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신경과학

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목차

1. 개요

신경과학은 신경계, 특히 뇌를 연구하는 학문으로, 고대 이집트 시대부터 시작되어 현재까지 발전해왔다. 뇌와 관련된 의학적 문제에 대한 연구는 중세 이슬람 의학자들을 거쳐 르네상스 시대의 베살리우스와 데카르트의 연구로 이어졌다. 19세기 후반에는 골지와 카할의 연구를 통해 뇌의 뉴런 구조가 밝혀졌고, 브로카, 잭슨, 베르니케 등의 연구를 통해 뇌의 특정 영역이 특정 기능을 담당한다는 사실이 밝혀졌다. 20세기 후반에는 분자생물학, 전기생리학, 생물정보학 등의 발달로 신경계 연구가 급증했으며, 뇌의 구조와 기능, 작동 방식, 기능 장애, 변화 가능성 등 다양한 측면을 연구하게 되었다. 현대 신경과학은 분자 및 세포신경과학, 시스템 신경과학, 인지 및 행동 신경과학, 신경계 의학 등 다양한 분야로 세분화되어 있으며, 뇌-컴퓨터 인터페이스, 뉴로모픽 공학 등 다양한 분야에 응용되고 있다.

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신경과학
지도 정보
기본 정보
분야생물학, 심리학
연구 대상신경계
주요 연구 주제신경 세포
뇌 기능
행동
관련 분야해부학
생리학
분자생물학
세포생물학
전산학
수학
화학
약리학
물리학
공학
인지과학
심리학
의학
학문적 접근분자 신경 과학
세포 신경 과학
시스템 신경 과학
행동 신경 과학
인지 신경 과학
발달 신경 과학
임상 신경 과학
주요 방법전기 생리학
신경 영상
유전학
행동 연구
역사
초기 연구이집트 (기원전 1700년)
그리스 (기원전 4세기)
근대 연구19세기
주요 발전현미경 발달
신경 세포 이론
전기 생리학 기술 발달
뇌 영상 기술 발달
주요 인물
주요 학자산티아고 라몬 이 카할
카밀로 골지
앨런 호지킨
앤드루 헉슬리
데이비드 허블
토르스텐 위젤
에릭 캔들
게이리 마커스
하위 분야
주요 분야분자 신경 과학
세포 신경 과학
시스템 신경 과학
행동 신경 과학
인지 신경 과학
발달 신경 과학
임상 신경 과학
연구 방법
주요 기술전기 생리학
신경 영상
유전학
행동 연구
뇌 자극
사회적 영향
응용 분야신경 질환 치료
뇌 손상 치료
학습 및 기억 향상
인공 지능 개발

2. 역사

그레이 해부학(1918)에 나오는, 측면에서 본 인간 뇌와 해마 그림.


신경계 연구의 역사는 고대 이집트까지 거슬러 올라간다. 이 시기에는 두통을 완화하거나 정신 질환 치료를 위해 두부 절개술(두개골에 구멍을 내는 외과 수술)이 시행되었다. 신석기 시대 지층에서도 두부 절개술의 증거가 발견된다.[148] 기원전 18세기 필사본에 따르면, 이집트인들은 뇌 손상에 대한 지식을 가지고 있었다.[148]

초기 이집트인들은 뇌를 '두개골을 채우는 무언가'로 여겼다. 이집트 중왕국 시대부터 미라를 만들 때 뇌를 제거하는 것이 관례였다. 당시에는 인지 기능이 심장에서 이루어진다고 보았다. 헤로도토스는 미라화의 첫 단계가 "구부러진 철 조각으로 콧구멍을 통해 뇌를 끄집어내고 머리뼈의 빈 공간을 약품으로 헹궈 씻는 것"이라고 기록했다.[149]

고대 그리스 의사 히포크라테스는 뇌가 감각[150]과 지능에 관여한다고 믿었다. 플라톤은 영혼의 이성적인 부분이 뇌에 있다고 생각했다.[151] 그러나 아리스토텔레스는 심장이 지능의 중심이며 뇌는 심장의 열을 조절한다고 믿었다.[152] 이 관점은 고대 로마의 의사 갈레노스 시대까지 받아들여졌다. 갈레노스는 환자들이 뇌 손상으로 정신 능력을 잃는 것을 관찰했다.

