지각ㆍ인식하는 뇌

3일만에 읽는 뇌의신비 : 야마모토 다이스케 감수, 박선무 고선윤 옮김, 서울문화사, 2002, Page 130~154

1. 뇌가 지배하는 '지각' 을 아는 포인트

2. 오감

3. 시각 ①

4. 시각 ②

5. 청각

6. 후각

7. 미각

8. 촉각

9. 환상지통

10. 평형감각

11. 식욕과 뇌①

12. 식욕과 뇌②

1. 뇌가 지배하는 '지각' 을 아는 포인트

1) 오감은 바깥 세계의 정보를 모으는 안테나

사람은 눈으로 사물을 보고, 귀로 소리를 듣고, 코로 냄새를 맡고, 피부로 바깥 세계와 접촉한다. 이것을 오감이라 한다. 오감이 우리 생활에 얼마나 도움이 되는가는 말할 필요도 없다.

시각이나 청각은 물론이고, 냄새를 맡고, 맛을 느끼지 못하면 '먹는다' 는 인생의 즐거움을 빼앗긴다.

피부로 느끼는 촉감도 사람에게 즐거움을 가져다준다. 연인끼리 손을 잡고 걷는 것은 '접촉의 기쁨' 이 있기 때문이다.

즐거움만이 아니다. 오감이 있기 때문에 우리는 몸에 닥치는 위험을 감지하고 생명과 몸을 지킬 수 있다. 끓는 냄비에 손을 대도 아무런 느낌이 없다면… 상상해 보기 바란다.

오감은 이른 바 '안테나' 이다. 바깥 세계의 정보는 먼저 오감이라는 안테나에 잡히고 거기서 정보를 처리하기 시작한다. 다시 말해서 이 안테나에 장애가 생기면 사람은 바깥 세계의 정보로부터 차단된다. 바로 몸에 위험이 닥치는 것이다.

2) 컴퓨터와는 비교도 안되는 초고속 시스템

오감으로부터 얻은 정보는 뇌로 전달되어 각각의 기능에서 즉시 처리된다.

사물을 볼 때에는 시세포가 사물의 형태나 색 등의 자극을 받고 그것을 전기신호로 바꾼다. 그 신호는 몇 가지의 신경세포로 전달되어 마침내 뇌에서 그 사물이 무엇인가를 인식한다. 이런 오감을 지배하고 있는 것이 바로 뇌이다.

그 시스템은 매우 정교하고 치밀하다. 순간적으로 날아오는 정보를 안테나가 잡고, 잡은 정보는 순식간에 신경을 따라 뇌 중추로 전달된다. 그것은 컴퓨터의 속도와는 비교할 수도 없이 빠르다.

매우 정교하고 치밀한 초고속 장치가 사람 뇌에 조합되어 있다. 그것은 놀라운 일이 아닐 수 없다.

아름다운 풍경을 보고, 좋아하는 음악을 감상하고, 맛있는 음식을 즐기고, 향기를 맡으며, 연인의 몸에서 포근함을 느끼는 것도 모두 정교하고 치밀하고 빠른 뇌의 장치 때문이다.

그 뇌의 장치란 대체 어떤 것인가? 그것은 사람의 감각ㆍ지각의 비밀에 다가가 감각을 연마하는 길로도 통한다.

2. 오감

1) 뇌가 기능을 다하기 위해서 반드시 필요한 것

뇌에는 다섯 개의 연합령이 있는데 (→24쪽), 그것들이 사람에게 필요한 모든 기능 중추를 형성하고 있다. 그중에서도 전두연합령은 최고의 중추로 높은 단계의 정신적 영역을 담당하고 있다. 그것은 생물 중 사람만이 가질 수 있는 매우 발달된 특별한 세계이다.

그러나 뇌가 아무리 우수한 기능을 가지고 치밀한 시스템을 구축하고 있다고 할지라도 그 뇌에 중요한 정보가 입력되지 않으면 사고하는 일도, 판단하는 일도 불가능하다. 이를테면 샐러리맨이 전직의 기로에 섰을 때, 그는 오른쪽으로 갈 것인가 왼쪽으로 갈 것인가를 결정해야 한다. 그때 오른쪽이나 왼쪽 세계에 대한 정보가 없다면 사고나 판단을 할 수가 없다. 그와 마찬가지로 정보가 없으면 이제까지의 경험을 살린 학습 작업이나 효율적 몸 운동도 불가능해진다.

