편도체: 뇌는 어떻게 공포를 만드는가

1980년대 초, 뉴욕대학교 신경과학센터의 지하 실험실. 작은 우리 안, 스테인리스 격자 바닥 위에 스프라그-돌리 쥐 한 마리가 앉아 있다. 스피커에서 짧은 소리가 흘러나온다. 그로부터 찰나의 순간 뒤, 동물의 발밑 격자로 0.5밀리암페어의 전류가 흐른다. 쥐는 그대로 얼어붙어 온몸의 근육을 빳빳하게 굳히고, 그 순간 스톱워치가 작동하기 시작한다. 이 장면은 수천 번의 시행을 거쳐 반복되며, 각 시행은 결국 정교하게 병변을 낸 쥐 뇌의 현미경 슬라이드 위에 하나하나 새겨진다.

이 실험을 이끈 사람은 조지프 르두였는데, 그는 단지 쥐에게 움찔하는 법을 가르치고 있던 것이 아니었다. 그는 귀에서부터 안쪽으로 들어가는 신호를 추적하며, 아무 의미 없는 소리가 위협으로 바뀌는 바로 그 지점을 찾고 있었다. 그 수렴 지점은 측두엽 깊숙한 곳에 자리한 작고 아몬드 모양을 한 구조물로 밝혀졌다. 이 글은 그 실험들이 답한 질문을 따라간다. 무언가가 당신을 두렵게 할 때, 뇌는 무엇을 하고 있으며, 그것은 어디에서 일어나는가?

측두엽을 열어젖힌 1937년의 한 우연

이 이야기는 르두에서 시작되지 않는다. 그것은 1937년, 시카고대학교에서 일하던 하인리히 클뤼버와 폴 부시가 붉은털원숭이의 양쪽 측두엽을 수술로 제거했을 때 시작된다. 그들이 관찰한 것은 기이하면서도 놀라울 만큼 일관된 일군의 변화였고, 이는 훗날 클뤼버-부시 증후군으로 알려지게 된다. 동물들은 뱀과, 자신을 다루는 사람에 대한 정상적인 공포를 잃어, 전에는 자신을 공포에 떨게 했던 대상에게 다가갔으며, 손에 닿는 모든 것을 입으로 물었고, 부적절한 대상과 교미를 시도했으며, 지나치게 많이 먹었다.

*신경학·정신의학 아카이브(Archives of Neurology and Psychiatry)*에 발표된 이 보고서는 정서적 평가에서 측두엽이 맡는 역할의 교과서적 표지가 되었다. 클뤼버와 부시는 넓은 영역을 제거했기 때문에 어느 조직이 가장 중요한지는 아직 말할 수 없었지만, 이 증후군은 한 가지를 분명하게 만들었다. 내측 측두엽 어딘가에 어떤 자극이 공포를 받을 만한지 아니면 무관심을 받을 만한지를 결정하는 기계장치가 자리하고 있다는 것이다. 1956년에 이르러 로런스 바이스크란츠는 그 표적을 좁혀, 클뤼버와 부시가 기술한 변화들의 배후에 있는 핵심 구조물로서 편도체 그 자체를 분리해 냈다. 마침내 그 아몬드가 정체를 드러낸 것이다.

명확한 분업을 갖춘 아몬드 모양의 군집

편도체는 하나의 덩어리가 아니라 약 열두 개의 뚜렷한 핵으로 이루어진 군집으로, 폭이 대략 2센티미터이며 해마 바로 앞쪽 내측 측두엽에 자리 잡고 있다. 그 이름은 모양을 따서 아몬드를 뜻하는 그리스어에서 왔다. 이것을 단순히 이름 붙이는 데 그치지 않고 이해할 가치가 있게 만드는 점은, 그 핵들이 공포라는 일을 정문, 사무실, 하역장으로 나누어 맡고 있다는 사실이다.

외측핵은 주요 감각 입력 정거장으로, 바깥 세계에 관한 정보가 들어오는 정문이다. 기저핵은 그 뒤에 자리하며 피질적 맥락, 즉 어떤 자극이 실제로 무엇이며 어떤 상황에서 일어나는지에 대한 더 풍부하고 느린 정보를 통합한다. 중심핵은 출력 정거장으로, 편도체의 결정이 신체로 발송되는 하역장이다. 구조를 이런 방식으로 이해하면, 무서운 소리를 특정 조직을 통과해 이동하는 물리적 신호로서, 그것이 도착하는 외측핵에서, 의미가 부여되는 기저핵을 거쳐, 쿵쾅거리는 심장과 얼어붙은 몸으로 바뀌는 중심핵에 이르기까지 따라갈 수 있다.

