[심리학개론] Lec 03 - 뇌와 유전자

Precaution

서울대학교 박승진 교수님의 심리학개론 22-1 의 Lecture note 입니다.

1. 뉴런 : 행동의 기원

• 뇌를 이루는 것 : 뉴런(newron)
• 신경계에 분포, 뇌에는 대략 1000억개의 뉴런이 존재
• 시냅스 : 뉴런과 다른 뉴런의 접합부, 1개의 뉴런당 1000개의 시냅스가 존재, 뇌에 총 100조개의 시냅스가 존재
• 장뇌축 : 신경계가 아님에도 3억개의 뉴런이 발견, 장이 스트레스에 민감한 이유
• 세포체 (cell body) : 뉴런의 가장 큰 요소로 정보처리 과정 조정, 세포의 생존 담당
• 수상 돌기(dendrites) : 다른 뉴런으로부터 정보 수용하여 세포체에 전달
• 축색 (axon) : 세포체에서 뻗어나와 다른 뉴런과 근육, 내분비선에 메시지를 전달하는 구조
• 수초 (myelin sheath) : 축색을 마디마디 덮은 기름층, 절연물질로 뒤덮어 전달속도를 빠르게 해줌. 지지세포인 교세포(glia cell)에서 만들어 줌. 10~15배 정도 많으나 교세포의 기능에 대해서는 연구가 적음.
• 다발성 경화증 : 수초가 퇴화하는 질병, 근육에 전달되는 신경명령 속도 느려지고 근육제어 능력 상실
• 뇌 속 면역체계 : BBB에 의해 백혈구의 차단, 마이크로글리아셀(뇌내 면역에 관련, 조현병 등과 관련)
• 뉴런의 유형
  1. 개제 뉴런(연합) : 감각, 운동 뉴런을 연결, 신경계의 대부분
  2. 감각 뉴런 : 외부세계로부터 정보 수용, 척수를 통해 뇌로 전달. 특이한 수상 돌기 구조.
  3. 운동 뉴런 : 신호를 척수로부터 근육으로 전달하여 운동이 일어나게 함
• 근위축성 측삭경화증 (루게릭병) : 운동 뉴런의 선택적 파괴에 의한 질환, 야구선수 이름 딴 것, 스티븐 호킹, 아이스 버킷 챌린지

2. 뉴런의 전기화학적 활동

• 안정전위(resting potential) : 세포막 안과 밖의 이온 차이 -70mV. 칼륨 이온(+), 단백질 이온(-), 나트륨 이온(+), 염소 이온(-) : 칼륨 이온 채널만 열려 있음
• 활동전위 (actin potential) : 신경흥분, 화학적 메시지 전달받을 때 흥분하는 것. 축색을 따라 전달되는 짧은 전류 (전기적 전달), 칼륨 이온 채널이 닫히고 나트륨 이온이 세포막 내로 들어가 +40mV로 전위 올라감.
• 역치 : 신경흥분 촉발시키기 위해 필요한 자극의 수준. 흥분성 신호에서 억제성 신호를 뺴고 남은 신호의 강도를 의미
• 실무율적 반응(all-or-none response) : 뉴런이 흥분하거나 하지 않는 둘 중 하나의 특성. 자극 강도가 증가해도 활동전위의 강도가 증가하지 않음
• 이온 채널을 막으면
  • 복어독의 위험성(테트로도톡신) : 나트륨 펌프에 문제 일으킴
  • 염화칼륨 : 사형이나 안락사에 쓰이며, 심장의 박동에 문제 일으켜 심장마비 일으킴, 의사의 높은 자살률과 관련
  • 부분마취 주사 : 리도카인은 나트륨 펌프 억제
• 랑비에 결절 : 전위는 축색 따라 이동, 수초가 없는 부분이 랑비에 결절. 도약 전도 (빠른 정보전달)