뇌가 뇌로서의 기능을 다하는 데는 먼저 정보를 어떻게 받아들이느냐가 중요하다. 그리고 그 정보를 뇌에게 제공하고 있는 것이 말초감각이다. 말초감각에는 형태나 색을 아는 시각, 소리를 듣는 청각, 냄새를 맡는 후각, 맛을 아는 미각, 감촉을 느끼는 촉각 이렇게 다섯 가지가 있고, 일반적으로 '오감' 이라 한다.

2) 오감의 정보는 감각 영역으로 향한다.

오감은 각각 감각기관을 통해서 뇌로 전달된다. 시각은 눈, 청각은 귀, 후각은 코, 미각은 혀, 촉각은 피부에 정보를 보낸다. 그것은 많은 사람들이 이미 알고 있는 바와 같다.

각각의 감각기관에는 감각을 민감하게 받아들이는 세포, 이른 바 감각세포가 둘러쳐져 있다. 눈으로 보는 일, 즉 시각의 경우 사물의 형태나 색 등의 자극을 정보로서 받아들이는 시세포가 망막에 있는데, 먼저 그 세포가 바깥 세계의 자극에 반응한다.

이런 감각세포가 자극을 받으면 그 정보는 전기신호로 바뀌고, 이어지는 일련의 신경세포를 거쳐 각 신경으로 전달된다. 어떤 정보는 신경세포에서 척수로, 척수에서 뇌간으로, 뇌간의 시상을 경유해서 대뇌 피질로 직행한다. 시각에 대한 정보 등이 그렇다.

이렇게 바깥 세계의 정보가 감각 영역에 도달했을 때 사람은 비로소 사물의 형태나 색을 알고, 소리를 귀로 듣고, 음식 맛을 확인한다. 오감에 따른 정보야말로 뇌를 움직이는 스타트스위치인 것이다.

3. 시각 ①

1) 망막의 시세포에서 전기신호로 변환

감각의 민감도는 사람마다 다르다. 청각이 예민한 사람도 있고, 후각이 예민한 사람도 있다. 혹은 타인보다 미각이 예민한 사람도 있다.

그러나 이런 사람들도 포함해서, 사람은 필요한 정보의 대부분을 시각에 의지한다. 자료에 따르면, 사람은 바깥 세계의 정보 가운데 70 ~ 80 % 를 시각에서 얻고 있다. 그러므로 오감 중 시각이 가장 발달되어 있다고 할 수 있다. 그렇다면 시각은 어떤 신경의 길을 지나 뇌로 전달되는 것인가. 시각의 경우, 바깥 세계와의 창구는 말할 것도 없이 양쪽 눈이다. 양쪽 눈에는 수정체라는 렌즈가 있고, 바깥 세계의 사물은 수정체를 통해서 양쪽 망막에 비추어진다. 망막에는 시세포라는 세포가 있다. 바깥 세계로부터의 자극은 망막의 시세포에서 전기신호로 바뀌고 시신경으로 보내진다.

여기까지가 사물을 보는 제 1 단계이다.

2) 초스피드 작업

왼쪽 눈과 오른쪽 눈의 시신경은 뇌 속에서 교차된다. 교차되는 지점을 시신경 교차 지점이라 한다. 양쪽 시신경은 시신경 교차 지점에서 그 흐름이 바뀐다. 오른쪽 시야에 비친 정보는 좌반구의 뇌 (=왼쪽 뇌) 로 진행한다.

좌우의 뇌에도 도달한 정보는 먼저 시상으로 향한다. 시상의 역할은 뇌에 들어온 정보를 대강 정리하는 것이다. 말하자면, 사물을 인식하기 전의 준비 단계라 할 수 있다.

시상에서 대강 정보 정리가 끝나면 그것들은 드디어 대뇌 피질의 시각중추로 보내진다.

시각중추에서는 바깥 세계로부터 날아들어와서 시상에서 정리된 정보가 세밀하게 분석ㆍ검토 되어진다. 분석ㆍ검토되는 것은 그 정보의 형태나 색을 비롯해서, 밝기나 어두움, 움직임, 주변과의 위치 관계 등이다.

분석ㆍ검토가 끝나면 드디어 바깥 세계의 정보는 뇌 속에서 구체적인 이미지로 형성되고, 뇌는 사물이 무엇인가를 인식한다. 즉, 사람은 이 시점에서 그 사물이 무엇인가를 판단하는 것이다.

