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1. 개요
Nervous system / 神經系신경계(神經系)는 기관이 모여 만들어진 기관계의 일종이며, 신경을 사용해 몸의 다른 기관을 통제하고 조정한다. 그리고 그 정보를 대뇌로 전달하여 우리 몸에게 어떻게해야 적절하게 반응할지를 명령으로 내려주는 역할을 한다.
BC 300년경에 그리스에서 죄수나 빈민을 대상으로 해부를 하다가 근육, 장기와는 별도로 끈과 같은 실이 온 몸에 펴져 있음을 보고 발견되었다고 한다.[1]
역할은 뇌와 척수 그리고 우리 몸 각 부분사이에 필요한 정보를 서로 전달해 각 기관계를 연결하여 신체의 활동을 조절하고 조정하는 것이다. 중추신경계와 말초신경계로 나뉜다. 인체의 항상성을 유지하는 동시에 생명을 유지하고 번식하는 모든 과정에 관여한다.
2. 신경 조직
신경 조직(nervous tissue)에는 뉴런과 아교세포가 있다.
신경은 신경계를 이루는 세포 조직의 명칭을 말한다.
사실 신경계와 별 다른 차이가 없는 단어이다. 의미를 두자면 신경이란 말은 국소적인 시점에서 바라보고 신경계는 전체적인 시점에서 바라본다는 소리. 또 신경계의 부품을 말하는 데도 신경이 쓰이는데, 이 경우는 신경 세포의 일종으로서 쓰이는 것. 이렇게 단어의 의미가 다소 광범위하기 때문에 학계에서는 개별 신경세포를 아예 뉴런(neuron)이라고 영단어를 써서 이야기하기도 한다.
가장 성과 높은 기능을 하나 꼽자면 자극을 감지해 다른 신경 세포에게 자극을 전달하는 기능.
신경 세포(를 비롯한 대부분의 세포)는 음전하를 띠고 있는데[2], 대충 평상시에 -70mV 정도의 전하를 띠고 있다. 하지만 만일 신경이 자극되면[3] 신경 세포의 막에 있는 특별한 이온 통로(ion channel)가 열려서 세포 외부에 산재하는 나트륨(Na) 이온이나 칼슘(Ca) 이온이 신경 내로 유입된다. 이 금속 이온들은 양전하를 띄기 때문에 신경 세포 내부의 전하 값은 양의 방향으로 증가하게 된다. [4] 이러한 전하 변화가 '역치(threshold)'라고 부르는 일정 값 이상으로 증가하면 여기에 반응하는 이온 통로에 의해서 추가적인 양이온이 유입되고, 이들이 더 많은 이온 통로를 활성화하여 그 결과 국소적인 전위값이 양의 값으로 역전될 정도로 변화가 생기는데 이를 활성 전위(action potential)이라고 한다. 이들은 자극을 받아들인 부분뿐만 아니라 주변의 통로에도 영향을 주는 방식을 통해서 활성 전위가 신경 내의 국지적인 부분에서 주변 지역으로 전달되게 만든다. 이것이 단일신경세포에서 신호 혹은 정보가 전달되는 원리이다. 예외도 있긴 하지만 자극이나 다른 신경 세포로부터 신호를 받는 부분은 신경 세포의 핵이 있는 세포체(soma) 혹은 여기서 뻗어나온 수상돌기(dendrite)이며, 신경 세포가 다른 신경 세포로 신호를 전달하기 위해 길게 뻗은 부분은 축삭(axon)이라고 불리운다. 신경 세포의 신호 전달은 방향성이 있어서 핵에서 발생한 활성 전위는 axon을 통해 전달되나, 그 역방향은 불가능하다고 알려져 있다. [5] 신경 세포의 전위 값이 양전하 유입에 의해 증가하는 과정을 탈분극(depolarization)이라고 하는데, [6] 칼륨(K) 이온 통로나 염소(Cl) 이온 통로는 이런 탈분극을 방해, 즉 막전위를 낮추는 역할을 하며, 특히 칼륨 이온 통로 중 하나는 활성 전위에 반응하여 활성 전위로 인해 증가한 세포막의 전위를 원래대로 돌려놓는 과정에 관여한다.
