(신소뇌)의 전반부에 도달한다. 또 하나는 대뇌 피질·시상(간뇌) 등에서 운동의 목적이나 계획 등의 정보를 받아들이는 것으로, 교핵을 통해 소뇌 반구 후반부에 도달한다. 이 부분들이 손상을 입으면 걸을 때 비틀거리거나 손을 목적물에 곧바로 뻗을 수 없거나 한다. 이것을 '소뇌성 운동 실조'라고 한다.
소뇌 피질에서 내보내는 명령은 소뇌핵을 통해 주로 간뇌나 중뇌로 보내져 거기에서 추체 회로에 연락한다. 따라서 제1경로보다 복잡하며, 그만큼 다른 방면에서 정보가 개입할 여지를 남기고 있다. 또 소뇌핵에서는 대뇌 피질에도 간접적이나마 연락이 있으며, 조절 기구의 일부는 의식할 수 있다는 것을 나타낸다.

o 학습
소뇌는 운동학습에 중요한 역할을 하며, 행동을 개시하기 전 학습된 미세 움직임을 조절하는 역할을 한다. 하지만 미세조절을 하기 위한 운동학습을 소뇌가 직접 관여를 하는 것인지, 단지 뇌의 다른 부위에 운동학습에 대한 신호를 전달하는 것인지에 관한 여부는 정확히 밝혀지지 않았다.

 

3. 뇌줄기(뇌간)는 대뇌반구와 소뇌를 제외한 나머지 부분을 말하며 수많은 신경섬유로 구성되어 있다. 

 

4. 중간뇌는 몸의 균형을 유지하고 안구운동, 홍채조절과 같은 시각반사와 청각반사에 관여하게 된다. 

 

5. 다리뇌(교뇌) 중간뇌와 숨뇌 사이에 존재하며 소뇌와 대뇌 사이의 정보전달을 도와주고 얼굴과 눈을 움직임에 관여한다. 

 

6. 숨뇌(연수) 척수와 다리뇌 사이에 존재하며 호흡, 순환운동의 조절을 담당한다.