1. 생물심리학이란?
20세기 초반 캐나다의 신경외과 전문의 펜필드(Wilder Penfield)는 환자들의 뇌 수술에 국부마취를 도입하였다. 환자는 뇌 수술 기간 동안 의식이 유지되어 의사의 질문에 대답할 수 있었으며, 신체의 일부를 움직일 수도 있었다. 그는 뇌 표면의 다양한 부위를 자극함으로써 환자가 피부의 촉각을 보고하는 것을 발견하였고 때로는 신체 특정 부위의 움직임을 보이기도 하였다.
또한 그는 뇌 자극법을 통해 뇌의 특정 부위와 신체 부위 간에 직접적인 감각 및 운동 연결이 있음을 발견하고 신체 부위를 기록하는 지도를 작성하였는데 이를 '뇌지도(homunculus)'라고 부르며 이 지도는 정교함을 자랑한다.
생물심리학(biological psychology)은 인간의 행동에 미치는 다양한 생물학적인 요인을 찾아내고 분석해 인간의 정신활동 전체를 신경 세포의 활동으로 설명한 심리학의 한 영역으로 급격한 발전을 이룬 뇌 과학과 함께 심리학의 여러 분야와 영역을 확장하고 있으며, 정신작용의 가장 신비한 부분인 '의식(consciousness)'마저도 뇌 신경계의 활동으로 설명하려는 시도와 연구가 이뤄지고 있다.
뇌는 신경계의 일부이며, 우리의 행동은 대부분 뇌의 작용으로 결정되지만 때로는 척수가 중요한 역할을 하기도 하고 뇌와 척수 및 각종 감각기관으로부터의 정보 입력과 신체의 근육을 움직이기 위한 명령의 전달 등에 관여하는 감각수용기들과 신경섬유들도 필수적인 요소이며, 이러한 신경계 요소에 더해 호르몬 역시, 행동에 영향을 미친다. 따라서 인간의 행동을 생물학적인 변인의 합으로만 설명하기 어렵다.
2. 신경계의 기본 단위인 '뉴런(neuron)'
신경계도 다른 신체 기관들과 마찬가지로 기본단위인 세포로 이루어져 있다. 신경계를 이루는 세포에는 여러 종류가 있는데, 행동과 가장 밀접한 관련이 있는 세포는 뉴런이다.
신경계에는 뉴런 이외에도 뉴런의 역할을 보조하는 '교세포'(glia)가 있다. 뉴런이 다른 세포들과 구분이 되는 특징을 갖고 있는데 빠르게 전기적 변화를 일으킬 수 있는데 이를 '흥분한다'라고 표현한다. 이러한 흥분성으로 정보 전달이라는 특수한 기능이 가능해진다. 정보-전달은 신경계와 유기체의 신체 전반에서 일어나는 현상이지만, 신경계의 정보 전달은 빠르고 정확하게 일어나서 변화하는 환경의 자극에 실시간으로 대응하는 기능을 한다.
뉴런은 한번 손상되면 재생되지 않으므로 다른 신체 부위의 손상보다 훨씬 치명적인 결과를 가져오기 때문에 우리가 위험한 활동을 할 때 헬멧을 써야 하는 이유도 이런 이유 때문이라고 할 수 있다.
1) 뉴런의 기본 형태
뉴런은 인체의 여러 세포 중 다양한 크기와 형태를 지닌다. 예를 들어, 엄지발가락 끝에서 척수로 감각을 전달하는 감각뉴런은 그 길이가 1미터에 달하지만 소뇌의 과립세포는 몇 마이크론에 지나지 않을 정도로 작다.
뉴런은 크게 수상돌기(dendrite), 세포체(soma), 축색(axon)으로 구성되어 있다. 수상돌기는 다른 뉴런에서 신호를 전달받는 곳이고 세포체는 몸에 있는 다른 세포들처럼 유전 정보를 지니고 있는 세포핵(nucleus)을 가지고 있으며, 세포로서의 대사와 유지 기능을 한다. 축색은 신경 신호를 다른 뉴런에 전달하며 축색의 끝은 여러 갈래로 분기하고 그 끝을 종말단추(terminal button)라 부르며 뉴런에서의 정보는 수상돌기-> 세포체-> 축색 -> 종말단추의 방향으로만 전달된다.
2) 뉴런의 기본 작동
앞전에 언급된 것처럼 뉴런의 가장 큰 특징은 빠르게 흥분할 수 있다는 것이고 이는 전기적으로 생산되어 전달된다.
그렇다면 뉴런은 이러한 전기적 신호를 어떻게 만들어낼까?
뉴런의 내부와 외부에는 전기적 극성을 띤 많은 이온이 존재하는데 세포막을 사이에 두고 뉴런의 내부에는 칼륨 이온들이, 외부에는 나트륨 이온들이 존재하며 세포막에는 이온들이 지나다닌 통로인 이온 채널(ion channel)이 존재한다. 평소에는 이온 채널이 닫혀 있거나 극히 일부만 열려있어 이온들의 자유로운 흐름을 제한하는데 이러한 제한에 의해 세포막의 내부와 외부는 농도 차이가 발생하고 이에 따라 세포막을 사이에 두고 전위차가 발생하게 되며, 이러한 전위차는 약 -70mV에 이르며, 이를 안정 전위(resting potential)라고 한다.
이온 채널이 열려 전위차가 발생하고 다시 안정 전위로 돌아오는데 1~2밀리초(ms 걸리지 않으며 이처럼 빠른 전위차의 변화를 활동 전위(action potential)라고 하는데 활동 전위가 연속해서 발생할 경우 그 뉴런이 발화하고 있으며, 이러한 발화의 빈도나 패턴을 통해 뉴런이 정보를 부호화한다. 이렇게 생성된 활동 전위는 축색을 따라 종말단추로 전달된다.
수초는 축색 주변을 감싸고 있는데 수초가 있는 뉴런의 축색을 유수축색이라고 부른다. 이렇게 수초가 감싼 부위는 이온 채널이 존재하지 않아 활동 전위가 발생하지 않는다. 따라서 활동 전위는 수초와 수초사이의 마디에서만 발생하며, 수초를 건너뛰는 것과 같은 방식으로 전달되어 속도를 향상시키는데 이를 도약 전도(salutatory conduction)라고 하고 축색에서 수초화되어 있지 않은 부분을 랑비에 마디(node of Ranvier)라고 부르며, 인간을 비롯한 유수축색을 가진 동물이라면 도약 전도를 통해 빠른 신경전달이 가능하다.