이토록뜻밖의뇌과학

[박대선]

이토록뜻밖의뇌과학을 읽었다. 알로스타시스 (Allostasis)는 신체가 환경의 변화나 스트레스에 적응하기 위해 생리적으로 변화하는 과정이다. 즉, 알로스타시스는 신체가 홈오스타시스 (체내 환경을 일정하게 유지하려는 과정)만으로는 대응할 수 없는 외부 자극에 대해 적응하려는 능력을 말한다. 알로스타시스는 일반적으로 장기적인 스트레스 반응과 관련이 있으며, 적절하게 기능할 때는 신체를 보호하고 적응하게 도와준다. 이 개념은 1980년대 후반에 브루스 맥이완 (Bruce McEwen)이라는 신경과학자에 의해 소개되었다. 맥이완은 스트레스 반응이 단기적으로는 유익하지만, 장기적으로는 신체에 부정적인 영향을 미칠 수 있다는 점을 강조했다.
 
홈오스타시스 (Homeostasis)는 주로 신체가 일정한 상태(체온, 혈압 등)를 유지하려는 고정된 균형을 목표로 한다. 예를 들어, 체온을 37도 정도로 유지하려고 한다. 알로스타시스는 외부 환경의 변화나 스트레스에 따라 신체가 적응하려는 동적인 과정이다. 홈오스타시스와 달리, 변화하는 환경에 맞춰 다양한 생리적 조절이 이루어지며, 이 과정은 시간이 지남에 따라 다르게 나타날 수 있다. 그 핵심은 적응과 유연성이다. 신체가 스트레스나 새로운 상황에 적응할 때 발생하는 변화가 바로 알로스타시스다. 이 과정은 호르몬, 신경 시스템, 면역 반응 등 다양한 생리적 시스템을 포함하여 이루어진다.

그 예로; 
1. 스트레스 반응: 스트레스에 직면했을 때, 신체는 코르티솔이나 아드레날린이 분비되어 심박수를 증가시키고, 혈당을 높이며, 신체를 'fight or flight' (싸움 또는 도망) 모드로 전환시킨다. 이 과정은 단기적인 알로스타시스로 볼 수 있다.
2. 기후 변화에 대한 적응: 극단적인 날씨나 온도 변화에 맞추기 위해 신체가 적응하는 과정도 알로스타시스다. 추운 환경에서는 혈관을 수축시켜 열 손실을 줄이고, 더운 환경에서는 땀을 흘려 체온을 낮추려는 방식으로 적응한다.
3. 심리적 스트레스: 스트레스가 지속될 때, 신체는 일정 기간 동안 호르몬과 신경계를 조절하여 자원을 배분하고 적응하려고 한다. 하지만 만약 이 스트레스가 오래 지속되면, 알로스타시스의 과부하로 이어질 수 있다.

알로스타틱 부담 (Allostatic Load) 는 알로스타시스가 지속적으로 과도하게 작용하면서 신체에 미치는 부정적인 영향을 나타낸다. 스트레스가 지속되거나 반복적으로 발생할 때, 신체는 적응을 시도하지만, 이 과정에서 호르몬 불균형, 면역력 저하, 만성질환 등 건강에 해로운 결과를 초래할 수 있다. 예를 들어:
- 만성 스트레스가 지속되면 고혈압, 심장 질환, 당뇨병과 같은 만성 질환의 위험이 증가할 수 있다.
- 면역 체계가 지속적인 스트레스로 인해 약화되면, 감염에 더 취약해지거나 자가면역질환이 발생할 수 있다.
- 심리적 영향으로는 불안, 우울증 등 정신적 문제도 발생할 수 있다.

