[심리학] 신경계의 정보전달 (뉴런의 역할)

우리가 피아노를 연주하거나 자동차를 운전하거나 테니스공을 칠 수 있는 것은 단순하게는 근육운동의 조정에 달려 있다. 그러나 근육들이 어떻게 하여 그러한 활동을 할 수 있는가 생각해 보면 보다 근본적인 과정이 개입되어 있음을 알 수 있다. 근육들이 그러한 활동을 성공적으로 수행하도록 하기 위해서 신체는 감각 정보들을 분석하고 근육에 운동 정보를 보내야만 하며, 또한 그러한 정보들을 조정해야만 한다. 우리가 생각하고, 기억하고, 감정을 느낄 수 있는 것은 그런 정보가 신경세포인 뉴런이라는 특수한 세포를 통해 처리되기 때문이다.
신경계가 어떻게 행동을 통제할 수 있는가를 이해하기 위해서는 먼저 신경계의 기본 단위인 뉴런과 신경계에서 처리되는 신경 신호인 신경충동의 본질, 그리고 뉴런이 뇌와 신체 간에 신경 신호를 어떻게 전달하는가를 알아야 한다.

1. 뉴런: 신경계의 기본 단위

 신경계의 기본 단위는 뉴런이다. 뉴런은 여러 가지 유형이 있지만 뉴런의 세포체와 세포체에서 뻗어 나온 섬유들로 구성되어 있다. 세포체는 원형질로 채워져 있으며, 그 속에 세포핵과 기타 여러 소기관이 있다. 뉴런의 세포체는 다른 체세포들과 마찬가지로 세포의 생명을 유지하는 역할을 한다. 그러나 일반 세포들과 달리 뉴런은 다른 세포들과 의사소통하고 정보를 전달할 수 있는 독특한 특징을 가지고 있다. 뉴런의 세포체는 감각수용기나 다른 뉴런들로부터 입력되는 정보를 통합하고 그러한 정보를 처리하거나 전달하는 데 필요한 화학물질을 생산하는 중요한 기능을 수행한다. 
뉴런의 한쪽 끝에는 꼬인 나뭇가지와 같은 모양의 수상돌기라는 돌기들이 있어 다른 뉴런들로부터 정보를 받아들인다. 그리고 반대쪽 끝에는 하나의 가늘고 긴 튜브 모양의 돌기가 있는데, 이것을 축색이라 하며, 축색은 다른 뉴런에 정보를 보내는 역할을 한다. 대부분의 축색은 길이가 몇 mm 정도지만 어떤 축색은 길이가 90cm 정도 되는 것도 있다. 축색의 끝부분은 약간 부풀어 있는데, 이를 종말단추라 하고, 여기서 다른 뉴런에 정보다 전달된다.
대부분의 축색들은 수초라는 절연 물질로 덮여 있다. 수초는 뉴런의 에너지 효율성을 증가시키며, 축색에서의 정보전달 속도를 빠르게 해 준다. 신경계의 자가면역질환의 하나인 다발성 경화증은 면역계의 공격으로 신경계의 수초들이 죽어 가는 질환이다. 이렇게 축색에서 수초가 없어지면 신경계의 정보전달에 심각한 영향을 미치게 되어 운동장애, 감각장애, 인지기능 장애 등 다양한 행동적 결함이 나타나게 된다.