어떻게 한 음이 위협이 되었는가

르두의 핵심 도구는 파블로프식 공포 조건화로, 단순한 만큼이나 강력한 절차였다. 그의 청각 실험 패러다임에서는 중립적인 음이 조건 자극의 역할을 하고, 짧고 가벼운 발 충격이 무조건 자극의 역할을 한다. 처음에 그 음은 아무 의미가 없어 쥐는 그것을 무시하지만, 음과 충격을 단 몇 번만 짝지어 주면 음 하나만으로도 동물을 얼어붙게 하기에 충분해진다. 파블로프식 공포 조건화란 바로 이것이다. 중립적인 조건 자극을 혐오적인 무조건 자극과 짝지어, 중립적이었던 것이 그것만으로 방어 반응을 촉발하게 되는 것이다. 얼어붙기는 쥐의 종 특이적 방어로, 포식자가 가까이 있을지 모르고 움직임이 치명적일 수 있는 상황에서 작은 포유류가 보이는 반응이다.

르두 연구 프로그램의 천재성은 조건화 그 자체에 있지 않았다. 그것은 파블로프의 전통이 오래전에 확립한 것이었기 때문이다. 천재성은 그 뒤에 이어진 해부에 있었다. 귀에서 뇌로 가는 경로를 따라 각 중계 지점에 차례로 병변을 낸 뒤, 쥐가 여전히 그 음을 두려워하도록 학습할 수 있는지를 검사함으로써, 그의 연구진은 신호가 반드시 통과해야 하는 구조물이 어디인지를 밝혀냈다. 그들은 어떤 소리든 이해되려면 필수적이라고 여길 법한 영역인 청각 피질을 제거할 수 있었는데도, 쥐는 여전히 그 음에 얼어붙도록 학습했다. 그들이 제거할 수 없었던 것은 외측 편도체였다. 그곳에 병변을 내면 공포 조건화는 실패했다. 1986년에 보고된 이 해리는 편도체를 조건화된 위협의 수렴 지점으로, 즉 소리와 충격이 학습된 위험으로 한데 묶이는 장소로 못 박았다.

귀에서 아몬드로 가는 두 갈래 길

청각 피질이 없어도 된다는 발견은 르두를 정서 신경과학에서 가장 영향력 있는 착상 중 하나로 이끌었다. 무서운 자극이 두 가지 서로 다른 경로를 통해 두 가지 서로 다른 속도로 편도체에 도달한다는 것이었고, 그는 이를 낮은 길과 높은 길이라고 불렀다.

낮은 길은 빠르고 거칠다. 그것은 뇌의 감각 중계소인 청각 시상에서 곧장 외측 편도체로 이어지며, 피질을 완전히 우회한다. 쥐에서는 이 과정에 대략 12밀리초가 걸리는데, 이는 피질이 그 자극이 무엇인지 식별을 채 끝내기도 전에 방어 반응을 일으키기 시작할 만큼 빠르다. 높은 길은 더 느리지만 훨씬 풍부하다. 그것은 시상에서 감각 피질로 올라간 뒤에야 외측 편도체로 이어지며, 30~40밀리초 정도가 걸린다. 그 여분의 시간은 세부와 맥락을 사들이며, 피질이 반응을 조절하거나 아예 취소할 수 있게 해 준다.

그 기능적 논리는 당신 자신의 경험에서 쉽게 느낄 수 있다. 당신은 그것이 무엇인지 의식적으로 알아차리기도 전에 등산로 위의 둘둘 말린 형체에 깜짝 놀라 펄쩍 뛰는데, 그것이 바로 낮은 길의 발화로, 가장 값싸고 빠르게 얻을 수 있는 증거만으로 당신의 몸을 경계 태세에 들여보내는 것이다. 한 박자 뒤 당신은 그것이 정원 호스임을 알아보고 경보는 가라앉는데, 그것이 바로 더 나은 정보를 가지고 뒤따라 잡으며 거짓 경보를 뒤엎는 높은 길이다. 뱀일지도 모르는 막대기에 대한 빠른 반응이, 진짜 뱀에 대한 느리지만 정확한 반응보다 값싸다.