아부 알까심 알자흐라위(أبو القاسم خلف بن العباس الزهراوي|아부 알까심 알자흐라위ar), 이븐 루시드, 이븐 주르, 마이모니데스는 중세 이슬람 의학자로 뇌 관련 의학적 문제를 기록했다.[153][154] 르네상스 시기 유럽에서는 베살리우스(1514-1564)와 르네 데카르트(1596-1650)가 신경과학에 기여했다. 특히 르네 데카르트는 뇌가 심장 활동 등 생명 유지에 필수적인 기계적 운동을 제어한다고 보았다.[155]

골지 염색법으로 개별 뉴런을 볼 수 있었다.


현미경 발견과 카밀로 골지의 은 염색법(1890년대) 개발 이후 뇌 연구는 정교해졌다. 은 염색법은 크롬산 은(silver chromate영어)염을 이용해 개별 뉴런의 구조를 드러냈다. 산티아고 라몬 이 카할은 이 기술로 '뇌의 기능 단위는 뉴런'이라는 뉴런주의(neuron doctrine영어)를 주장했다.[156][157] 골지와 라몬 이 카할은 1906년 노벨 생리학·의학상을 수상했다. 루이지 갈바니는 1700년대 말 근육과 뉴런의 전기적 흥분을 연구했으나, 에밀 뒤 부아 레몽, 요하네스 페터 뮐러, 헤르만 폰 헬름홀츠 등은 19세기 말에야 뉴런의 흥분이 인접 뉴런에 영향을 미친다는 것을 증명했다.

폴 브로카는 뇌 손상 환자 연구를 통해 특정 뇌 영역 손상이 특정 기능을 손실시킨다고 주장했다. 이는 프란츠 요제프 갈(Franz Joseph Gall|프란츠 요제프 갈프랑스어)의 이론, 즉 언어 기능 등이 대뇌 피질의 특정 영역에 국한된다는 것을 확인하는 것으로 여겨졌다.[158][159] 존 헐링스 잭슨(John Hughlings Jackson|존 헐링스 잭슨영어)은 간질 환자 관찰로 운동 피질의 존재를 추론하여 '기능의 국소화' 이론을 뒷받침했다. 칼 베르니케(Carl Wernicke|칼 베르니케de)는 언어 이해와 발화에 관한 뇌 구조 이론을 발전시켰다. 현대 연구는 브로드만 영역과 대뇌 피질의 세포구축학(cytoarchitectonics영어) 정의를 사용한다.[160]

1952년, 앨런 로이드 호지킨과 앤드루 헉슬리는 오징어 거대 축삭에서 활동전위 발화 및 전달에 대한 수학적 모델(호지킨-헉슬리 모델)을 제시했다. 1961-1962년, 피츠휴(R. FitzHugh)와 나그모(J. Nagumo)는 피츠휴-나그모 모델을 만들었고, 1962년 베르나르트 캐츠(Bernard Katz|베르나르트 캐츠de)는 시냅스를 건너는 신경전달을 모델화했다. 1981년 모리스와 레카는 모리스-레카 모델(Morris-Lecar model영어)을 만들었다. 1984년 J.L. 힌드마쉬와 R.M. 로즈는 신경전달 모델을 확장했다.

1966년 초 에릭 칸델은 학습과 기억 저장 중 뉴런의 생화학적 변화를 연구했다.

3. 현대의 뇌과학

현대의 신경과학은 분자생물학, 진화생물학, 전기생리학, 생물정보학의 발전에 힘입어 1950년대 이후 급격히 발전하면서, 신경계의 구조, 발생 과정, 작동 방식, 변화 가능성 등 모든 측면을 연구할 수 있게 되었다.

척추동물의 신경계는 중추신경계와 말초신경계로 나뉜다. 신경계는 체내에서 가장 복잡한 시스템이며, 이 복잡성의 대부분은 뇌에 있다. 인간의 뇌는 천억 개의 뉴런과 백조 개의 시냅스로 이루어져 있으며, 수천 개의 하위 구조로 구성되어 있다. 시냅스 네트워크의 복잡성은 이제 막 밝혀지기 시작했다. 사람의 유전자 중 상당수가 뇌에서 특이적으로 발현되며, 시냅스 연결 구조는 신경가소성에 의해 일생 동안 변화한다.[161]

20세기 후반부터 전자 현미경, 컴퓨터 과학, 전자 공학, 기능적 신경 영상, 유전학, 게놈학 등의 발전으로 신경계에 대한 이해가 크게 증가했다. 최근에는 뇌세포 분류가 전기생리학적 기록, 단일 세포 유전체 시퀀싱, 고품질 현미경 기술을 통해 이루어지고 있으며, 패치 시퀀싱이라는 방법으로 이러한 기술들을 결합하여 효율적으로 뇌세포 유형을 연구할 수 있게 되었다.[42]

신경계는 신경세포와 글리아세포 등으로 구성되며, 신경세포는 기능적인 회로를 형성하여 행동이나 움직임에 필요한 특정 기능을 담당한다. 신경과학은 분자, 세포, 시스템, 인지 기능 수준까지 다양한 연구가 이루어지고 있다.