실제로는 이렇게 복잡한 내용이지만, 실험실에서는 기계적인 방법으로 굉장히 간단하게 유도할 수 있다. 그냥 원하는 전류를 흘려주면 신경이 거기 맞게 전하가 맞춰진다. 물론 살아있는 생물에게 이런 짓을 하면 죽고 실험에서 생물에게서 분리해낸 ion channel을 연구하고자 할 때 쓰는 방법.
여담이지만 T-type Ca channel을 연구할 때, -120mV의 전류를 흘려주는 게 실험 데이터를 모으기에 가장 좋다고 한다. 하지만 세포에 -120mV를 계속 흘려주면 실험체가 죽는 게 당연하기 때문에 -80mV 정도로 타협하는 경우가 많다고.
여하튼 이렇게 작동되는 신경 세포들이 모여서 시스템을 이루는 것이 신경 혹은 신경계이다.[7] 신경계는 중추신경 (central nervous system, 뇌 + 척수)와 말초신경 (peripheral nervous system, 몸에 퍼져있는 감각 기관들)으로 나누어져 있다. 기본적으로 신경계통은 몸 외부로부터 자극을 받아 말초신경을 통해 중추신경으로 들어가며, 중추신경 (주로 뇌)은 받은 자극의 정보를 통해 다시 말초신경계를 통해 몸의 기관들과 근육에 명령을 내린다. 인간의 모든 행동들은 이 경로를 통해 진행된다. 신경계에 문제가 일어나면 우리의 행동들을 통솔하는 경로들이 고장나며, 우리가 흔히 아는 파킨슨병, 다발성 경화증 등등의 신경질환이 결과로 나올 수 있다.
2.1. 뉴런
뉴런(neuron) 또는 신경 세포라고 부른다. 신경(neur-)의 기본 단위체(-on)라고 붙인 이름. 일반 세포처럼 핵이 있고 대사를 하는 등의 특징은 그대로 있지만, 특히 뉴런만이 지닌 특징은 신호의 전달.
핵이 있는 곳이 신경세포체이며 주변의 나뭇가지 같은 것이 수상 돌기 혹은 가지 돌기(dendrite), 길쭉한 막대기들이 신경섬유라고도 하는 축삭 혹은 축색(axon; 軸索이라 발음이 2가지)이며, 신경섬유 말단과 수상 돌기가 맞닿은 곳이 시냅스이다.
종류는 운동 뉴련, 감각 뉴런, 연합 뉴런 이렇게 3가지이며, 특이 연합 뉴런의 경우 가지돌기와 축삭돌기가 매우 발달해있다.
이리저리 뻗은 나뭇가지 모양을 보면 알 수 있듯 시냅스는 뉴런 하나씩만 연결해 주는 틈이 아니라, 복수의 가지돌기가 복수의 섬유 말단과 만나서 아주 복잡한 네트워크를 이룬다. 이게 난해할수록 저장하거나 전달할 수 있는 정보량이 많아지는 것은 당연한 이야기. 시냅스가 마구 변하고 재형성되면서 당신의 기억과 생각을 만든다.
2.2. 신경 아교 세포
신경 아교 세포(neuroglia, glial cell, glia) 또는 아교 세포는 신경계를 구성하는 세포로, 뉴런보다 숫자가 많다.
3. 신경계의 구조
크게 중추신경계와 말초신경계 두 부분으로 구성되어 있다. 신경계는 전신에 분포한다. 이 말초신경들이 신경삭까지 연결되어 최종적으로 뇌로 연결된다. 척삭동물 계통은 배신경삭(Dorsal nerve cord)으로 중추신경계가 등쪽을 따라 연결되어 있으나 절지동물, 환형동물 등 벌레류는 복신경삭(Ventral nerv,e cord)으로 배쪽을 따라 연결되어 있다. 신경계/곤충 참조
척추동물의 중추신경은 기존의 척삭동물보다 배신경삭을 더 철저하게 보호하는 구조로 진화하였다. 뇌와 척수로 구성되어 있고 뇌막으로 둘러싸여 그 안의 뇌척수액으로 보호를 받는다. 또한 타원형의 단단한 머리뼈, 기다란 원통형 모양의 척추가 감싸고 있다. 말초신경은 척수신경과 뇌신경, 자율신경으로 구성되어 있다. 척수신경이 척수를 의미하는 게 아니고 뇌신경이 뇌를 의미하는 게 아니라는 것이 포인트.