하역장에서 신체로

두려워하라는 결정은 편도체 안에 갇혀 있으면 아무 쓸모가 없다. 신경의 평결에서 신체적 현실로의 번역은 중심핵에서 세 갈래의 뚜렷한 투사를 통해 일어나며, 각각은 통합된 방어 반응의 서로 다른 구성 요소를 추동한다.

중뇌에 있는 구조물인 수도관 주위 회색질로 가는 투사는 얼어붙기를 만들어 낸다. 이는 쥐의 첫 번째 방어선인 움직임 없는 경계 상태의 정지로, 인간에게는 그 자리에 못 박힌 듯 굳어 버리는 것에 해당한다. 외측 시상하부로 가는 투사는 교감신경 자율 활성화, 곧 공포의 익숙한 생리 작용을 추동한다. 질주하는 심장, 치솟는 혈압, 달아나거나 싸울 준비 태세가 그것이다. 그리고 분계 선조 침대핵으로 가는 투사는 당면한 위협보다 더 오래 지속되는 불안 상태를 유지하는데, 이는 급성 위험이 지나간 한참 뒤까지 이어지는 더 느리고 더 산만한 경보다. 이 세 갈래의 분기는, 공포와 불안이 기계장치를 공유하면서도 다르게 느껴지는 이유 가운데 하나다.

공포 조건화에는 임상 세계가 깊이 관심을 두는 짝도 있다. 공포 소거는 조건 자극이 더 이상 무조건 자극을 예측하지 않는다는 것을 능동적으로 학습하는 것으로, 충격 없이 반복적으로 제시된 음이 점차 얼어붙기를 일으키지 않게 되는 과정이다. 소거는 복내측 전전두피질에서 편도체 내의 특수한 개재 세포로 가는 투사에 의해 매개되며, 이 세포들은 공포 출력을 억제한다. 결정적이면서도 다소 마음을 무겁게 하는 세부는, 소거가 원래의 공포 기억을 지우지 않는다는 점이다. 그것은 원래 기억 위에 겹쳐진, 경쟁하는 억제성 기억을 쌓아 올리며, 바로 그 때문에 오래된 공포가 스트레스를 받거나 새로운 맥락에서 되돌아올 수 있다. 치료된 공포증은 삭제된 것이 아니라 억눌린 것이다.

두려워할 수 없었던 여성, 마침내 두려워하기 전까지

편도체가 공포에서 맡는 역할에 대한 가장 인상적인 증거는 쥐가 아니라 문헌에서 환자 SM으로 알려진 단 한 명의 인간에게서 나온다. 그녀는 지질단백증(우르바흐-비테 병이라고도 불린다)이라는 희귀 유전 질환을 앓고 있는데, 이 병은 수년에 걸쳐 그녀의 양쪽 편도체에 칼슘을 침착시켜 이를 파괴하면서도 주변 뇌는 손상시키지 않았다. 아이오와대학교에서 안토니오 다마지오, 랄프 아돌프스, 대니얼 트라넬, 저스틴 파인스타인에 의해 수십 년간 연구된 그녀는, 어떤 외과의도 일부러는 하지 않을 자연 실험을 제공했다. 양쪽 모두 사실상 기능하는 편도체가 없는 상태로 온전한 삶을 살아가는 한 사람이었던 것이다.

2011년 *커런트 바이올로지(Current Biology)*에 실린 논문에서 파인스타인과 동료들은, SM이 살아 있는 뱀과 거미를 다루면서 그것들을 싫어한다고 말하면서도 공포를 보이지 않았고, 유령의 집 관람에서도 공포를 보이기는커녕 오히려 무리를 이끌며 배우들을 깜짝 놀라게 했으며, 공포를 일으키도록 설계된 영화 클립에도 공포 반응을 보이지 않았다고 보고했다. 외부 위협을 느끼는 그녀의 체감 능력은 그저 사라져 버린 것처럼 보였다. 그런데 반전이 찾아왔다. 2013년 *네이처 뉴로사이언스(Nature Neuroscience)*에 실린 후속 연구에서, 같은 연구진은 SM에게 35퍼센트의 이산화탄소가 포함된 공기를 들이마시게 했는데, 이는 질식하는 듯한 감각을 일으키는 절차였다. 뱀이나 유령의 집에는 두려워할 수 없었던 SM이 본격적인 공황 발작을 겪었다.