최근 신경과학은 사회과학과 융합하여 신경경제학, 의사결정 이론, 사회 신경과학 등 새로운 학문 분야를 탄생시키고 있다.

신경학과 정신의학은 신경계 관련 질환을 다루는 의학 분야이며, 신경과학의 기초 연구와 밀접하게 관련되어 있다.

3. 1. 분자 및 세포신경과학

분자생물학과 유전학의 실험 기술을 사용하여 뉴런이 분자 신호를 발생시키고 반응하는 기작, 축삭이 연결을 형성하는 과정을 연구한다. 뉴런의 발생, 유전적 변화가 생물학적 기능에 미치는 영향, 뉴런의 형태학과 생리학적 특성 또한 주요 연구 주제이다.[44]

세포신경과학에서는 뉴런이 세포 신호를 생리학적, 전기화학적으로 처리하는 방법을 다룬다. 신경돌기(가지돌기와 축삭)와 신경세포체(perikaryon)가 신호를 처리하는 과정, 정보를 전달하기 위하여 사용되는 신경전달물질과 전기 신호에 대해 연구한다.[46]

신경계의 발생을 다루는 신경발생학의 주요 연구 주제는 신경계를 특정 영역에만 국한시키고 패턴을 만들어내는 방법, 신경줄기세포, 뉴런과 신경교세포의 분화, 신경 발생 과정 중 뉴런의 이동, 축삭과 가지돌기의 발생, 성장인자와 상호작용, 시냅스형성 등이다.[47] 신경발생학은 진화 생물학과 유전학과의 결합으로 신경의 진화과정과 발생의 각 과정에서 발현되는 유전인자에 관한 연구들이 활발히 이루어지고 있다.

3. 2. 신경회로와 네트워크

시스템 신경과학은 신경회로가 반사, 다중감각 결합, 운동 협응, 감정, 학습, 기억 등의 기능을 수행하는 방식을 연구한다. 신경생태학과 신경심리학은 동물과 사람 행동의 신경 기반을 다룬다.[55] 신경내분비학은 신경계와 내분비계의 상호작용을, 심리신경면역학은 신경계와 면역계의 상호작용을 연구한다.[56]

행동 언어 이해를 위한 운동-의미 신경 회로의 제안된 구성 (Shebani et al., 2013)


시스템 신경과학은 발달하는 뇌의 구조 및 기능과 뇌 안의 기능적으로 연결된 시스템 (대규모 뇌 네트워크)의 기능에 중점을 둔다. 뇌 발달과 함께, 시스템 신경과학은 뇌의 구조와 기능이 감각 정보 처리를 가능하게 하거나 제한하는 방식, 그리고 세계에 대한 학습된 정신 모델을 사용하여 행동을 유도하는지에 초점을 맞춘다.

시스템 신경과학은 신경 회로가 해부학적 및 생리학적으로 어떻게 형성되고 사용되어 반사, 다감각 통합, 운동 조절, 하루주기 리듬, 감정 반응, 학습 및 기억과 같은 기능을 생성하는지를 연구한다.[52] 뇌에서 연결이 어떻게 만들어지고 변형되는지, 그리고 그것이 인간의 감각, 움직임, 주의, 억제 제어, 의사 결정, 추론, 기억 형성, 보상 및 감정 조절에 미치는 영향을 연구한다.[53]

이 분야의 특정 관심 영역에는 신경 회로의 구조가 기술 습득에 미치는 영향, 뇌의 특수 영역이 발달하고 변화하는 방식(신경가소성), 그리고 개별 발달 뇌의 배선 다이어그램 또는 뇌 아틀라스 개발이 포함된다.[54]

3. 3. 인지 및 행동 신경과학

신경회로에서 정신적 기능이 발생하는 방식을 연구하는 학문이다. 뇌 영상 기술(예컨대 fMRI, 양전자방출단층촬영, SPECT), 전기생리학, 인지심리학 분야의 정밀한 실험 기술과 결합된 인간 유전체 분석 등 새로운 측정 기술이 발전함에 따라 신경과학자들과 심리학자들이 인간의 인지 능력과 감정에 관계된 추상적인 질문에 답하는 데 도움을 주고 있다.[40]

신경과학은 사회과학 및 행동과학과 학제간 연구를 통하여 신경경제학, 의사 결정론, 사회 신경과학 등 다수의 신생 학문을 만들어냈다. 이들은 뇌와 환경 간의 상호작용에서 오는 복잡한 상황을 연구한다.