그러나 현실에서는 이런 일련의 작업이 순식간에 이루어지므로, 사람은 끊임없이 눈앞에 나타나는 사물을 보고 그것이 무엇인가를 판단한다. 시각을 비롯해서 모든 감각은 사람이 깨어 있는 동안에는 끊임없이 이런 작업을 지속적으로 하고 있다.

4. 시각 ②

1) 색을 분별하는 세포, 명암을 아는 세포

사물을 볼 때, 색이나 명암이 없다면 그것은 아주 평면적 화상으로밖에 보이지 않을 것이다. 다시 말해서 모든 사물에는 색과 명암, 그리고 배경과의 대비가 있기 때문에 비로소 사물의 입체적 모습을 알 수 있는 것이다.

오감 중 하나인 시각은 색과 명암을 분석하는데, 그 시스템은 놀라울 만큼 정교하다. 이미 기술한 바와 같이 바깥 세계의 사물은 수정체라는 렌즈를 통해서 좌우의 망막에 맺히고, 망막 속의 시세포에서 전기신호로 바뀌어 시신경에 전달된다. 그 과정에 등장하는 시세포는 하나가 아니라, 추체와 간체라는 두 종류가 있다. 망막 중심부에 있는 추체라는 세포는 사물의 색에 대한 기본 정보를 뇌에 전달한다. 이에 비해 간체는 막대와 같은 모양으로 사물의 명암에 대한 정보를 담당하고 있다.

시세포 속의 이 두 세포가 색과 명암에 관한 정보를 각각 담당하고 있는 것이다.

2) 색을 정하는 것은 '파장'

바깥 세계의 사물 정보는 수정체를 통과해서 망막의 시세포에 전달되는데, 이때 사물 정보는 빛에 있다. 시신경 중 추체는 이런 빛의 파장을 느낀다. 시각은 결국 빛 파장의 차이를 색의 차이로 번역하는 구조다.

복잡한 색일수록 다른 파장의 빛이 포함되어 있다. 추체에 포함된 로돕신이라는 물질에는 세 종류가 있는데, 각각 다른 파장의 빛에 대해서 감도가 높다. 즉, 빨강ㆍ초록ㆍ파랑에 대응하는 파장이다. 세 파장의 센스가 느끼는 정도를 다양한 색의 시리즈로 변환한다. 추체는 각 파장의 차이에 대한 정보를 대뇌로 전달한다.

대뇌는 추체에서 처리된 정보가 전달되면, 사물이 내는 빛의 파장을 자세하게 분석해서 그 파장의 차이로 사물의 색이 무엇인가를 인식해 간다. 분석 결과, 빨강 파장의 빛이라면 사물의 색을 빨강이라고 결정한다. 그러므로 같은 사물이라도 사람에 따라서 보이는 색은 미묘하게 다르다.

한편, 간체는 명암에 강하다. 추체는 색을 판정할 때에 중요한 역할을 하고 있지만 그 최대의 약점은 어둠에 약하다는 것이다. 이에 비해 간체는 색을 판단하는 능력은 없지만 명암에는 민감하다. 특히 어두운 곳에서 저력을 발휘한다. 어두운 곳에 있는 사물을 볼 때에는 추체 대신 간체가 사물의 정보를 대뇌로 전달한다.

시세포에는 추체와 간체라는 두 개의 세포가 있어서, 비로소 다양한 사물 정보가 대뇌로 전달된다. 이것으로 사물의 색이나 명암이 결정되고 사람은 그것을 인식해 간다.

5. 청각

1) 공기의 진동을 잡는 일에서부터 시작한다.

사람이 소리를 들을 때, 그것은 처음부터 소리로 들린다. 소리가 실은 공기진동에서 시작되며, 그런 진동이 몇 개의 기관을 통과하고 여러 과정을 거쳐서 비로소 소리가 된다고는 생각지도 못할 것이다.

물체가 움직이면 그것은 공기의 진동이 되고, 귓속의 고막이 그 진동을 잡는다. 그 진동을 이소골이 증폭하고, 증폭된 진동은 내이에 있는, 달팽이를 닮은 달팽이관에 전달되어 전기신호로 바뀐다.