이 해리는 심오한데, 공포가 한곳에서 만들어지는 하나의 것이 아님을 보여 주기 때문이다. 외수용성 공포, 곧 감각을 통해 감지되는 바깥 세계의 위협에 대한 공포는 편도체에 의존하며, 그것이 없었던 SM은 두려움을 몰랐다. 내수용성 공포, 곧 차오르는 이산화탄소처럼 신체 내부에서 오는 신호에 의해 추동되는 공포는, SM이 여전히 온전하게 지니고 있던 더 오래된 뇌간 회로에 의해 만들어진다.

편도체가 뇌의 공포 중추가 아닌 이유

편도체를 뇌의 공포 중추, 곧 체감되는 공포의 자리, 전담 경보 벨로 추대하고 싶은 유혹이 있고, 이는 대중적인 글에서 매우 흔하다. 이 분야의 신중한 작업적 입장은 더 절제되어 있으며, 환자 SM이 그 이유를 설명하는 데 도움을 준다. 편도체는 공포에만 특화되어 있지 않다. 그것은 식욕을 돋우는, 보상이 되는 자극을 포함해 폭넓은 범위의 자극에 동기적 현저성을 부여하며, 단지 위협이 되는 것만이 아니라 무엇이 중요한지를 표시한다. 공포라는 의식적 느낌, 곧 당신이 실제로 경험하는 주관적 두려움은 더 넓은 피질 활동에 의존하며, 편도체 단독에 의존하지 않는다. 그리고 SM 자신도 여전히 위협을 지적으로는 인식하여, 뱀이 위험할 수 있다는 것을 완벽하게 이해하면서도, 그녀를 움찔 물러서게 했을 본능적이고 신체에 의해 추동되는 반응은 잃어버린 상태였다.

그 구분이 70년 넘는 연구의 결실이다. 클뤼버와 부시의 1937년 엽 절제술에서, 바이스크란츠의 구조물 분리, 르두의 외측 편도체 해부와 그의 1996년 종합서 *정서적 뇌(The Emotional Brain)*를 거쳐, 2011년과 2013년의 환자 SM 보고에 이르기까지. 그 궤적은 깔끔한 슬로건에서 꾸준히 멀어지며 하나의 기제를 향해 나아간다. 공포 중추가 아니라, 무엇이 반응할 가치가 있는지를 결정하고 마음이 그 문장을 채 끝맺기도 전에 몸을 움직이게 하는 회로 말이다.

핵심 요점

편도체는 내측 측두엽에 있는 약 열두 개의 핵으로 이루어진 아몬드 모양의 군집으로, 외측핵이 감각 입력을 받고, 기저핵이 피질적 맥락을 더하며, 중심핵이 세 갈래의 출력을 통해 방어 반응을 발송한다. 얼어붙기를 만드는 수도관 주위 회색질 투사, 교감신경 각성을 추동하는 외측 시상하부 투사, 그리고 불안을 지속시키는 분계 선조 침대핵 투사가 그것이다. 조지프 르두가 쥐를 대상으로 한 청각 공포 조건화 연구는 음 하나만으로 얼어붙기를 일으킬 때까지 음과 발 충격을 짝짓는 것으로, 외측 편도체를 학습된 위협의 수렴 지점으로 못 박았고 그곳으로 가는 두 경로를 드러냈다. 피질이 자극을 식별하기 전에 반응하는, 약 12밀리초의 빠른 피질하 낮은 길과, 경보를 조절하거나 취소할 수 있는, 30~40밀리초의 더 느리고 더 풍부한 피질의 높은 길이다. 복내측 전전두피질에서 편도체 개재 세포로의 입력에 의해 추동되는 공포 소거는 원래 기억을 지우는 대신 경쟁하는 억제성 기억을 쌓아 올린다. 양쪽 편도체가 파괴된 우르바흐-비테 환자 SM은 뱀, 거미, 유령의 집에는 공포를 느끼지 않았으나 이산화탄소를 들이마시자 공황에 빠졌는데, 이는 편도체가 매개하는 외수용성 공포를 뇌간이 추동하는 내수용성 공포와 해리시키며 이 분야의 신중한 입장을 부각한다. 즉 편도체는 여러 종류의 자극에 현저성을 부여하고, 공포의 체감 경험은 더 넓은 피질 활동에 의존하며, 그 구조물은 뇌의 공포 중추가 아니라 무엇이 반응할 가치가 있는지를 결정하는 회로로 이해하는 것이 가장 타당하다는 것이다.