3. 4. 신경계 의학

신경학, 정신의학, 신경외과, 마취학, 신경병리학, 신경방사선학 등은 신경계 관련 질환을 다루는 의학 분야이다. 신경학은 뇌졸중, 근위축성 측색 경화증 등 중추 및 말초신경계 질환을 다루고, 정신의학은 기분장애, 행동장애, 인지장애 등을 다룬다.[61] 뇌 영상 기술은 정신 질환을 객관적으로 해석하고 진단하는 데 기여하고 있다.[63]

4. 주요 분야

현대 신경과학은 실험 주제와 범위에 따라 다양한 분야로 나뉜다. 개별 신경과학자들은 여러 분야에 걸쳐 연구를 진행하는 경우가 많다. 주요 분야는 다음과 같다:[162][163][61][62]

신경과학의 주요 분야
분야설명
감정신경과학감정과 관련된 신경 메커니즘을 연구하며, 주로 동물 모델을 이용한다.
행동신경과학인간과 동물의 행동에 대한 유전적, 생리학적, 발달 메커니즘 연구에 생물학적 원리를 적용한다.
세포신경과학세포 수준에서 뉴런의 형태 및 생리학적 특성을 연구한다. 신경유전학과 전기생리학에 큰 영향을 준 기본 학문이다.
신경유전학신경 세포의 발생 또는 진화에 따른 발달을 연구하며, 최근 유전학 및 진화학과 결합하여 주목받고 있다. 신경 발생 생물학과도 연관되어 통합 연구되기도 한다.
임상신경과학신경학과 정신의학 같은 의료 전문 분야를 포함하며, 언어 병리학 등 연합된 건강 전문가도 포함한다. 신경계 장애(신경학) 및 뇌의 장애(정신의학)를 연구한다.
인지신경과학심리작용의 신경기질에 초점을 맞춰 인지 메커니즘을 연구한다.
계산신경과학신경계를 구성하는 구조의 정보 처리 특성에 대한 뇌 작동을 연구한다. 컴퓨터 시뮬레이터와 이론적 모델을 활용하여 신경계 작동을 연구한다.
신경계 의학신경과학, 정신의학, 신경외과학, 정신외과학, 마취과학, 통증의학, 신경병리학, 신경방사선학, 안과학, 이비인후과학, 임상 신경생리학, 중독의학, 수면의학 등 신경계 질환을 다루는 의학 전문 분야이다.


5. 신경과학의 응용

신경과학 연구는 여러 분야에 걸쳐 영향을 미치며, 신경경제학, 신경교육학, 신경윤리학, 신경법학 등 다양한 응용 분야를 탄생시켰다.

뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)는 뇌와 기계를 연결하여 신경계 질환을 치료하고 재활하는 데 활용될 수 있다.[65] 그러나 이 기술의 윤리적 문제에 대한 고려가 필요하다.[66][67]

뉴로모픽 공학은 뉴런의 작동 방식을 모방하여 유용한 연산을 수행하는 물리적 모델을 만드는 분야이다. 뉴로모픽 컴퓨터는 중앙 처리 장치 없이 상호 연결된 구성 요소들로 이루어진 복잡계로서 기존 컴퓨터와는 다른 방식으로 작동한다.[115] SpiNNaker 슈퍼컴퓨터가 그 예시이다.[116]

뉴로모픽 기술은 스마트 센서 개발에도 활용된다. 독일 하이델베르크 대학교의 이벤트 카메라인 BrainScaleS는 휴먼 브레인 프로젝트의 일환으로 개발되었으며, 생물학적 뉴런과 그 연결을 물리적으로 모방한다. 이 모델 뉴런은 실제 뉴런보다 훨씬 빠르게 작동한다.[117]

최근에는 뉴로모픽 마이크로칩 기술을 이용하여 질병으로 손상된 뉴런을 대체할 수 있는 인공 뉴런이 개발되기도 했다.[118][119]

참조

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