알로스타시스를 잘 관리하는 것은 건강 유지에 매우 중요하다. 따라서 스트레스가 만성적으로 지속되지 않도록 적절한 스트레스 관리가 필요하다. 스트레스 관리 방법으로는 다음과 같은 것들이 있다:
- 운동: 신체는 운동을 통해 스트레스를 해소하고, 호르몬 균형을 회복 할 수 있다.
- 명상과 심호흡: 심리적 안정감을 찾는 방법으로 명상이나 심호흡을 통해 스트레스 반응을 낮추는 것이 효과적이다.
- 사회적 지지: 가족, 친구, 동료들과의 지원 네트워크는 스트레스를 관리하고, 사회적 관계를 통해 심리적 안정을 찾는 데 도움이 된다.
- 수면: 충분한 수면을 취하는 것은 알로스타시스의 부담을 줄이고, 신체의 회복력을 높이는 데 중요하다.
- 건강한 식습관: 균형 잡힌 식사는 신체의 생리적 기능을 정상적으로 유지하는 데 중요하다. 8 

6억년전 Amphioxus (암피옥서스) 또는 브라키오스트마 (Branchiostoma)는 두류척삭동물문 (Cephalochordata)에 속하는 해양 생물로, 척추동물의 조상으로 널리 연구되는 중요한 생물이다. 이 생물은 척삭 (notochord)을 포함하며, 척추동물과의 진화적 관계를 연구하는 데 중요한 모델이다. 암피옥서스는 낮은 수준의 척추동물이지만, 척추동물의 특징을 가지는 초기 형태를 보여주므로, 진화학적 연구에서 큰 가치를 지닌다. 작고 길쭉한 몸을 가지고 있으며, 길이는 대개 5cm 정도다. 몸은 유연하고, 나선형으로 몸을 회전시킬 수 있다. 외형적으로 물고기와 비슷하지만, 머리가 분명하지 않고 척추가 미약하다.

암피옥서스는 척삭을 갖고 있으며, 이는 척추동물의 특징 중 하나로, 신경관 아래에 위치한 유연한 구조로, 유체의 압력을 견디며 신체의 형태를 유지하는 중요한 역할을 한다. 다만, 암피옥서스에는 척추뼈가 없고, 대신 척삭이 주요 지지 구조다. 소화관은 일반적으로 입에서 시작해 배설구로 이어지며, 간단한 소화기관을 가지고 있다. 또한, 혈관계를 가지고 있지만, 복잡한 심장은 없다. 순환계는 상대적으로 단순하고, 혈액이 대부분 순환하지 않으며 주로 체강을 통해 움직인다. 경골어류와 비슷한 구조를 가지고 있으며, 측선이 발달하지 않고 인두열을 통해 물을 필터링하여 먹이를 섭취한다. 해양생물로, 보통 얕은 바다나 해저 모래 속에서 서식한다.

암피옥서스는 척추동물의 가장 초기 형태로 간주되며, 척삭동물에 속하는 동물들 중에서도 척추동물과 가장 근연관계에 있는 존재입니다. 이는 척추동물이 가진 척삭이나 신경관 등의 주요 특징을 가지고 있어, 진화적 연관성을 연구하는 중요한 생물이다. 암피옥서스는 현대 척추동물들과 많은 공통점을 공유하지만, 두개골이나 척추뼈 등의 발달은 아직 없기 때문에, 척추동물의 발달 과정을 추적하는 데 유용한 모델로 활용된다. 암피옥서스는 아가미를 통해 호흡한다. 물이 인두열을 통과하면서 산소를 흡수하고, 물속의 불순물은 배출된다.

대부분 수정은 수정란이 유충 상태로 부화하여 성체로 성장하는 간단한 수정 과정을 거친다. 이 유충은 척추동물의 어린 시절과 비슷한 형태를 보여 준다. 암피옥서스는 진화학, 발생학, 생리학 연구에 중요한 모델로 사용되며 특히, 척추동물의 발생 과정을 이해하고, 신경계와 근육계의 발달을 연구하는 데 유용하다. 이런 동물은 뇌가 없었다. 감각기관이 빛의 변화를 감지하는 수준이었고 움직임도 많지않았으며 단순히 입에 물을 넣고 걸러 먹고 배설했기 때문이다. 하지만 캄브리아 폭팔로 환경이 급변한다. 

