신경과학이란

neuroscience

신경과학(神經科學, neuroscience 또는 뇌신경과학)은 뇌를 포함한 모든 신경계에 대해서 연구하는 학문이다. 신경과학은 우리가 외부 환경을 어떻게 인지하며 경험하는지, 그리고 다른 사람과 어떻게 얼마나 상호관계를 맺는지 등을 밝혀내는 데 중점을 두고 있다. 신경과학은 분자, 세포, 발생, 구조, 기능, 진화, 컴퓨터 연관, 의학적 측면을 다룬다. 신경과학자들이 사용하는 기술은 빠르게 발전하여 개별 신경세포의 분자 및 세포 수준에서 뇌의 감각과 운동 능력에 대한 뇌 영상까지 연구할 수 있다. 최근에는 이론적인 진척에 힘입어 신경망에 대한 연구가 진행되고 있다. 신경과학은 유전학, 생화학, 생리학, 약리학, 병리학, 진화 생물학 등의 학문과 친밀한 연관을 맺고 있으며 생물의 한 분야로 여겨진다. 그러나 신경과학은 학문의 특성상 생물학의 한 분야라고만 단정 짓기는 어려우며, 실제로 심리학, 컴퓨터 과학, 통계학, 물리학, 의학, 언어학, 철학, 수학 등의 다른 분야의 학문의 도움을 많이 받고 있다.

신경계 연구의 역사는 고대 이집트까지 거슬러 올라간다. 이 시기에 두통을 완화하거나 정신 질환을 치료하려는 목적 혹은 두개골 내압을 낮추기 위하여 두부 절개술(두개골에 구멍을 내는 외과술)이 시행되었다. 두부 절개술이 행해졌다는 증거는 신석기 시대 지층에서도 발견되며 전 세계적으로 널리 퍼져 있다. 기원전 18세기의 필사본에 의하면 이집트인이 뇌 손상에 대한 지식을 가지고 있었다. [1] 처음에 이집트인들은 뇌를 단순히 '두개골을 채우는 무언가'로 여겼다. 이집트 중왕국 시대에 이르러서는 미라를 만들면서 뇌를 제거하는 것이 관례가 되었다. 이 시기에는 인지 기능이 심장에서 이루어지는 것으로 보았다. 헤로도토스는 미라화의 첫 단계가 "구부러진 철 조각으로 콧구멍을 통해 뇌를 끄집어내고 머리뼈의 빈 곳을 약품으로 헹궈 씻는 것"이라고 하였다. 서양에는 아물 카시스라고 알려진 아부 알 까심 알자 하여라 위(아랍어: أبو القاسم خلف بن العباس الزهراوي), 이븐 루시드, 이븐 주를, 그리고 마이모니데스는 중세 이슬람계에서 활동한 의학자들로, 뇌와 관련된 의학적 문제에 관해 문헌으로 남겼다. 르네상스시기 유럽에서는 베살리우스(1514-1564)와 르네 데카르트(1596-1650)가 신경과학에 또한 기여하였다. 특히, 르네 데카르트는 심장 활동과 기타 생명 활동에 필요한 필수적인 기계적 운동을 모두 뇌에서 관장하고 있다고 보았는데, 이러한 주장은 데카르트가 저술한 『인체의 구조에 관하여』에서 쉽게 확인할 수 있다. 심장을 이식의 원천으로 보는 관점은 고대 그리스 의사였던 히포크라테스 시대까지 받아들여졌다. 그는 뇌가 감각과 연관이 있을 뿐만 아니라, 지능과도 연관이 있다고 믿었다. 플라톤은 영혼 soul의 이성적인 부분이 뇌에 자리하고 있다고 생각했다. 그러나 플라톤의 제자였던 아리스토텔레스는 심장이 지능의 중심이며 뇌는 심장에서 나오는 열의 양을 조절하는 기능을 한다고 믿었다. 이 관점은 고대 로마 검투사들의 의사이자 히포크라테스의 신봉자였던 의학자 갈레노스 시대까지 받아들여졌다. 갈레노스는 그의 환자들이 뇌에 지속적 손상을 입으면 정신 능력을 잃는다는 것을 관찰하였다.

폴 브로카는 뇌 손상을 입은 환자들을 연구하여 뇌의 특정한 영역에 손상을 입으면 특정한 기능이 손실된다고 주장하였다. 당시에 브로카의 발견은 프란츠 요제프 갈(프랑스어: Franz Joseph Gall)의 이론, 즉 언어 기능과 특정한 정신적 기능은 대뇌 피질의 특정한 영역에 국한되어 있다는 것을 확인하는 것으로 여겨졌다. 누이지 갈바니는 1700년대 말에 근육과 뉴런이 전기적으로 흥분한다는 선구적인 연구를 했으나 에밀 뒤 부아 레몬(Emil Du Bois-Reymond), 요하네스 페터 뮐러, 헤르만 폰 헬름홀츠 등은 19세기 말에 이르러서야 뉴런이 흥분하여 인접한 뉴런의 전기적 상태에 영향 미친다는 것을 증명하였다. 현미경이 발견되고 카밀로 골지가 1890년대에 은 염색법을 개발한 이래로 뇌 연구는 좀 더 정교해졌다. 은 염색법은 크로뮴산 안(silver chromate)염을 이용하여 개별 뉴런의 복잡한 구조를 드러내었다. 산티아고 라몬 이 카할은 이 기술을 이용하여 '뇌의 기능적 단위는 뉴런이다'를 골자로 한 뉴런 주의을 주장하였다. 골지와 라몬 이 카할은 뇌 곳곳의 뉴런을 관찰하고, 묘사하고, 분류한 공로로 1906년 노벨 생리학·의학상을 받았다.

신경계는 분자와 세포 수준에서부터 신경계 전체와 인지 수준까지 연구 대상이다. 분자 신경과학 분야에서는 분자생물학과 유전학에서 사용하는 실험 기술들을 사용하여 어떠한 작용으로 뉴런이 분자적 신호를 만들고 반응하는지, 그리고 어떻게 축삭이 복잡한 연결을 형성하는지 등에 대한 답을 찾는다. 뉴런의 발생, 유전적 변화가 생물학적 기능에 미치는 영향, 뉴런의 형태학과 생리학적 특성 또한 분자 신경과학의 주요 연구 주제이다.

기타 주요 신경과학 분야에는 신경계의 발생을 다루는 신경발생학이 있다. 신경발생학의 주요 연구 주제는 신경계를 특정 영역에만 국한하고 패턴을 만들어내는 방법, 신경줄기세포, 뉴런과 신경교세포의 분화, 신경 발생 과정 중 뉴런의 이동, 축삭과 가지돌기의 발생, 성장인자와 상호작용, 시냅스 형성 등이다. 신경발생학은 진화 생물학과 유전학과의 결합으로 신경의 진화과정과 발생의 각 과정에서 발현되는 유전인자에 관한 연구들이 활발히 이루어지고 있다. 세포 신경과학에서는 뉴런이 세포 신호를 생리학적, 전기화학적으로 처리하는 방법을 다룬다. 뉴런의 신경돌기(가지돌기와 축삭)와 신경세포체(perikaryon)가 신호를 처리하는 과정, 정보를 전달하기 위하여 사용되는 신경전달물질과 전기 신호에 대해 연구한다.