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2장 행동의 생물학적 기초
1.생물심리학이란
생물심리학(biological psychology)은 인간의 행동에 영향을 미치는 다향한 생물학적인 요인을 찾아내고 분석하며 궁극적으로는 인간의 정신화롱 전체를 신경 세포의 활동으로 환원하여 설명하고자 한다.
2.신경계의 기본 단위 : 뉴런
신경계를 이루는 세포는 여러 종류가 있는데, 그중 행동과 가장 밀접한 관련을 지닌 세포는 뉴런(neuron)이다.
신경계에는 이 외에도 뉴런의 역할을 보조하는 교세포(glia)가 있다.
뉴런의 특징
1. 빠르게 전기적 변화를 일으킬 수 있다. (흥분, 흥분성 때문에 정보전달이 가능)
2. 뉴런은 한번 손상되면 재생되지 않는다.
1)뉴런의 기본 형태
그림
o수상돌기(dendrite) : 다른 뉴런에서 신호를 전달받는 곳
o세포체(soma) : 유전정보를 지니는 세포핵(nucleus)을 갖는다.
세포로서의 대사 및 유지기능 수행
o축색(axon) : 신경 신호를 다른 뉴런에 전달.
그 끝은 여러 갈래로 분기하며 끝 부분을 종말단추(terminal button)라고 한다.
정보전달방향: 수상돌기 -> 세포체 -> 축색->종말단추
2) 뉴런의 기본 작동
뉴런의 내부와 외부에는 전기적 극성을 띠는 많은 이온 존재.
세포막을 사이에 두고 뉴런의 내부에는 칼륨 이온(K+)들, 외부에는 나트륨 이온(Na+)들이 존재한다.
세포막에 이온들이 지나다닐 수 있는 통로:이온 채널(ion channel)
평소에는 이온 채널이 닫혀 있거나 극히 일부만 열려 있어서 이온들의 자유로운 흐름을 제한한다.
이러한 제한에 의해 세포막의 안쪽과 바깥쪽에는 농도차이가 발생하고 그 차이 때문에 세포막을 사이에 두고 전위차가 발생한다.
뉴런이 흥분하지 X : 전위차는 약 -70mV에 이른다.
뉴런은 평상시 안쪽이 더 음극화되어 있는 상태 : 안정전위(resting potential)
만약 세포막의 전위차가 -70mV보다 작아져서 역치 수준(약 -55mV)보다 더 올라가게 되면 이온 채널들, 특히
나트륨 채널이 일제히 열리게 된다.열린 채널을 통해 나트륨이 세포막 안쪽으로 쏟아져 들어오면서 전위차는 급
격히 변화하여 약 +40mV까지 도달하게 된다. 이를 탈분극화(depolarization)라고 한다.
나트륨이 이온이 충분히 들어오고 나면, 뉴런 내부에 있던 칼륨 이온들이 밖으로 빠져나가고 일시적으로 뉴런의 전위는 안정 전위보다도 더 음극화된다. 이를 과분극(hyperpolarization)라고 한다.
과분극화된 전위는 다시 안정 전위로 돌아옴으로써 뉴런은 또 다른 활동 전위를 만들어 낼 준비를 갖추게 된다.
전위차의 발생과 다시 안정 전위로 돌아오는 데에는 1~2ms정도 걸린다.
이런 빠른 전위차의 변화: 활동 전위(action potential)
활동전위가 연속해서 발생할 경우 : 뉴런이 발화(firing)
o수초(myelin) : 축색을 덮는 핫도그 모양의 지방질. 수초가 있는 축색은 유수축색.
o도약전도(salutatory conduction) : 활동전위가 수초와 수초 사이의 마디에만 발생하여 수초를 건너뛰는 것과
같은 방식으로 전달되어 속도향상.
o랑비에 마디(node of Ranvier) : 축색에서 수초화되지 않은 부분
3)뉴런에서 다른 뉴런으로의 전달
o시냅스(synapse) : 뉴런과 뉴런 사이의 틈
활동전위가 종말단추에 도달하면 칼슘이온(Ca+)에 의해 시냅스 소낭(synaptic vesicle)이 터짐.