3.1. 중추신경계
뇌를 주축으로 척수를 통해 몸의 거의 모든 곳에 연결되어 있는 신경과 연결되어 있다. 영어로는 central nervous system; CNS. 뇌가 신경계의 중심이 되기 때문에 중추신경계라고 보면 편하다. 기본적으로 하는 일은 생각. 신호를 온몸에 전달하며, 정보를 처리하고 해석해 결과를 내고, 저장하고 지시를 내린다.
신경 세포가 돌다가 모여 끈처럼 된 구조이며 3겹의 결합 조직으로 된 막인 수막[8]에 싸여있다. 수막과 뇌 사이에는 뇌척수액, 다시 말해 뇌수로 둘러싸여 있으며 이 뇌척수액은 충격을 흡수해주고, 순환계로부터 영양소를 받아 뇌에 공급하는 동시에 찌꺼기를 순환계로 배출하는 역할을 한다. 그야말로 뇌에게 있어 태아의 양수와 같은 역할.
3.2. 말초신경계
- 이 문단을 보기 전에 뉴런 문서를 볼 것을 권장.
영어로는 PNS(Peripheral nervous system)라고 불린다. 중추 신경계를 제외한 모든 신경과 연관된 세포를 모조리 묶어서 말하는 명칭[9]. 따라서 (헷갈리기 쉽지만) 뇌신경은 말초신경계에 속한다. 인체의 외부 자극을 감각수용기를 통해 받아들여 감각신경계를 통해 척수를 거쳐 뇌로 전달한다. 크게 구심성 신경과 원심성 신경으로 나뉘는데, 구심성 신경부(Afferent Division)는 감각을 수용하는 감각 뉴런으로 이루어져 있어 감각기관으로부터 자극을 받아들여 중추신경계로 연결하는 부분이고, 원심성 신경부(Efferent Division)은 운동 뉴런으로 이루어져 있으며, 중추신경계로부터 정보를 근섬유나 내장기관으로 전달한다.
3.2.1. 자율신경계
의식적으로 제어하지 못하는 신체 내부 기관을 조절하는 신경계. 주로 싸움-회피(fight or flight, F-F) 반응을 기반으로 한다. 뇌의 시상하부를 중추로 소화, 순환, 심박, 배설 등의 항상성을 유지하는 데 관여한다. 자율신경계는 일반적으로 중추신경계로부터 반응기까지 하나의 뉴런으로 이어져 있는 체성신경계와 달리 중추신경계와 이어져 있는 신경절이라는 뉴런의 집합체로부터 나온다.
3.2.1.1. 교감신경계
신체적인 활동을 할 때 혹은 스트레스 상황이나 긴장을 요구하는 상황에서 교감 신경계가 작용을 한다. 교감 신경계가 작용을 할 시 근육이나 뇌가 활성화되기도 하지만 반대로 내장기관 중 소화 기관은 오히려 비활성화되기도 한다. 신경의 끝에서 노르에피네프린을 분비하며 PTSD 환자의 경우 체내에서 비정상적으로 높은 노르에피네프린이 나타난다.[10]
3.2.1.2. 부교감신경계
휴식을 취하고 있을 때 활성화되는 신경계로서 주로 쉬거나 잠을 자거나 할 때 활성화된다. 빨라진 심장 박동수를 느리게 하는데, 너무 과도하게 작용하면 미주신경성 실신을 일으킬 수 있다. 심장 박동수 및 혈압을 떨어뜨려 뇌로 가는 혈류량이 줄기 때문.