3. 뉴런의 화학적 신호

• 시냅스(synapse) : 축색의 끝부분과 수상돌기나 세포체 간의 접합부분을 의미하며, 미세한 간극을 시냅스 틈이라고 함. 화학적 전달
• 신경전달물질(neurotransmitter)
  • 화학적 정보전달자로, 간극을 넘어 정보 수용기에 들러붙음.
  • 재흡수를 통해 원래의 뉴런으로 돌아감
  • 아세틸콜린, 도파민, 글루타메이트, GABA, 노르에피네프린, 세로토닌, 엔도르핀
  • 신경계 약물은 신경전달물질을 증진시키는 효능제(agonist), 봉쇄하는 길항제(antagonist)가 있음
  • Axon terminal(축삭 말단) -> 소낭에 담겨 있는 신경전달물질, 방출되며, Post-synaptic neuron의 수용기에 달라붙음
  • 쓰고 남은 신경전달물질 : 재흡수, 효소에 의한 비활성화, 자가수용기(일종의 피드백)
  • 다양한 종류의 neurotransmitter : 일반적으로는 한 종류, but 최신 연구, 여러 종류. 아직 연구중(어떻게 서로 다른 종류의 신경전달물질이 같은 뉴런으로 전달되는지)
  • 어떻게 수용체에 정확히 달라붙는지 : 자물쇠-열쇠 관계. 일대일로 수용체와 수용기가 대응
  • 어떻게 서로 다른 종류의 신경전달물질을 구분하는가? 활동 전위의 주파수 등으로 추측.
  • 뇌의 특정 부위에 특정 neurotransmitter가 집중된 부위가 있음. ex) 도파민
• 신경전달물질의 종류
  • 아세틸콜린 (Ach) : 근육운동, 학습, 기억. 오작동시 알츠하이머성 치매에 걸리며, Ach 생성 뉴런의 퇴화. (치매 치료제는 존재하지 않으나, 아세틸콜린을 효과적으로 만들어주는 약., 효소에 의한 비활성화를 줄여줌.) 보톡스 (아세틸콜린의 활동 저하 (마비) -> 근육운동을 막아 주름을 막음)
  • 도파민 : 움직임, 동기, 쾌락, 정서에 영향 미침. 도파민 수용체의 지나친 활동은 조현병과 관련. 부족하면 파킨슨병의 초래 (L-Dopa 처방), 도파민 관련 약품: 항정신병(Anti-psychotic) 약. 부작용 존재. (살이 찌며, 내분비계 교란, 얼굴 떨림 등.)
  • 세로토닌 : 기분, 배고픔, 수면, 각성, 공격행동 등, 부족은 우울증과 관련되어 있음(인과관계는 증명되지 않음.), 선택적 세로토닌 재흡수 억제자 (SSRI), 항우울제 : 프로작, 거의 부작용 없음. (항정신병 약보다 훨씬 적음) (입마름, 소화 안됨, 성욕 감퇴 등)
  • 노르에피네프린 : 경계 상태, 환경 내 위험에 대한 인식. (기분과 관련), 결핍시 기분의 저하. SNRI(세로토닌-노르에피네프린 재흡수 억제제), 너무 불안해함 (노르에피네프린의 과다 분비.) 각성수준은 너무 낮아도, 너무 높아도 문제가 됨. (프로프라나롤 : 노르에피네프린의 길항제로 노르에피네프린 방출을 방해, 발표나 긴장되는 상황에 사용), 암페타민(마약은 아님, 메스암페타민이 마약)과 코카인은 도파민과 노르에피네프린의 효능제 (행복감, 에너지 증가). 암페타민은 중추신경흥분제(각성제)로 ADHD(주의력 결핍, 과잉행동 -> 각성되지 않음)계열의 환자에게 사용됨. 부작용으로는 식욕 저하. (다이어트 약으로 사용되기도 함.)
  • GABA : 주요 억제성 신경전달 물질. 이완, 편하게 만들어주는 물질. 부족은 경련, 떨림, 불면증 관련 (수면제/신경안정제) -> 내성이 생기기 쉬움(동일한 효과를 얻기 위해 써야하는 약의 양이 늘어남.) 부작용 : 잠은 잘오나, 아침에 일을 못함. (안정되어 멍해짐.)
  • 글루타메이트 : 주요 흥분성 신경전달물질, 과잉 시 두뇌 과잉 흥분시켜 편두통 경련 초래
  • 엔도르핀(endo-morphine) : 뇌에서 합성되는 모르핀. (아편, 모르핀 , 헤로인 등) -> 통증을 줄여주는 역할. Runner’s High : Dead point 이후 엔도르핀(쾌락) 나옴, 매운거 먹을 때도.