전기신호로 바뀐 정보는 연수와 교의 경계 부근을 목표로, 중뇌와 시상을 경유해서 대뇌 피질의 청각중추로 향한다. 청각중추는 청각정보를 처리하는 곳이다. 위치는 측두엽 내부의 구석진 곳에 있는데, 여기서 처리된 정보가 드디어 소리로 인식되는 것이다.

2) 좌우 귀에는 약간의 시차가 있다.

소리에는 세 개의 요소가 있다. 먼저 강약, 그 다음이 높이, 그리고 세 번째가 음색이다.

소리가 어느 방향에서 들리는가도 중요하다. 그렇다면 청각은 어떻게 소리의 방향을 판단하는가.

좌우에서 들려오는 소리에는 강약이 있다. 그리고 소리 발신지까지의 거리가 오른쪽 귀와 왼쪽 귀는 약간의 차이가 있으므로 들리는 타이밍에도 약간의 시차가 있다. 청각중추는 이런 미묘한 차이를 이용한다.

즉, 소리의 강약이나 소리가 들어오는 시차로 소리의 방향을 정하고 소리의 발생 지점을 판단한다. 이른 바 귀, 귓구멍은 외이다. 그 뒤의 고막이나 이소골 부분은 중이라 한다. 중이보다 안쪽에는 달팽이관, 전정, 삼반규관이 있는데, 이것들은 합쳐서 내이라 한다.

난청 중 외이나 중이에 이상이 있는 것을 전음성 난청이라 한다. 이것은 청각기로 대응할 수 있고, 수술로 고치는 길도 있다. 그러나 내이의 이상이 원인인 감음성 난청은 치료가 어렵다.

최근에 개발된 인공 내이로 청력을 상당히 회복할 수 있게 된 것은 큰 축복이다.

대뇌의 청각중추에 장애가 생기면 소리의 내용ㆍ의미ㆍ방향 감각 등을 잃는, 이른 바 '청각 실인증' 이나 '피질농' 이 된다.

6. 후각

1) 교미ㆍ생식에서도 중요한 '냄새'

사람이 후각을 필요로 하는 것은 주로 음식과 관련해서다. 부패한 음식을 후각으로 판단할 수 있는가, 없는가! 그것은 생사와 직결된다. 또한 어떤 종류의 동물은 냄새로 교미 상대를 정한다. 즉, 냄새를 맡는 행위에는 그 종의 생존이 걸려 있다.

연어나 거북이가 산란을 위해서 자신이 태어난 장소로 되돌아간다는 이야기는 유명하다. 연어나 거북이가 돌아갈 수 있는 것도 그곳의 물 냄새를 정확하게 기억하고 있기 때문이다. 그러므로 후각은 모든 동물에게 꼭 필요한 기능이고, 물론 사람에게도 그 중요성은 말할 필요가 없다. 그렇다면 사람은 어떻게 냄새를 맡고 그 냄새의 '정체' 를 판단하는 것인가?

2) 냄새마다 준비되어 있는 후사구체

시각은 빛에 대한 정보, 청각은 공기 진동에 대한 정보를 받아들이고, 후각은 공기 속의 화학물질, 즉 냄새 분자에 관한 정보를 받아들인다.

냄새 분자는 먼저 콧구멍 (비강) 에서 그 속에 위치한 후상피에 도달한다. 후상피 표면에는 점막이, 그 내부에는 후세포가 있다. 냄새 분자는 점막에 녹고, 후세포는 그 분자를 잡는다. 이것이 냄새를 맡는 제 1 단계이다. 후세포가 잡은 냄새 분자는 전기신호로 바뀌어서 후세포를 통과하고, 후구에 도달한다. 후구에는 각 냄새에 반응하는 후사구체가 준비되어 있는데, 냄새는 종류에 따라 각 후사구체로 들어간다. 이것이 제 2 단계이다.

후사구체에 들어간 냄새 정보는 계속 이동해서 먼저 이상엽으로 향하고, 거기서 시상이나 시상하부를 경유해서 대뇌피질의 후각 중추로 진행한다. 후각중추에서 그것이 어떤 냄새인가를 판단한다.

이미 언급한 바와 같이, 냄새 분자를 처음으로 잡는 것은 후상피의 내부에 있는 후세포이다. 이 세포의 수는 사람의 경우 2 천만 개에서 5 천만 개에 이른다. 한편, 후각이 예민한 개는 1 억 개에서 2 억 개라고 하니, 후각이 민감한 동물일수록 그 세포의 수가 많은 셈이다.