3.2.2. 체성신경계
외부에서 들어오는 감각을 중추신경계통으로 올려보내거나, 아니면 중추신경 계통으로부터 전달 받은 것을 몸의 말단 운동기관으로 전달해 근육운동을 일으킨다. 말단에서 뇌로 감각 신호를 전달하는 쪽을 감각신경(혹은 구심성 신경), 뇌에서 말단으로 운동 신호를 전달하는 쪽을 운동신경(혹은 원심성 신경), 둘을 다 갖고 있는 것을 혼합신경이라고 한다.3.2.2.1. 뇌신경
12쌍으로 이루어져 있으며 해부학적으로 다음과 같이 구분된다.[출처]- 제1뇌신경 (후각신경, olfactory nerve): 감각신경으로 뇌신경 중 가장 길이가 짧다.[12]
- 제2뇌신경 (시각신경, optic nerve): 감각신경으로 망막의 신경절 세포에서 시작한다.[13]
- 제3뇌신경 (눈돌림신경, oculomotor nerve): 운동신경으로 상직근, 하직근, 하사근, 내직근과, 안검상거근을 지배한다.[14]
- 제4뇌신경 (도르래신경, trochlear nerve): 운동신경으로 뇌신경 중에서 가장 작은 신경이다.
- 제5뇌신경 (삼차신경, trigeminal nerve): 얼굴 피부의 일반 체성감각, 얼굴 근육의 고유감각, 구강 점막, 비강 일부, 각막의 일반 체성감각과 저작운동을 담당하는[15][16] 혼합신경으로 뇌신경 중에서 가장 큰 신경이다. 3개의 큰 가지가 있으며, 각각 눈신경(opthalmic nerve, [math(V_1)]), 위턱신경(maxillary nerve, [math(V_2)]), 아래턱신경(mandibular nerve, [math(V_3)])이다.
- 제6뇌신경 (갓돌림신경, abducens nerve): 교와 연수 사이에서 안구의 외전근(외직근)을 지배하는 운동신경으로 안구 운동에 관여하는 뇌신경 중에서 경로가 가장 길고 손상받기 쉬운 신경이다.
- 제7뇌신경 (얼굴신경, facial nerve): 얼굴의 근육 움직임을 조절하고 맛을 느끼는 혼합신경으로, 이마를 찡그리거나 주름을 지을 때 사용하는 근육을 통제한다. 부가적으로 혀 앞 쪽의 미각과 침 분비도 담당한다.
- 제8뇌신경 (속귀신경, vestibulocochlear nerve): 몸의 균형감각과 청각을 담당하는 내이의 감각신경이다.
- 제9뇌신경 (혀인두신경, glossopharyngeal nerve): 목 안쪽의 일반 감각과 혀 뒤 쪽의 미각, 자율신경반사[17] 등에 관여하는 혼합신경이다.
- 제10뇌신경 (미주신경, vagus nerve): 인후두와 내부 장기 근육의 운동, 내장기관들의 자율신경 반사와 내장의 운동을 조절하는 혼합신경이다.
- 제11뇌신경 (더부신경, accessory nerve): 목과 상부의 등 근육을 조절하는 운동신경이다.
- 제12뇌신경 (혀밑신경, hypoglossal nerve): 혀 운동과 모양을 조절하는 운동신경이다.
3.2.2.2. 척수신경
척추(경추, 흉추, 요추, 천추, 미추) 사이의 틈새를 통해 척수와 연결되어 있으며, 31쌍이 존재한다.- 목신경(경신경): C1~C8까지 8쌍
- 가슴신경(흉신경): T1~T12까지 12쌍
- 허리신경(요신경): L1~L5까지 5쌍
- 엉치신경(천골신경): S1~S5까지 5쌍
- 꼬리신경(미골신경): Co1 1쌍
4. 커넥톰
신경계의 신경망의 연결 전체를 나타낸 지도를 커넥톰(connectome)이라고 한다.
최초로 완성된 커넥톰은 예쁜꼬마선충으로 1980년대 후반 완성되었다. 두 번째로 완성된 커넥톰은 초파리의 구더기로 2020년대 초 완성되었으며 성충 초파리는 훨씬 크고 복잡한 신경계를 가지고 있어 2024년에야 완성되었다. 그러나 인간의 뇌는 워낙 복잡해 2020년대 기준으로 커넥톰은 커녕 뉴런수가 대략 몇개인지도 연구자들 마다 오락가락 하는 수준이다.