4. 신경계의 조직

• 신경계의 구분 : 중추신경계(CNS, 뇌와 척수), 말초신경계(PNS, 중추신경계와 다른 부분을 연결)
• 말초신경계
  • 체성신경계 : 신체 골격근의 수의적인 운동을 통제
  • 자율신경계 : 신체기관과 내분비선을 통제하며, 불수의적, 자동적 명령 전달.
• 자율신경계
  • 심박 : 변화가 큰 사람이 건강.
  • 교감 신경계 : 도전적이거나 위협적 상황에 대비하기 위해 각성시킴 (Fight or Flight) / 땀, 심박수 빨라짐, 소화와 면역 감퇴, 호흡 빨라짐, 동공 확대, 기본적으로 방광 이완
  • 부교감 신경계 : 신체가 평상시의 안정, 이완된 상태 되돌아오게 해줌.
  • 학대당하는 아동의 경우 상시적으로 교감신경계 활성화로 인해 면역기능과 신체 기능이 저하.
• 척수 : 말초신경계와 두뇌 연결하는 정보의 고속도로, 상향과 하향 신경섬유(감각 정보를 올려보내고, 운동 제어 정보를 내려보내는 것.)
  • 척수 반사 : 뜨거운 물체 만졌을 때 지각하기전에 먼저 손을 떼는 것
  • 척수 이상 : 온몸의 신경 마비 (크리스토퍼 리브, 슈퍼맨, 전신마비)