또한 냄새에는 다종다양한 것이 있으므로 여러 타입의 세포가 준비되어 있다. 그 수는 500 종이라고도, 1 천 종이라고도 한다. 냄새의 종류에 따라, 후세포는 다른 짝을 이루고 동시에 흥분한다. 따라서 느낄 수 있는 냄새의 종류는 엄청나게 많다. 냄새를 맡는다고 한마디로 말하지만 거기에는 여러 기능이 동원된다.

7. 미각

1) 사람이 가장 민감한 것은 '쓴맛'

미각에는 단맛ㆍ짠맛ㆍ신맛ㆍ쓴맛 네 종류가 있다. 물론 그것들은 단순히 음식의 맛을 즐기기 위한 감각이 아니다.

네 종류의 맛 중 신맛은 음식의 부패를, 쓴맛은 음식이 해로운가를 감지하는 감각이다. 이른 바 자신을 부패한 물질이나 유해 물질로부터 보호하려는 감각이다. 미각도 사람의 생존을 위해서는 꼭 필요한 기능인 것이다.

맛을 느낄 수 있는 농도에서 생각하면 그 기능을 더 잘 이해할 수 있다. 맛을 느낄 수 있는 농도가 높은 것에서부터 나열하면 단맛, 짠맛, 신맛, 쓴맛의 순서다. 다시 말해서 쓴맛은 조금의 농도에서도, 즉 조금만 있어도 민감하게 느낄 수 있고, 다음으로 민감한 것이 신맛인 셈이다.

이 점에서도 신맛이 민감하게 위험을 감지하고 사람의 생존을 지키는 기능을 하고 있음을 알 수 있다.

2) 8 천 개나 되는 미관구

그렇다면 미각을 느끼는 과정은 어떻게 되어 있는가? 우선 미각을 느끼는 감각기를 미관구라 한다. 혀를 내밀어 보면 거기에 입자 모양의 돌기가 보이는데, 미관구는 그 입자 속에 있다.

미관구는 8 천 개나 되는데 혀에만 있는 것은 아니다. 구개 (위턱) 나 인두, 후두 등에도 존재한다. 그렇긴 하지만 그래도 혀에 압도적으로 많다.

사람은 먼저 미관구 속에 있는 미세포라는 세포에서 맛을 캐치한다.

미세포는 럭비공처럼 생겼는데, 여기서는 맛의 정보가 전기신호로 바뀐다. 전기신호는 미각신경으로 전해지고 연수, 교, 시상을 경유해서 대뇌 피질의 미각중추에 도달한다.

3) 뇌 속의 '맛의 데이터 베이스' 에서 대조

미각중추는 단순히 단맛ㆍ짠맛ㆍ신맛ㆍ쓴맛을 판단하는 것만이 아니다. 미각중추는 미각에 대한 과거의 기억이나 경험을 재빨리 끄집어내고, 현재의 미각과 대조해서 어떤 맛인가를 판단한다. 말하자면 미각중추에 들어온 정보는 어디까지나 재료에 지나지 않는다. 그 재료는 컴퓨터 속의 막대한 데이터 베이스에 조회된 후 이윽고 그 독특한 맛이 인식된다. 과거 경험에 비추어, 그 신맛이나 쓴맛이 '이상한' 것일 경우 뇌는 위험하다는 적신호를 보낸다.

평상시 무엇인가를 먹을 때에는 전혀 의식하고 있지 않지만, 뇌는 '맛' 에 대해서 이렇게 작용하고 있는 것이다.

8. 촉각

1) 복잡한 '피부 촉감' 의 구조

촉감은 주로 피부를 통해서 바깥 세계의 정보를 느낀다. 성인의 피부는 평균 1.8 m² 인데, 그 피부가 촉각의 창구이다.

피부는 자극을 어떻게 느끼는가? 먼저 접촉한 감각을 받아들이는 곳을 촉점이라 한다. 그 밑에 많은 감각기가 숨어 있다. 그것들은 파치니 소체, 마이스너 소체 메르겔 반, 루피니 종말, 그리고 자유신경종말이라 불린다. 이것들은 각각 다른 역할을 맞고 있다. 이를테면 피부가 무엇인가에 접촉했을 때 파치니 소체는 처음으로 반응하고, 마이스너 소체는 피부의 형태가 변형하는 속도를 파악한다. 그리고 가볍게 눌리는 감각을 느끼는 것은 메르겔 반이다. 피부가 당기는 감각을 담당하는 것은 루피니 종말, 통증이나 따뜻함ㆍ차가움을 느끼는 것은 자유신경종말이다.

