뇌 연구의 역사 (Brain Research History)

인류 역사상 가장 오래된 의학 문헌으로, 48건의 외상 환자 치료법을 기술하고 있습니다. 여기에는 인류 역사상 최초로 '뇌(Brain)', '뇌막', '뇌척수액'이라는 단어가 기록되어 있으며, 두개골 골절로 인한 뇌 손상이 신체의 반대측 마비나 언어 장애를 초래한다는 놀라운 임상적 관찰이 담겨 있습니다. 그러나 당시 일반적인 종교관에서는 심장이 영혼과 지혜의 보고로 간주되어, 사후 미라화 과정에서 뇌는 코를 통해 긁어내 버렸습니다.

의학의 아버지 히포크라테스(Hippocrates, BC 460~370경)는 간질(성스러운 병)에 관한 저술에서 다음과 같이 통찰했습니다:

반면 대학자 아리스토텔레스(Aristotle, BC 384~322)는 생명과 감정의 중심을 심장(Heart)으로 보았으며, 뇌는 단순히 심장에서 발생하는 뜨거운 열기를 식혀주는 '냉각 라디에이터' 역할을 할 뿐이라고 주장했습니다. 아리스토텔레스의 막강한 권위로 인해 심장 중심설은 중세까지 강력한 영향력을 행사했습니다.

검투사들의 주치의였던 갈레노스는 뇌 손상이 운동 및 감각 능력에 즉각적인 이상을 초래함을 생생히 목격했습니다. 그는 동물 해부를 통해 신경이 뇌와 척수에서 뻗어 나온다는 것을 증명했습니다. 하지만 그는 뇌의 실질 조직보다 뇌 내부의 빈 공간인 뇌실(Ventricles)에 주목하여, 심장에서 온 혈액이 뇌실에서 '동물 정기(Animal Spirits, Pneuma)'로 정제되어 텅 빈 신경관을 타고 온몸으로 흘러간다는 뇌실-체액설(Ventricular Theory)을 정립했습니다. 이 이론은 이후 1,500년 동안 유럽 의학을 지배했습니다.

이탈리아의 카밀로 골지는 질산은으로 신경세포를 염색하는 '골지 염색법(Black Reaction)'을 발명하여 신경세포의 실체를 최초로 현미경 밑에 드러냈습니다. 그러나 골지는 신경세포들이 그물처럼 하나로 완전히 연결되어 신호를 주고받는다는 '망상설'을 고수했습니다.

반면 스페인의 천재 신경해부학자 산티아고 라몬 이 카할(Santiago Ramón y Cajal)은 골지 염색법을 개량하여 수많은 동물의 신경계를 관찰한 끝에, "신경세포는 서로 연속되지 않으며, 미세한 틈새를 두고 독립적으로 존재하는 기본 단위"라는 뉴런설(Neuron Doctrine)을 수립하고, 신호는 수상돌기에서 세포체를 거쳐 축삭으로 한 방향으로 흐른다는 동적 편극의 법칙(Law of Dynamic Polarization)을 천명했습니다. 1906년 두 사람은 노벨상을 공동 수상했으며, 1950년대 전자현미경의 개발로 카할의 뉴런설이 최종 승리를 거두었습니다.

영국의 신경생리학자 찰스 셰링턴(Charles Sherrington)은 신경 반사 속도가 순수 전기 전도보다 지연되는 점을 발견하고, 뉴런과 뉴런 사이의 연접부를 '시냅스(Synapse)'라 명명했습니다. 이어 1921년 오토 뢰비(Otto Loewi)가 개구리 심장 실험을 통해 최초의 신경전달물질인 아세틸콜린(Vagusstoff)을 분리해내면서 신경 신호 전달이 전기뿐만 아니라 화학 물질에 의해 매개된다는 사실이 증명되었습니다.

앨런 호지킨과 앤드루 헉슬리는 오징어의 거대 축삭(Squid Giant Axon)에 미세전극을 삽입하여, 신경 흥분이 세포막의 나트륨(Na⁺) 및 칼륨(K⁺) 이온 통로의 개폐와 전압 변화에 의해 일어남을 증명했습니다. 그들은 이 메커니즘을 4개의 비선형 미분방정식(호지킨-헉슬리 모델)으로 수식화하여 노벨 생리의학상을 수상했으며, 이는 오늘날 계산신경과학(Computational Neuroscience)의 기초가 되었습니다.

캐나다의 신경외과의사 와일더 펜필드는 뇌수술 중 각성 상태인 간질 환자의 대뇌 피질을 전기 자극하여 신체의 감각과 운동이 대뇌 중심구 앞뒤(일차 운동피질과 일차 체감각피질)에 정확히 매핑되어 있음을 밝혀냈습니다. 손과 입술 등 정밀한 조작과 감각이 필요한 부위가 피질에서 기형적으로 큰 면적을 차지하는 난쟁이 인형 '코르티칼 호문쿨루스(Cortical Homunculus)'는 뇌 지도의 상징이 되었습니다.