5. 뇌의 구조

• 뇌의 무게는 평균 성인 1.4~1.6kg, 60kg 성인의 2-3% 차지.
• 뇌의 산소 소비량은 대략 전체의 20~25%
• 지능과 뇌의 부피 사이의 상관관계 : 아주 약함. (별로 관련 없음)
• 후뇌 + 중뇌 : 파충류의 뇌
• 전뇌(피질하 구조) : 포유류의 뇌
• 전뇌(피질 구조) : 영장류의 뇌
• 후뇌(hindbrain)
  • 연수(medulla) : 심장박동, 순환과 호흡 조율(뒤통수가 깨지면 생명이 위험한 이유, 권총 자살시 목 뒤로 쏘는 이유.) 망상계(reticular formation) - 수명과 각성을 통제하는 부위(척수에서 시상까지 이어져 있음, 전신 마취 주사가 작동하는 부위)
  • 식물인간과 뇌사 : 식물인간은 연수 기능이 작동, 뇌사의 경우 그렇지 않음.
  • 소뇌(cerebellum) : 정교한 운동기술의 통제하는 후뇌의 큰 구조. 행동의 미세한 조율에 관여, 유연한 행동
  • 교 (pons) : 정보를 소뇌에서 뇌의 나머지 영역으로 전달(다리 역할)
• 중뇌(midbrain)
  • 시개 (tectum) : 유기체로 하여금 환경 내에서 정향(orientation) 반응(주의가 쏠리는)을 하게 함.
  • 피개 (tegmentum) : 운동과 각성에 관여. 자극 중 특히 감각자극으로 향하게 도와줌. 각성, 기분과 동기에 관여하는 신경전달물질이 집중되어 있음. (도파민 분비하는 뉴런이 다수 존재)
• 전뇌(forebrain)
  • 뇌의 가장 상위 수준으로 복잡한 인지, 정서, 감각 및 운동 기능을 통제함.
• 피질하 구조
  • 시상 (talamus) : 감각 정보의 중계 기지, 시각 청각 미각 촉각을 중계함. (후각은 제외, 왜인지 명확히 밝혀지진 않음). 능동적 정보의 여과. 수면동안 입력정보의 차단
  • 시상하부 (hypothalamus) : 시상의 바로 아래 위치. 체온, 갈증, Fighting, Fleeing, Feeding, Mating 조절 (4F를 조절)
  • 뇌하수체 통해 내분비계 지배, 정서와 관련.
  • 성행위에 영향 : 성에 대한 생각은 시상하부로 하여금 호르몬들을 분비하도록 만듦, 이 호르몬들을 통해 뇌하수체 제어. 뇌하수체는 다시 다른 내분비선의 호르몬 방출에 영향 미침.
  • 쾌락 중추(보상 중추)가 위치 : 쥐가 페달 누르는 실험
  • 뇌하수체 (pituitary gland) : 신체의 호르몬 생산체계에서 주분비선. 다른 내분비선 기능 관리. 시상하부에서 뇌하수체로 신호 오면 옥시토신(모유), ACTH(부신피질 자극 호르몬) 등의 호르몬 분비, 혈류 타고 흐르면서 다른 내분비선에 도착해 영향을 주게 됨.
  • 옥시토신의 과정 : 촉각 자극 -> 시상 -> 시상 하부 (옥시토신 분비 명령) -> 뇌하수체 (옥시토신 분비) -> 혈류를 타고 이동
  • ACTH가 나오면 부신에서 코르티졸이 나옴. (스트레스 호르몬이며, 실제 스트레스와 유의미한 상관관계)
  • 호르몬 : 혈류를 타고 작동, 신경전달물질 : 시냅스에 작용(작은 분자구조.) / 크기차이, 작용 범위의 차이가 존재.
  • 그러나 노르에피네프린과 같이 호르몬과 신경전달물질이 둘다인 경우도 있음.
  • 해마 (hippocampus) : 새로운 기억 형성, 새로운 기억을 지식 네트워크와 통합, 대뇌피질의 다른 영역에 영구적으로 저장하는데 중요한 역할. 따로따로 떨어진 기억들(감각)을 통합. (H.M의 사례, 해마 손상 후 기억하지 못함.)
  • 번연계 : 시상하부 + 해마 + 편도를 포함하는 전뇌 구조. 동기, 정서, 학습, 기억 관장
  • 편도체 (amygdala) : 해마의 각 뿔 끝에 위치. 정서과정, 정서기억 형성에 역할. 두려운 사건(공포, 트라우마, 분노)의 부호화에 관여. (고양이의 편도체 미세자극 -> 털을 곤두세우고 공격준비, 조금 다른 곳 자극 -> 쥐 조차도 무서워서 오금을 펴지 못함.) 사람을 대상으로 한 편도체 제거 실험 : 발작적 분노 감소시킬 수 있었으나, 때때로 환자의 일상생활을 황폐화시키는 부작용이 수반되기도 하였음. (불안감과 공포의 필요성.)
  • 기저핵 (basal ganglia) : 의도적 행동을 통제하는 피질하 구조. 기저핵의 한 부분인 선조체는 자세, 움직임의 통제에 관여. 파킨슨병의 환자의 경우 도파민 부족으로 인해 기저핵의 선조체가 영향 받고, 손을 떨거나 갑작스런 사지경련을 나타냄.
• 대뇌피질
  • 회(gyrus, 이랑), 구(sulcus, 고랑)으로 이루어져 표면적 늘림 (한정된 부피를 표면적 늘리려고.)
  • 좌반구와 우반구. 각각 반대편 신체의 기능 통제
  • 두 반구는 교련(commissures)에 의해 연결되어 있으며, 가장 큰 교련이 뇌량
  • 각 반구는 4가지 엽(lobes)으로 구분됨. (by gyrus, sulcus)
  • 후두엽 (occipital lobe) : 대뇌피질의 후측에 위치, 시각정보 처리. 시상에서 시각 피질로 시각정보 전달. 신체 위치(공간감, 주위에서 ’나’의 위치. 무아지경시 이 부분이 비활성화) / 선천적 시각장애의 경우 완벽한 시야 얻을 수없는 것이 어릴적 이 부분이 발달하지 않아서임.
  • 두정엽 (parietal lobe) :체감각(촉각과 신체 위치)에 대한 정보 처리. 민감한 부위일 수록 더 많은 감각피질이 담당. (지도)
  • 측두엽(temporal lobe) : 청각, 언어에 관련. 청각 피질은 귀에서 감각정보 받아들여 의미있는 단어로 처리. (주로 좌반구에서 처리됨. 왼손잡이는 가끔 오른쪽으로 쏠려 있기도.)
  • 전두엽(frontal lobe) : 두정엽과 붙은 분은 운동(운동피질), 전전두엽(pre-) : (과거 성찰, 미래 계획 등) 추상적 사고, 계획, 기억과 판단 등에 관여하는 전문화된 영역. 사고와 상상 계획과 예상을 가능하게 하여 인간을 다른 종과 구분하게 하는 영역. CEO (Chief executive Officer) - 전체적인 맥락을 계획, 최종 의사 결정, 주의의 할당, 자원의 분배 등