소낭 안의 신경전달물질은 시냅스 간극(synaptic cleft)로 퍼져나가 시냅스 후 뉴런에 도달.
이온성 수용기(ionotropic receptor) : 수용기 자체에 이온 채널이 포함
대사성 수용기(metabotropic receptor) : 간접적으로 신경전달 조절
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4) 신경전달물질의 작용
아세틸콜린(acetylcholine: ACh): 중추신경계와 말초신경계 모두에 존재.
뇌에서 기억과 관련된 신경전달물질 부족-알츠하이머병
말초신경계의 신경과 근육 접합부에서는 흥분성 역할을 하여 근육을 수축하게하는 역할도 한다.
아미노산(amino acid):신경계 대부분의 영역에 존재, 빠른 신호 전달에 관여
신경전달물질로는 흥분성 글루타메이트(glutamate) 억제성 GABA(gamma-aminobutyric acid)
모노아민(Monoamine):모노아민계 신경전달물질은 아미노산에 의해 합성, 넓은 영역의 시냅스에 영향미침
정서와 보상, 다양한 정신질환과 관련이 있다.
세로토닌(serotonin,5-HT): 우울증과 관련, 항우울제로 쓰임
도파민(dopamine:DA):운동과 보상에 관련, 부족-파킨슨, 과다-정신분열
노르에피네프린(norepinephrine):자율신경 특히 교감신경에 관여, 중추신경계에서 각성과 주의 영향
3. 신경계의 구성
1)말초신경계와 중추신경계
중추신경계(central nervous system)- 뇌/ 척수
말초신경계(peripheral nervous system) - 감각/운동 신호의 전달, 자율적인 반응을 담당하는 신경계
(1)말초신경계
체성신경계(somatic nervous system) / 자율신경계(autonomic nervous system)
체성신경계 : 감각기관에서 정보를 받아들이는 감각신경과 몸의 근육을 움직이는 운동신경
우리의 생각대로 통제할 수 있는 수의근(voluntary muscle)으로 신호를 보냄
자율신경계: 호르몬이나 체액을 분비하는 분비샘(glans)나 의식적으로 통제가 불가능한 근육 불수의근(involuntary muscle)로 신호를 보냄
교감신경계(sympathetic nervous system) / 부교감신경계(parasympathetic nervous system)
교감신경계는 위기 상황에서 에너지를 사용하는 반응을 만듦 / 부교감신경계는 에너지를 저장
교감신경계의 반응을 통제하는 뉴런들은 척수의 흉추(thoracic)와 요추(lumbar)영역에서 비롯한다.
이들 뉴런의 신경섬유는 척수를 빠져나와서 교감신경절(sympathetic ganglia)에 시냅스를 맺고 각종 장기로 투사
부교감신경계의 신경절은 뇌간(brainstem,중뇌 이하의 뇌 영역)과 척수의 가장 꼬리 부분인 미추(sacral) 영역에서 비롯됨.
(2)중추신경계
종뇌(Telencephalon) - 대뇌피질, 기저핵, 변연계
간뇌(Diencephalon) - 시상, 시상하부,
중뇌(Mesencephalon) - 중뇌개, 중뇌피개
후뇌(Metenchphalon) - 소뇌, 교
수뇌(Myelencephalon) - 연수 망사체
수뇌 - 연수(medulla oblongata): 호흡, 혈압, 심장박동등 생명을 유지하는 데 필수적
망상체(reticular formation) : 뉴런들이 특정 핵(뉴런들이 덩어리로 모여있는 구조물)에 집중되어 있지 않고 넓은 영역에 걸쳐 복잡한 상호 연결을 맺는 망 구조. 각성과 주의에 관여
후뇌 - 소뇌(cerebellum)는 자세를 유지, 신체 균형잡고, 신체기관의 움직임을 조화롭게 해 주는 운동협응에 중요한 역할.