캄브리아 폭발(Cambrian Explosion)은 약 5억 4천만 년 전, 캄브리아기 초기에 일어난 생물학적 대폭발을 의미한다. 이 시기에 생명체의 다양성이 급격하게 증가하면서, 현대 동물의 주요 문(門)들이 대부분 처음 등장한 사건으로, 지구 역사상 가장 중요한 진화적 사건 중 하나로 간주된다. 이 시기 동안 주요 동물군이 급속히 등장하고, 복잡한 생명체가 갑자기 나타났다는 특징이 있다. 이 폭발적인 다양성 증가는 약 13~25백만 년에 걸쳐 이루어졌다. 이때 형성된 생물군은 현대 동물들의 기초적인 형태를 이루었고, 이후 동물 진화의 큰 뼈대가 되었다.

이 시기에 나타난 주요 동물문은 다음과 같다:
  - 절지동물(Arthropoda): 현대의 곤충, 갑각류, 거미류 등이 포함된다.
  - 연체동물(Mollusca): 조개, 문어, 오징어 등.
  - 완족동물(Echinodermata): 해삼, 불가사리, 성게 등.
  - 해양 척삭동물(Chordata): 초기 척추동물의 조상들이 나타났다.
  - 편자충, 삼엽충과 같은 고생대의 주요 생물들도 이 시기에 등장했다.

캄브리아 폭발 동안 나타난 동물들은 다양한 형태와 해부학적 특성을 가졌다. 삼엽충과 같은 절지동물들은 눈을 가지고 있었고, 일부는 하이드로스켈레톤(외골격)을 갖고 있어 외부 환경에서의 경쟁과 생존을 도왔다. 동물들은 다양한 체계적 발달을 보였고, 그 중 일부는 복잡한 신경계, 근육계, 심혈관계 등을 갖추기 시작했다. 이들은 빠르고 효율적인 움직임과 적응력을 가지게 되면서 다양한 생태적 틈새를 차지할 수 있었다. 캄브리아 폭발의 원인에 대해 학자들 사이에서 여러 가지 이론이 제시되고 있지만, 현재까지 명확한 단일 원인은 밝혀지지 않았다. 다만, 여러 환경적과 생리적 요인들이 결합된 결과로 생각된다.
   - 산소 농도의 증가는 캄브리아 폭발을 설명하는 주요 요인 중 하나다. 지구 대기의 산소 농도가 급격히 증가하면서, 에너지 대사가 가능해지고, 대형 동물의 출현이 가능해져서 활동적이고 복잡한 생명체들이 등장할 수 있었다.
   - 빙하기의 종료와 같은 기후적 변화도 캄브리아 폭발에 영향을 미쳤을 수 있다. 빙하기가 끝나면서 해수면 상승과 온도 변화가 발생하여 새로운 서식지와 생태적 기회를 제공했을 가능성이 있다. 24

진화는 목적이 없다. 다만 랜덤하게 진화한 뇌중 생존에 더 적합한 종이 멸종을 피한다. 즉 제한된 에너지를 언제 얼마나 필요한지 예측하여 대비하고 각 입력에 대해 예상 기대에 따라 자원을 배정하는 일련의 과정이 성공적이었던 종이 살아남았던 것이다. 31 폴 매클린(Paul MacLean, 1913–2007)은 미국의 신경과학자이자 내과의사로, 뇌의 진화론적 발달과 관련된 연구로 유명한 인물이다. 특히 그는 "삼위일체 뇌 이론"(Triune Brain Theory)으로 널리 알려져 있다. 이 이론은 뇌의 구조와 기능을 진화적 관점에서 설명하며, 뇌의 세 가지 주요 부분이 각각 진화적 시기에 따라 형성되었다고 주장했다.