2. 신경 신호는 본질 

신경 신호의 본질은 전기적 현상이다. 신경 신호의 본질을 규명하기 위한 과정에서 신경과학자들이 오징어의 거대축색을 구할 수 있었던 것은 커다란 행운이었다. 오징어의 거대축색을 몸에서 분리하여 바닷물이 담긴 접시에 넣은 다음, 끝이 아주 가는 미세전극을 축색의 내부에 삽입하여 전선을 연결하고 다른 한 전선을 축색의 바깥쪽 바닷물 속에 넣는다. 그리고 이 두 전선을 전압측정기에 연결하면, 축색의 내부가 바깥쪽에 비해 -70mV 정도의 전압 차이를 보이게 된다. 이러한 전위차를 안정 막 전위 또는 안정전위라 한다. 즉, 안정전위란 아무런 자극도 가하지 않은 상태에서 축색의 내부와 바깥쪽 간에 존재하는 전위차를 말한다.
이처럼 축색의 한쪽 끝에서 안정전위를 측정하면서 다른 한쪽 끝의 축색 내부에 또 하나의 전극을 삽입하고 전기자극장치를 통해 전류를 흘려보내면 막 전위가 변화하게 된다. 이때 막 전위의 변화 방향은 축색 내부에 가해진 전류의 특성에 따라 달라진다. 축색 내부에 양(+) 전하는 가해주면 음수 값인 안정전위는 그 크기가 감소하며, 이를 감 분극이라 한다. 반면에 음(-) 전하를 가해해 주면 축색 내부는 더 큰 음수 값의 막 전위를 가지게 되는데, 이를 과 분극이라 한다. 
감 분극과 과 분극의 정도는 축색 내부에 가해진 자극의 크기에 비례하며, 시간이 지남에 따라 막 전위는 점차 원래의 안정전위로 돌아온다. 그러나 감 북극 자극을 어느 정도 이상 증가시키면 막 전위는 갑자기 역전되어 축색의 내부가 바깥에 비해 양전기를 띄게 된다. 그리고 약 1000분의 1초가 지나면 막 전위는 다시 본래의 상태로 돌아갔다가 얼마 동안 안정 막 전위를 넘어 약간의 과 분극 상태를 보인 후 원래의 안정상태로 돌아가게 된다. 이처럼 흥분 역치 이상의 감 분극 자극에 의해 막 전위가 급속히 역전되는 현상을 활동전위라 한다. 이 활동전위가 바로 신경충동으로서 신경계에서 처리되는 신경 신호의 본질이다.
실제의 뉴런은 다소 복잡한 계산을 할 수 있는 소형 의사결정 장치다. 하나의 뉴런은 다른 수천 개의 뉴런으로부터 수상돌기와 세포체를 통해 신호를 받게 된다. 이들 중 어떤 신호는 자동차의 가속 페달을 밟는 것처럼 흥분성이고, 다른 신호는 브레이크를 밟는 것처럼 억제성이다. 흥분성 신호에서 억제성 신호를 뺀 결과가 흥분 역치를 넘어설 때 신경충동이 일어난다.
뉴런의 반응은 실무율의 법칙을 따른다. 자극의 강도가 막 전위를 흥분 역치 이상으로 감분극시킬 수 있을 정도 이상이면 아무리 더 큰 자극을 주어도 신경충동의 크기는 증가하지 않는다. 총을 쏠 때 방아쇠를 일정 강도 이상으로 당기면 총알이 발사되고 그 이하이면 총알이 발사되지 않는 두 가지 경우밖에는 없다. 그리고 방아쇠를 더 강하게 당긴다고 해서 총알이 더 빠르게 날아가지 않는다. 이와 마찬가지로 자극의 강도는 신경충동의 크기나 속도에 전혀 영향을 주지 않는다.
그렇다면 우리는 자극의 강도를 어떻게 탐지할 수 있는가? 신경계는 시간적 부호화와 공간적 부호화를 사용한다. 시간적 부호화란 단위 시간당 하나의 뉴런에서 발생하는 신경충동의 빈도로써 자극의 강도를 부호화하는 방식인데, 자극이 강할수록 신경충동의 횟수가 증가한다. 반면에 공간적 부호화란 자극에 대해 반응하는 뉴런의 개수로서 자극강도를 부호화하는데, 자극이 강해질수록 반응하는 뉴런의 수가 증가한다.

 

[출처] 현대심리학의 이해