6. 뇌의 연구방법

• 피니어스 게이지 : 전두엽의 정서 통제, 계획과 의사 결정에 관여 (충동적, 정서 조절 X) / 뇌 기능이 부위에 따라 분업함을 알게 됨.
• 브로카 (의사) 영역 : 좌반구 전두엽의 제한된 영역이 손상. 말을 하지 못하나 이해능력은 유지.
• 베르니케 (의사) 영역 : 좌반구 측두엽 상측 부위, 말은 하나 이해하지 못함. (의미없는 말)
• 분리뇌 환자(Split brain)
  • 난치성 뇌전증 (간질, 뇌세포의 과도한 흥분상태가 전이 / 대발작, 소발작) 환자에게 뇌량 절제술 실시
  • 왼쪽에 열쇠 / 오른쪽에 반지를 보여주면 오른쪽에는 반지가 보인다고 말함. 왼쪽은 뭐가 보이냐고 하면 대답하지 못함.
  • 왼손으로 반지 잡으라고 하면 잡지 못함. (오른손이 처리해야하는데 우반구에는 정보가 전달되지 않아서.)
  • 좌반구 : 언어적 처리 / 우반구 : 비언어적 처리
• 뇌의 전기적 활동에 대한 연구 (뇌전도, Electroencephalograph, EEG)
  • 뇌의 전기적 활동 기록. 두피에 부착하여 전기적 활동을 시각적으로 제공
  • 수면의 단계, 각성의 특성에 대한 기본적 발견이 가능함.
  • 해당 구역의 활동의 총합 (무언가 해당 부위에서 활성이 일어나는 것은 알지만, 정확히 무슨일인지는 모름)
• 전극삽입법 : 직접 동물의 뇌에 전극 삽입하여 단일 뉴런의 활동 전위 양상 관찰. (특수한 수술 상황 제외하고는 동물에게 적용)
  • 고양이 후두엽 연구(Hubel) 연구를 통해 일차 시각피질의 뉴런들이 시각 자극의 특정 양상 (대비, 형태, 색체)에만 반응하는 것을 발견.
• 뇌 구조와 뇌 활성화의 연구에 사용되는 뇌 영상
• 구조 뇌영상 : 뇌의 기본 구조들에 대한 정보, 뇌 구조이상의 발견
  • 컴퓨터 단층촬영법(CT) - 서로 다른 각도에서 X-ray 촬영 (여러번. 방사능 많이 피폭)
  • 자기공명영상법(MRI) - 특정 분자의 핵이 정렬되도록 강한 자기장 사용, CT보다 연조직이 더 잘 나타남. 미세한 손상 감지가능. (시끄럽고 답답함, 움직일 수 없음.) / 강한 자기장 (수소분자가 특정 방향으로 정렬, 신호를 냄. )
  • 확산텐서영상(DTI) : 백질(흰색) 경로, 신경다발을 시각화하는데 사용. 뇌 영역을 서로 연결하는 경로 정보 제공. ‘인간 커넥톰 프로젝트’
• 기능 뇌영상 : 활동중인 뇌를 관찰, 활성화되는 뇌 영역의 뉴런은 더 많은 에너지 필요
  • 양전자방출단층촬영법(PET) : 해가 없는 방사성 물질 주사, 방사성 탐지기로 개인의 뇌 스캔. 활성화된 뇌의 부분은 더 피가 많이 쏠리는. -> 그래도 방사성이라.. + 전문가의 필요.
  • 기능자기공명영상법(fMRI) : 가장 널리 이용되는 방법, 자기 펄스에 노출될 경우 산회 헤모글로빈과 탈산화 헤모글로빈 차이 탐지. 활성화된 뉴런은 더 많은 에너지 (포도당)과 혈액(산소)를 요구. -> 빠른 시간 동안의 뇌 변화 탐지 가능.
  • 붉은 색이 더 많이 활성화된.
  • 인간의 사회적 고통.