그는 뇌의 구조와 진화적 발달에 관한 독창적인 이론을 제시하며, 신경과학 분야에서 큰 영향을 미쳤다. 그는 뇌를 세 가지 주요 부분으로 나누어 설명한다:
1. 파충류 뇌 (Reptilian Brain): 뇌의 가장 오래된 부분으로, 뇌간과 소뇌를 포함한다. 이 부분은 생존과 관련된 본능적 행동을 담당한다고 매클린은 주장했다. 공격성, 영역을 지키려는 본능, 생식 활동 등이 이 부분에서 조절된다.
2. 림빅 시스템 (Limbic System): 감정과 관련된 뇌의 영역으로, 감정, 사회적 행동, 기억 등을 담당한다. 그는 이 영역이 감정적 반응과 사회적 상호작용에 중요한 역할을 한다고 보았다. 여기에는 편도체와 해마 등이 포함된다.
3. 신피질 (Neocortex): 가장 진화적으로 발전한 뇌의 부분으로, 이성적 사고, 언어, 문제 해결 능력 등을 담당한다. 매클린은 신피질이 인간의 복잡한 사고와 계획, 창의성, 언어 능력 등을 가능하게 한다고 주장했다.

매클린의 삼위일체 뇌 이론은 당시로서는 획기적인 이론이었지만, 현대 뇌 과학에서는 몇 가지 비판을 받고 있다. 특히 이 이론은 뇌의 각 부분이 독립적으로 작동한다고 보는 경향이 있어, 뇌의 기능적 연결성을 과소평가한 측면이 있다는 지적을 받는다. 현대 뇌 연구에서는 뇌가 훨씬 더 복잡한 네트워크로 작동하며, 서로 다른 뇌 영역들이 상호작용하는 방식을 강조하고 있다. 40 뇌가 큰 것이 생존의 조건은 아니다. 쥐가 인간만큼 크면 비슷한 크기의 뇌를 가졌을 것이고 고래의 뇌는 인간과 비교하기 어려울 정도로 크다. 49 전장의 군인이라면 뇌가 빈번하게 위협을 예측하는 것은 적합하다. 위험하지 않은 상황에서 위협을 예측한 것은 잘못된 자원투자다. 하지만 장기적인 생존가능성을 높혔다는 측면에서 합리적이다. 외상후스트레스장애와 같이 전쟁이 끝나 안전해졌는데도 뇌가 거짓 정보를 계속 울리는 것도 합리적일 수있다. 뇌가 믿는 것은 새로운 환경에 적용하는데 시간이 걸린다. 53 

신경세포가 발화하면 전기신호가 줄기를 타고 뿌리까지 내려간다. 그리고 시냅스를 통해 다른 신경세포의 윗부분에 달라붙어 발화시킨다. 즉 수상돌기에서 축삭으로 내려가고 시냅스로 다른 신경세포의 수상돌기로 전달되는 연쇄반응이 발생하는 것이다. 이러한 전달은 평생 지속되며 단지 빈도가 차이있을 뿐이다. 62 신경세포가 수백조개이기에 이를 연결하는 것은 허브를 통해 간접적이다. 즉 시내교환기와 시외교환기의 순으로 네트워크가 형성된다. 저자는 17천개의 공항이 연결되는 방식으로 설명하는데 네브라스카 링컨에서 이태리 로마로 직항이 없고 뉴저지 공항을 통해 여행하는 것을 예로 든다. 

허브 공항에 문제가 발생하면 여행에 지장이 있듯이 뇌 허브에 문제가 생기면, 우울증, 조현병, 난독증, 만성통증, 알츠하이머, 파킨슨병 등 여러 장애가 발생한다. 64 뇌의 배선은 시냅스에서 화학물질에 담겨있다. 글루타메이트, 세로토닌, 도파민을 비롯한 이러한 화학물질을 신경전달물질이라고 하며 신호가 시넵스에서 전달되는 것을 쉽거나 어렵게 만든다. 66 우리의 기억은 저장이 아니고 조합이다. 우리가 기억을 불러올 때마다 과거의 경험을 매번 다른 신경세포에서 모아서 조합한다. 이러한 기억은 과거의 좋았거나 나빴던 정보를 모아서 조합한다. 74