연수 앞쪽의 교(pons)는 대뇌와 소뇌를 연결
중뇌 - 교와 간뇌사이. 중뇌개(tectum)와 그 안쪽의 중뇌피개(tegmentum)로 나뉜다.
물체를 따라 시선을 자동적으로 옮기는 기능인 도약안구 운동(saccade)을 담당하는 상소구와 청각관련 반사행동에 관여하는 하소구로 이루어져 있다.
중뇌피개는 여러 하위핵을 포함. 중뇌수도주변회백질은 통증과 관련된 감각 및 종 특이적인 공격 혹은 방어행동에 관련되어 있다 또한 흑질은 운동조절에 관여하며, 이곳에 있는 도파민성 뉴런의 변성이 파킨슨병을 일으킨다
.적핵은 팔과 다리를 포함, 신체의 운동조절에 관여.
간뇌 - 중뇌 위쪽. 후각을 제외한 모든 감각정보는 시상을 거쳐 대뇌로. 시상의 외측슬상핵은 시각정보. 내측슬
상핵은 청각정보. 복수측핵은 체감각 정보를 대뇌피질로 보낸다.
시상하부는 자율신경계와 호르몬의 분비를 통제함으로써 종의 생존과 관련된 여러 행동(공격 방어, 섭식, 교미, 체온조절)에 큰 영향을 행사한다.
종뇌 - 대뇌피질(cerebral cortex)과 그 안쪽의 기저핵(basal ganglia) , 변연계(limbic system)로 이루어짐.
기저핵은 피각과 미상핵으로 이루어진 선조체와 담창구. 파킨슨병은 기저핵으로 투사하는 중뇌 뉴런들의 변성으로 인해 기저핵의 미상핵과 피각이 제대로 기능하지 못할때 일어나는 질환.
변연계는 (고리라는 뜻) 뇌를 아래 부분에서 바라보았을 때 둥근 고리 모양으로 뇌간을 둘러싸고 있는대뇌피질 아래쪽의 여러군데를 지칭. 동기와 정서 및 학습과 기억에 관여. 편도체(amygdala), 해마(hippocampus), 대상회(cingulategyrus), 뇌궁(fornix), 유두체(mammillary body)포함
편도체는 정서, 특히 공포와 연관
해마는 기억, 특히 단어의 뜻과 같은 의ㅣ기억이나 일상에서 일어난 사건기억에 관여. 순행성 기억상실증(antegrograde amnesia)보임.
대뇌피질은 뇌의 겉을 둘러싸는 2~4mm 표면층. 두 개의 반구가 뇌량(corpus callosum)을 통해 연결.
회(gyrus)-위/ 구(sulcus)-아래 주름
대뇌피질에 2개의 큰 구. 중심구(contral sulcus)/ 외측구(lateral fissure)
이 두 구를 중심으로 후두엽 두정엽 측두엽 전두엽으로 나뉨.
후두엽(occipital lobe)- 뒷쪽 부분으로 주로 시각 정보를 처리하며 일차시각피질(primary somatosensory cortex)이 위치. 이 부분이 손상되면 눈에는 아무런 이상이 없어도 앞을 보지 못하게 되는 증세 보임.
두정엽(parietal lobe)-중심구 뒤쪽에 자리. 일차체감각피질(primary somatosensory cortex)이 있어서 촉각이나 통증 등 체감각 정보를 처리한다. 일치체감각피질을 자극하면 신체의 특정한 부분에서 감각을 느끼는데, 이를 지도화한 것이 체감각 뇌지도(sensory homunculus)다. 민감한 영역일수록 피질에서 차지하는 위치가 크다.
측두엽(temporal lobe) - 반구의 양쪽 옆의 아랫부분. 일차청각피질(primary auditory cortex)있다. 청각 정보를 분석. 측두엽에는 언어 정보를 처리하는 영역이 자리잡고 있다. 측두엽의 뒷쪽은 후두엽과 연결. 물체나 얼굴을 인식하는 고차원적인 시각정보를 처리. 측두엽 안쪽에는 해마와 그 주변 피질이 기억을 처리.