이런 감각기를 통해서 얻어진 바깥 세계의 정보는 시각이나 청각과 마찬가지로 전기신호로 바뀐다. 그 신호는 척수와 시상을 지나 대뇌 피질의 두정엽에 있는 감각중추에 도달한다. 거기서 사람은 처음으로, 접촉한 것이 어떤 성질의 것인가를 인식한다.

2) 통증은 몸을 지키는 경보기

촉각 기관 중에서도 특히 주목되는 존재가 자유신경종말이다. 이것에 대해서는 제 4 장에서 소개했는데 (96 쪽), 이 감각기가 사람을 위험으로부터 보호한다.

이미 기술한 바와 같이 자유신경종말은 통증이나 따뜻함ㆍ차가움을 느끼는 역할을 담당한다. 온각과 통각에는 확실하게 연관성이 있다. 고추를 만진 손으로 눈을 비비면 눈의 점막은 아픔과 동시에 열이 나는 느낌을 받는다. 그 이유는 실로 단순하다. 온각과 통각을 받아들이는 수용 단백질이 같은 것이기 때문이다. 그 수용 단백질은 고추의 매운 성분인 캡사이신이 결합하는 단백질로서 발견되었다. 바니로이드 수용체라 불리는 이것은 상처에 생기는 통증유발물질을 받아들인다.

이런 자극은 전기신호로 바뀌고 통증의 정보가 되어 척수와 시상을 통과해서 대뇌 피질의 두정엽에 있는 감각중추에 도달한다. 감각중추에서는 즉시 분석작업이 시작되고, 그 통증이 어느 부위의 피부 상처인가를 특정짓고 최종적으로 경고한다.

아픈 곳을 통보하는 시스템이 없다면 어느 세포에 상처가 생기고, 때로는 사멸할 것인지를 알 수가 없다. 그렇게 알지 못한 채 방치해 두면 때로는 그 상처가 치명상이 되어 생명에 위험이 생길지도 모른다.

촉각은 '접촉하는 즐거움' 을 가져다줌과 동시에 생명을 유지하는 경보장치이다.

9. 환상지통

1) 실험에서도 증명되었다

사고 등으로 팔을 잃은 사람이 잃은 부위의 아픔을 느끼는 일이 있다. 잘 믿을 수 없겠지만, 이를테면 팔꿈치를 자른 사람이 손 바닥이나 손가락의 아픔을 느끼는 일이 있다고 한다.

본래 아픔이란 망가진 세포에서 나오는 통증유발물질의 자극이 감각기를 경유해서 뇌에 전달되면서 생기는 것이다. 즉, 피부가 상처를 입거나 자극을 받지 않는 한 뇌가 아픔을 느낄 리가 없다. 그러나 실제로는 잘려나가서 없는 부위의 아픔을 뇌가 느끼고, 감각적으로 피부나 팔이 아픈 것처럼 생각되는 일이 있다.

그것은 실험으로 증명되었다. 이를테면 대뇌 피질에서 아픔을 느끼는 부분을 자극하면 그 아픔에 관계되는 피부나 팔에서 아픔을 느낀다. 그러나 실제로 피부나 팔에는 아픈 흔적이 없다.

2) 뇌만 있다면 아픔을 느낀다

예를 들어 교통사고로 오른팔을 잃은 사람이 있다고 하자. 당연히 그에게는 오른팔이 없다. 오른팔이 없으므로 오른팔에서는 아픔을 느끼지 못한다. 상식적으로 누구나 이렇게 생각할 것이다.

그러나 현실은 기묘한 것이다. 오른팔이 없는데도 그의 오른팔에 관계된 대뇌 피질의 어떤 부분을 자극하면 그는 오른팔에서 아픔을 느낀다. 이것을 의학적으로 '환상지통' 이라 하는데, 그것은 오른팔이 아픈 것이 아니라 오른팔 감각을 지배하는 뇌에서 아픔을 느낀다는 사실을 증명하고 있다.

이것은 픽션 세계의 이야기가 아니다. 미국의 신경과학자 V. S. 라마찬드란이 쓴 <뇌 속의 유령> 에는 환상의 팔에서 아픔을 느끼는 환자의 이야기가 등장한다.