인간의 뇌는 출생 전과 출생 후에 걸쳐 지속적으로 성장하고 발달한다. 뇌의 발달은 생애 초기부터 청소년기까지 계속되며, 성인기에도 일정 부분 변화가 있을 수 있다. 그러나 뇌의 주요 발달 시점은 생리적, 기능적 변화와 함께 진행된다.
뇌는 수정 후 약 3주 만에 기본적인 형태를 형성하기 시작한다. 이후 뇌는 계속해서 빠르게 성장하며, 주요 구조가 형성된다. 임신 초기에 발생하는 주요 단계는 다음과 같다:
- 수정 후 3주: 신경판(neural plate)이 형성되고, 이 신경판이 신경관(neural tube)으로 발달하면서 뇌와 척수를 포함한 중추신경계가 시작된다.
- 임신 3개월경: 뇌의 기본적인 구조 (대뇌, 소뇌, 뇌간 등)가 형성되며, 신경세포들이 빠르게 생성되기 시작한다. 이 시기에는 신경세포가 약 100억 개 이상 생성된다.
- 임신 5개월경: 뇌는 급격히 성장하며, 주요 뇌의 기능적 영역들이 구분되기 시작한다. 뇌의 대뇌피질(cortex)과 소뇌가 발달하면서 운동, 감각, 기본적인 신경 연결이 형성된다.

출생 후에도 뇌는 계속해서 발달한다. 뇌의 성장과 성숙은 생애 초기에 급격히 일어나며, 특히 영유아기와 유아기 동안 가장 빠르게 진행된다. 이 시기에 중요한 변화는 다음과 같다:
- 출생 직후: 뇌의 크기는 전체 성인의 약 25% 정도로 매우 작다. 그러나 뇌는 이후 급격히 성장하며, 출생 후 첫 2년 동안 뇌의 크기는 거의 두 배로 커진다.
- 영아기와 유아기: 이 시기 동안 신경망의 연결과 시냅스의 형성이 활발하게 이루어진다. 특히 뇌의 대뇌피질은 신경 세포 간의 연결을 통해 학습과 기억을 가능하게 한다. 감각 자극, 언어 발달, 운동 능력 등이 급격하게 향상된다.
- 3~5세: 이 시기에는 뇌의 시냅스 형성이 최고조에 달하며, 뇌의 학습 능력과 사회적 기술이 발달한다. 또한 언어 능력도 급격히 향상되고, 기본적인 사고능력과 문제 해결 능력도 발달하기 시작한다.

청소년기는 뇌의 발달이 마지막으로 일어나는 시기이며, 특히 전두엽(이성적 사고, 계획, 충동 억제 등)의 발달이 두드러진다. 이 시기의 주요 발달 과정은 다음과 같다:
- 청소년기 (10~20대): 이 시기 동안 뇌는 대뇌피질과 전두엽의 발달을 계속해서 진행한다. 전두엽은 고차원적인 사고, 계획 수립, 의사결정, 자아 조절 등과 관련된 중요한 역할을 하며, 이 부분이 성숙해지는 데는 약 25세까지 걸린다.
- 시냅스 가지치기: 청소년기의 뇌는 사용되지 않거나 효율성이 낮은 신경 연결을 정리하는 과정을 겪는다. 이는 뇌가 더 효율적으로 기능할 수 있도록 돕는 과정으로, 전두엽과 같은 중요한 부분의 발달을 포함한다.

뇌는 성인기가 되면 기본적인 기능이 완성되었지만, 여전히 뇌의 신경 가소성(neuroplasticity)은 유지된다. 즉, 성인이 되더라도 뇌는 경험과 학습에 따라 계속해서 변화하고 적응할 수 있다.
- 25세~30세: 대체로 뇌의 구조적 발달은 거의 완성되지만, 여전히 뇌의 기능적 변화가 있을 수 있다. 특히, 새로운 기술을 배우거나 뇌를 자극하는 활동을 통해 신경 연결이 활성화된다.
- 30대 후반~40대: 뇌의 기억력이나 인지 능력이 서서히 감소할 수 있으나, 일부 연구에서는 뇌의 지속적인 학습과 뇌의 적응 능력이 늦은 나이에도 중요한 역할을 한다고 밝혀졌다. 80 