전두엽(frontal lobe) - 중심구 앞쪽에 있는 부분으로 우리 몸을 움직이는 운동에 관련된 역할을 수행하며 일차운동피질(primary motor cortex)위치. 일차운동피질을 자극하면 특정한 신체 부분이 움직이게 되는데, 이를 이용하여 운동뇌지도를 그릴 수 있다. 전두엽의 가장 앞쪽 전전두피질(prefrontal cortex) 의사결정, 계획, 상황판단, 정서 조절등 고차원적 인지기능 담당.
4. 뇌 연구 방법
1)동물을 이용한 뇌수술 및 손상연구
생물심리학에서 많은 경우 동물을 이용해서 실험 수행
1.포유류의 신경계는 종간에 많은 유사성을 가진다
2.여러가지 실험 조건을 통제하기 쉬움
3.침습적인 방법사용 가능
손상(lesion)연구 - 화학 물질이나 전극을 삽입해서 특정 뇌 부분의 조직을 파괴하거나 제거하여, 손상 전과 후
에 또는 손상을 입은 개체와 그렇지 않은 개체를 비교해서 행동과의 연관성을 알아내는 방법
자극법(stimulation)- 동물 뇌의 특정 영역을 자극했을 때 보이는 행동변화를 관찰 할 수 있다.
뇌내 약물 주입(intracranial drug infusion) - 특정 신경전달물질의 기능을 저하시키는 길항제(antagonist)나신경전달물질의 기능을 촉진하는 촉진제 등의 약물을 주입하여 뇌의 활동을 연구하는 방법이다.
2)뇌신경 활동 기록법
뇌전도(electroencephalogram :EEG) 두개골 표면에 전극을 부탁하여 많은 뉴런의 집단적인 활동 기록
장점 - 침습적인 방법이 필요하지 않으므로 동물과 인간에 널리 사용.
단점 - 뇌의 심부에 있는 구조물의 활동 측정은 어렵다. 대뇌 피질과 같은 표면의 영역들 연구에 이용.
단단위기록법(single-unit recording) 미세 전극을 뇌 안으로 직접 삽입하여 개별 뉴런의 전기적 활동을 기록
뉴런 하나의 전기적인 활동을 기록. 외부세계의 자극이 신경계에서 어떻에 표상되는지를 파악
뇌자도(magnetoencephalograph : MEG) 뇌에서 뉴런들이 활동할 때 만들어지는 자기장을 측정하는 것. 피질
영역의 활동을 시간적으로 세밀하게 측정할 수 있다는 장점.
3)뇌영상 기법
양전자 방출 단층촬영술(position-emission tomography :PET) 피험자에게 안전한 수준의 방사능 물질을 소량
주입한 수 방출되는 방사능을 거물함으로써 뇌의 활성화를 측정하는 방법.
많이 이용 2-탈산포도당(포도당과 분자적으로 유사한 방서성 물질을 주입)
인지적 과제나 행동에 관여하는 뇌의 부위를 밝힐 수 있다.
자기공명영상법(magnetic resonance imaging: MRI) 강력한 자기장 내에서 원자핵 내의 양성자가 특정 방향으로 회전하는 원리를 이용한 것. 수소 원자에 초점을 두고 라디오파를 쏘아서 회전을 교란시킨 후 양성자들에서 나오는 에너지를 검출함으로써 신체 내부의 장기를 영상화. 뇌 조직의 종류에 따라 물 분자의 밀도가 다르기에 다른 음영을 보이는 영상이 나타남.
기능적MRI(functional MRI: fMRI) 혈류 속의 헤모글로빈 분자에 초점을 두어 간접적으로 뉴런의 활성을 측정.
활동하는 뉴런이 많은 산소를 필요로 할 것이라는 가정하에 혈류속의 산소 수준(blood oxygenation level)을 측정하여 뇌 부위별 활성화 정도를 영상화.
방사성물질 주입 없고, 비교적 안전.