그 내용은 다음과 같다.

어느 아마추어 운동선수가 오토바이 사고로 팔을 잃은 후, '환상의 팔' 이 움직이는 감각을 느끼면서 살고 있다는 것이다. 손을 뻗어 커피 잔을 잡기도 한다. 라마찬드란이 그 컵을 잡아당기면 그는 아파서 비명을 지를 정도이다. 물론 팔을 잃은 환자가 커피 잔을 잡는 일은 불가능하다. 그러나 그의 뇌는 그것을 잡고 있다고 착각하고 통증을 느끼는 것이다. 이것이 바로 환상지통이다.

10. 평형감각

1) 평형감각의 선물

야구선수가 공을 칠 때 한쪽 다리를 들고 대단히 불안정하게 보이는 자세로 치는 경우가 있다. 불안정 속의 안정 타법이라고나 할까.

우리가 똑바로 서 있을 수 있는 것도, 야구선수의 이런 타법도 모두 평형감각이 있기 때문이다. 사람은 이 감각을 가지고 절묘하게 균형을 이루고 있다.

원래 평형감각은 자신의 몸 위치나 운동 변화를 인식하는 감각이라고 하는데, 그 시스템은 어떠한가?

2) 액체 속 유모세포의 비뚤어짐

평형감각에서 중심적 역할을 담당하고 있는 것은 귀의 내이에 있는 삼반ㄱㅎ관과 이석기이다. 이것들은 평형감각이라 불리는데, 모두 털을 가진 유모세포이다.

삼반규관의 유모세포는 림프액 속에 있다. 림프액의 움직임으로 털이 움직이고 세포가 자극된다. 그 자극은 전기신호로 바뀐다. 그 신호는 회전이나 속도 등 머리나 몸의 움직임을 느끼는 정보가 되어 즉시 뇌에 전달된다.

한편, 이석기의 유모세포는 이석을 담은 젤리 상태의 액체 속에 있다. 이 액체의 움직임으로 유모세포가 일그러지고, 그것이 전기신호가 되어 뇌로 전달된다. 이석기의 신호는 머리의 기울어짐 등에 대한 정보이다.

이렇게 두 개의 평형감각기의 정보는 뇌간 등을 통과해서 소뇌에 도달하고, 소뇌의 일이 시작된다. 소뇌는 타원형인데, 그것은 먼저 삼반규관과 이석기에서 보낸 정보를 분석하고, 그것을 기초로 여러 활동을 전개해 간다. 이를테면 머리가 움직여도 눈에 비치는 상이 흔들리지 않도록 안구를 조절하고, 불안전한 상태라도 몸이 기울어지지 않도록 돕는다.

야구선수가 불안정하게 보이는 자세로 야구 방망이를 신기하게 조절할 수 있는 것은 두 개의 평형감각으로부터의 정보와 그것을 분석하고 몸의 균형을 잡아 주는 소뇌가 있기 때문이다.

균형을 유지하는 행위에 공헌하는 것은 평형감각기만이 아니다. 안구 조절에서는 시각이 관여하고, 몸이 기울지 않게 하기 위해서는 근육과 관절 등이 동원된다. 즉, 균형을 유지하고 일상생활을 지탱하기 위해서는 평형 감각기와 많은 감각기관이 서로 협력하고 있는 것이다.

11. 식욕과 뇌①

1) '배가 고프다' 는 시상하부에서

뇌 이야기에 가끔 등장하는 시상은 뇌간의 가장 위에 있고, 많은 소형 신경세포 덩어리가 들어 있다. 여러 감각정보는 여기를 경유해서 대뇌 피질의 감각중추 등에 전달된다.

이 시상 밑에 있는 것이 시상하부인데, 이것은 뇌의 거의 중심부에 위치하고 있다. 이 부위의 첫 번째 역할은 생명의 유지에 필요한 욕망을 낳는 것이다.

2) 공복감과 포만감을 반복하는 구조

그 욕망의 하나가 식욕이다. 사람은 배가 고프면 무엇인가 먹고 싶어진다. 배가 심하게 고프면 무엇이라도 먹어야만 된다. 그것은 말할 것도 없이 생명 유지에 관계되기 때문이다. 반대로 욕심을 내어 과식하면 더 이상 음식이 보기도 싫다 … 는 생각을 하게 된다. 누구나 그런 기억이 있을 것이다.