신생아는 성인의 두배이상의 신경을 가지고 태어난다. 그리고 사용하지 않는 신경연결을 가지치기하면서 자란다. 그것이 아이들이 어른보다 더 쉽게 언어를 배우는 이유다. 90 우리가 보는 것은 세상에 있는 것과 우리 뇌가 구성한 것의 조합이다. 109 목이 마르면 물을 마신다. 그리고 그 물이 혈류에 도달하려면 20분이 걸린다. 그런데 우리는 물을 마시면 갈증이 해결되는 것으로 느끼는데 이는 뇌가 예측하여 그렇게 느끼는 것이다. 111 조조가 목마른 군사에게 언덕위에 매실이 있다고 속여 갈증을 해결한 것도 예측기능을 사용한 것이다. 113

군인이 목동을 게릴라고 인지하는 것은 잘 못된 예측이다. 감각과 다른 인지를 했는데 그 이유는 뇌가 군인의 목숨이 위험하다고 예측했기 때문일 수있다. 동료의 제지로 총을 쏘지 않았는데 이러한 학습을 통해 다음 예측은 개선할 수있다. 115 인간이 사회적 동물이라는 것은 단순히 먹이를 위한 것에서 시작했지만 사회적 관계가 더 정서적 안정을 주면서 건강하게 만들기도 한다. 부부는 물론 친구나 반려동물과의 관계에서도 이러한 효과가 나타난다. 129

어쩌다 경험하는 스트레스는 적당한 운동이 근육을 약간 파손하고 복구하는 과정에서 근육을 발달시키는 것과 같은 작용을 한다. 하지만 회복할 기회도 없이 만성적인 스트레스를 받으면 근육이 끊어지듯이 정신관계가 파괴된다. 135 "정서핸드북"은 리사 배럿(Lisa Feldman Barrett) 의 저서로, "How Emotions Are Made: The Secret Life of the Brain"라는 제목의 책이다. 이 책은 감정이 무엇인지, 감정이 어떻게 형성되는지, 그리고 우리의 뇌가 감정을 어떻게 만들어내는지에 대해 깊이 있게 탐구한다.

리사 배럿은 감정 과학 분야에서 세계적으로 유명한 심리학자이자 뇌과학자로, 감정에 대한 전통적인 이해를 혁신적으로 재조명한 인물이다. 그녀는 감정이 단순히 생리학적인 반응이 아니라, 뇌가 환경과 경험에 기반하여 만들어낸 복합적인 현상임을 설명한다. 저자는 감정이 뇌의 "예측"과 "구성" 과정의 결과로 나타난다고 주장한다. 감정은 생리적 반응이 아니라, 뇌가 과거 경험과 지식을 바탕으로 우리가 처한 상황을 해석하면서 만들어진다는 것이다. 감정은 특정한 뇌의 영역에서 발생하는 것이 아니라, 뇌의 여러 영역이 함께 작용하여 형성된다. 그녀는 감정의 형성과 관련된 다양한 뇌의 활동을 설명한다.

사람마다 경험과 해석이 다르기 때문에, 같은 상황에서도 각기 다른 감정을 느낄 수 있다는 점을 강조한다. 이는 감정이 본능적인 것이 아니라, 개인의 경험과 사회적 맥락에 의해 구성된다는 의미다. 감정은 문화적 맥락에 따라 다르게 해석되고 표현될 수 있다. 그녀는 감정이 보편적이면서도 사회적, 문화적 요소에 의해 변화하는 모습을 설명한다. 239 

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½강 아주 짧은 진화학 수업; 뇌는 생각하기 위해 있는 게 아니다
1강 오래된 허구를 넘어서; 뇌는 하나다, 삼위일체의 뇌는 버려라
2강 인간의 뇌를 만드는 방식; 뇌는 ‘네트워크’다
3강 인간의 양육에 관하여; 어린 뇌는 스스로 세계와 연결한다

4강 당신보다 뇌가 먼저 안다; 뇌는 당신의 거의 모든 행동을 예측한다
5강 타인의 뇌라는 축복 또는 지옥; 당신의 뇌는 보이지 않게; 다른 뇌와 함께 움직인다
6강 다양성이 표준이다; 인간의 뇌는; 다양한 종류의 마음을 만든다
7강 뇌 속에 존재하는 세계; 인간의 뇌는 현실을 만들어낸다
부록 과학 이면의 과학; 에필로그 / 옮긴이의 말 / 찾아보기