7. 뇌의 발달

• 중추신경계의 진화적 발달 : 동물의 위계를 나눌 때 신경계로 구분.
  • 가장 단순한 신경계(원생동물) 에서부터 점차 복잡한 신경계로 진화.
  • 무척추동물과 척추동물 신경계의 큰 차이 : 척추동물의 중추신경계는 위계적 구성.
  • 양서류보다 상위수준 척추동물의 전뇌는 훨씬 더 크고 2개의 다른 부분으로 진화.
  • 파충류와 조류는 대뇌피질이 거의 없지만, 포유류는 매우 발달
  • 갑각류 산채로 요리하는 것이 윤리적으로 문제되는 이유? 신경계 발달.
• 인간 중추신경계의 출생 전 발달
  • 배아에서 가장 먼저 형태 취하는 신체 체계가 신경계
  • 신경관 형성, 척수, 전뇌, 후뇌로 나뉘고 각각 부위가 점점 하위구조로 세분화됨
  • 9개월을 3개의 주기로 나누면, 3~6개월에 대략적인 전뇌를 비롯한 대략적인 뇌 생성, 발달, 피질 구조 등은 6-9 개월 이후 발달
• 인간 뇌의 출생 후 발달
  • 출생 후 뉴런은 더이상 생기지 않음.
  • 생후 2년간은 많은 시냅스 형성 (100조개 이상의 시냅스, 성인의 2배정도)
  • 2년 이후 가지치기(Prooning) : 25세까지
  • 인간이 성장하고 주변 세계에 반응하는 방식에 깊은 영향
  • 철이 든다 : 충동적 행동을 덜 하는. (나이가 들며)
  • 예)중2병 - mPFC (전전두엽), 자기 자신에 대해 생각하는 부위(자의식) : 15세 무렵에 그 절정

8. 유전자, 후생유전학과 환경

• 유전자
  • 유전자(gene) 유전 전달의 단위
  • 특성에 영향 미치는 단백질 분자를 부호화하는 DNA 줄의 일부를 유전자라 함.
  • 염색체라 불리는 실 안에 구성, 염색체는 DNA를 이중 나선으로 감싸고 있음.
  • DNG는 mRNA의 작용을 통해 단백질 분자를 생산.
  • mRNA : 단백질 합성에 대한 정보를 전달하는 RNA로, mRNA 백신의 경우 바이러스의 스파이크 단백질 mRNA를 체내에 주입하여 항체 생성하도록 함.
• 유전자 공유 확률 (근친도: degree of related ness)
  • 모든 인간이라면 99% 정도의 DNA를 공유하므로, 일부 DNA의 개인차.
  • 친족과 상당한 정도의 유전자 공유.
  • 일란성 쌍생아는 100%, 이란성 쌍생아, 형제, 부모자식은 50%, 조부모는 1/4, 사촌은 1/8 공유
• 후생유전학
  • 환경이 유전자 발현 혹은 그렇지 않은지에 대한 영향을 미침. DNA의 기본적인 배열을 변화시키지는 않음.
• 후생유전적 지표
  • 발현 혹은 발현되지 않게 하는 DNA의 화학적 수정을 통해 유전자 발현에 영향을 미침. (희곡 원고 위의 메모)
  • DNA 메틸화 : DNA에 메틸군 첨가, 메틸화 된 유전자가 작동되지 않음.
  • 생애 초기 경험(부유, 가난) 이 DNA의 메틸화에 차이를 줌.
  • 히스톤 수정 : 히스톤이는 단백질에 화학적 수정 첨부. 유전자가 작동하거나 작동하지 않게 함.