사람은 공복감과 포만감을 반복하면서 생명을 유지하고 있다. 이렇게 식욕을 조절하는 것이 시상하부이다.

3) 섭식중추가 망가지면 어떻게 되나?

시상하부 중 식욕조절을 하는 부분은 두 개의 기능으로 나뉘어져 있다. 하나는 음식을 먹이려는 기능이고, 또 하나는 먹는 일을 정지시키는 기능이다. 전자는 '섭식중추' 이고 후자는 '포만중추' 이다.

섭식중추는 시상하부의 바깥쪽에 위치하고 있는데, 이곳을 자극하면 동물은 음식을 끊임없이 먹는다. 그것은 실험으로 증명되었다. 이를테면 쥐의 섭식중추에 전기자극을 가하면 그 쥐는 왕성한 식욕을 발휘해서 위 속 상화오가는 관계없이 끊임없이 먹는다. 어느 정도 포만 상태가 되어도 결코 먹는 일을 멈추지 않는다. 멈추는 것은 자극을 중지했을 때이다. 섭식중추가 어떤 명령을 내리고 있는가는 이 실험을 통해서 명백해졌다.

만약 섭식중추가 망가지면… 이라는 생각만 해도 등이 오싹해진다. 섭식중추가 기능을 중지하면 당연히 식욕은 생기지 않는다. 그러면 아무리 심한 공복일 때라도 먹으려는 마음이 생기지 않는다. 그것은 죽음과 직결되는 상황이다.

이렇게 생각하면 "오늘 점심은 무엇을 먹을까" 고민하고, "여름이라 식욕이 없다" 등으로 고민하는 일은 정상이라는 증거다.

12. 식욕과 뇌②

1) 포만중추를 자극하면…

앞에서 기술한 바와 같이, 시상하부 중 식욕 조절 부분은 둘로 나뉘어져 있다. 하나는 음식을 먹이려는 기능이고, 또 하나는 먹는 것을 정지시키려는 기능이다. 전자를 '섭식중추', 후자를 '포만중추' 라 한다.

섭식중추는 시상하부의 바깥쪽에 위치하고, 포만중추는 시상하부의 안쪽에 있다. 섭식중추는 식욕을 증진시켜 주지만 포만중추는 그 섭식을 정지시킨다.

쥐 등의 실험에서 포만중추를 자극하면 동물들은 아무것도 먹지 않게 된다. 아무리 한계에 이른 공복 때일지라도 이 중추에 자극을 가하면 먹는 일을 거절한다.

2) 균형이 깨지면 과식→비만으로

섭식중추가 망가지면 식욕을 전혀 느끼지 않는다는 사실을 앞에서 설명했다. 그것은 때로 죽음과도 직결된다. 그렇다면 포만중추가 망가졌을 경우엔 어떻게 될까.

만일 포만중추가 망가지면 "그만 먹어라" 라는 명령이 내려지지 않는다. 이렇게 되면 사람을 포함한 모든 동물은 아무것도 생각하지 않고 끊임없이 먹기만 한다. 일은 잘 없지만 기능 부전에 빠지는 경우는 실제로 있다. 그렇게 되면 이른 바 과식을 하기 시작해서, 이윽고 포만 그리고 각종 병이 생기는 사태까지 발생한다.

병은 아니지만 과식에 따른 비만을 걱정하는 독자도 적지 않을 것이다. 과식은 섭식중추와 포만중추의 균형이 망가졌기 때문에 나타나는 현상이다. 이른 바 정상 섭식중추가 "힘을 내서 먹어라" 라고 강하게 명령을 내리는데 비해, 포만중추의 "이제 그만 먹어라" 라는 명령은 약해져 있다. 그렇게 되면 두 개의 중추의 균형이 무너져서 "먹어라" 가 "멈추어라" 를 능가하게 된다.

그렇다면 섭식중추나 포만중추를 움직이는 메커니즘은 무엇인가. 그 포인트는 혈액 중의 포도당과 몇 가지의 호르몬이다.

뇌는 혈액 속의 포도당을 영양원으로 삼고 있는데, 그 포도당이 적어지면 섭식중추가 반응해서 "먹어라" 라고 권한다. 반대로 포도당이 많아지면  포만중추가 반응해서 "멈춰라" 라고 스톱을 건다. 즉, 포도당의 농도가 올라가거나 내려가면 섭식중추와 포만중추를 자극해서 식욕을 절묘하게 조절하는 것이다.