5. 대중문화
신경계가 발달하여 높은 지능을 가진 생물종[18] 같은 게 SF에서 자주 등장. 특히 주 배경이 우주로 나가면 열에 아홉은 묘사된다고 봐도 좋다.초능력 같은 것의 설정상 근원 같은 것으로 등장하는 경우 또한 많다.
참고로 신경을 사용한 초능력의 묘사는 '인간이 가진 미지의 가능성의 묘사'로 이어지는 경우가 많다. 신경을 이용한 이능력을 발현하는 것은 주로 인간이며, 인간 이상으로 발달한 신경계 이능력이라 해도 인간에게 따라잡히고 흡수되는 경우가 잦다.
이하 예시의 지극히 일부.
6. 기타
7. 관련 문서
[1] 소니아 샤, 몸 사냥꾼, 정해영 역, 마티, 2006, p23[2] 기본적으로는 DNA를 비롯해 대부분의 신체 구성물질들이 음극성이기 때문이고, 또한 세포 자체가 특정 이온(나트륨 이온, 칼슘 이온등)을 세포 내부에서 외부로 퍼내기 때문이다.[3] 기계적 자극, 신경전달물질에 대한 반응 등을 통해서 일어남.[4] 완전히 양의 값으로 역전되지는 않고, 한 -50mV정도로 전하 값이 증가함[5] 사족이지만, 가끔 신경계를 전자적인 회로에 비유하고 전달되는 신호를 전류나 전파에 비유하는 경우가 있는데, 얼른 들으면 그럴듯하게 들리지만, 이러한 비유는 신경계의 작동 원리에 대해서 잘못된 개념을 심어줄 확률이 높다. 신경계에서의 신호 전달이라 함은 이온 채널의 열고 닫히는 것을 통해서 활성 전위가 발생하고 이것이 신경 세포의 주변 지역으로 전파되는 것을 뜻한다. 당연히 광속으로 전달되는 전자나 전자기파랑은 근본적으로 원리가 다르며, 이들에 비하면 일단 속도 자체가 엄청나게 느리다. 게다가 신경 세포 사이에서의 신호 전달은 시냅스를 거쳐야 하니 더더욱 느려진다. 사실 신경계는 단순한 전기 회로보다는, 각각의 신경 세포들이 어느 정도 연산 능력을 갖추고 서로 간의 연계를 통해서 자료를 처리하는 것과 비슷하다. 그나마 유사한 사례를 찾아보자면 그리드 컴퓨팅과 약간 유사하다 하겠다.[6] 비활성 상태의 전위 값 (휴지 전위, resting potential)을 분극화(polarization)라고 한다.[7] 털납작벌레 같이 매우 원시적인 동물은 세포들이 아직 전문적으로 분화되지 않았기 때문에 신경세포는 없지만 신경계는 있다. 섬유 세포가 신경세포 역할도 겸하기 때문이다.[8] meninges[9] 신경계뿐만 아니라 다른 기관계 역시 척추와 그 외로 분류하는 경우가 흔하다.[10] 김준기,'영화로 만나는 치유의 심리학',시그마북스,2009,pp45-46[출처] 네이버 동물학 백과[12] 후신경은 중추신경으로 보는 견해도 있다.[13] 시신경은 중추신경으로 보는 견해도 있다.[14] 혼합신경이라고 잘못 표기되는 경우가 많다. 왜냐하면 부교감신경과 체성운동신경의 2가지 성분이 혼재되어 있기 때문인데, 부교감신경계 역시 운동신경으로 구성되어 있어 운동/감각 신경 분류시 동안신경은 순수 운동신경이다.[15] SVE 성분으로 골격근을 지배하지만 계통발생학적으로 어류의 아가미와 상동기관이기에 사지나 몸통의 골격근을 지배하는 신경인 GSE와는 구분된다.[16] 운동신경은 CN V3, 즉 하악신경에만 분포한다.[17] 침 분비, 후두 감각 등등[18] 또는 인간을 주로 하여 생물의 신경계를 이용한 기계장치