뇌의 화학적 전령들: 신경전달물질 안내서

1957년 무렵 어느 날, 스웨덴 룬드 대학교의 조용한 약리학 실험실에서 아르비드 칼손이라는 연구자가 토끼들을 지켜보고 있었다. 그 동물들에게는 레세르핀이 투여된 상태였는데, 이 약물은 토끼들을 뻣뻣하게 만들어 거의 움직이지 못한 채 주저앉은 자리에 늘어지게 했다. 그러자 칼손은 L-도파라는 화합물을 토끼들에게 주입했고, 얼마 지나지 않아 토끼들은 꿈틀거리며 머리를 들고 다시 움직이기 시작했다. 대부분의 관찰자에게는 동물 약리학의 사소한 호기심거리로 보였을지도 모른다. 그러나 칼손에게 그것은 하나의 급진적인 발상에 대한 증거였다. 그때까지 단지 신체 화학의 중간 단계쯤으로 치부되던 도파민이라는 작은 분자가, 사실은 뇌가 스스로에게 말을 거는 데 쓰는 전령이었다는 발상 말이다.

그 관찰은 뇌의 화학적 지도 전체를 다시 그리는 데 일조했고, 수십 년 뒤 칼손에게 2000년 노벨 생리의학상의 영예를 안겨 주었다. 하지만 그것은 훨씬 더 긴 추리극의 한 장면에 불과했다. 20세기의 대부분에 걸쳐 펼쳐진 이 추리극 속에서, 생물학자들은 수십억 개의 신경세포가 우리가 느끼고 기억하고 행하는 모든 것을 어떻게 조율하는지를 밝혀냈다. 그 답은 놀라울 만큼 질서정연한 것으로 드러났다. 뇌는 혼돈스러운 화학 수프가 아니라, 잘 정의된 소수의 신호 전달 체계로 거의 전부 굴러간다. 이 글은 그 체계들을 하나하나 살펴보며, 각각이 무엇을 하는지, 그리고 우리가 그것들을 어떻게 알게 되었는지를 짚어 본다.

한 신경세포가 다음 신경세포에게 말을 거는 법

신경세포는 전기적인 세포지만, 한 신경세포와 다음 신경세포 사이의 틈, 곧 시냅스는 화학적인 다리다. 전기 신호가 신경세포의 끝에 다다르면, 그 신호는 신경전달물질이라 불리는 화학적 전령을 그 틈으로 방출하게 만든다. 그 분자는 틈을 건너 떠다니다가 받는 세포의 수용체 단백질에 결합해, 그 세포가 자신의 신호를 발화하도록 떠밀거나 아니면 그것을 억제한다. 그런 다음 그 전언은 시냅스가 다음 펄스에 대비할 수 있도록 재빨리 치워져야 한다.

수용체는 크게 두 가지 종류로 나뉘며, 이 구분은 뒤에 이어질 내용을 이해하는 데 중요하다. 이온성 수용체는 그 자체가 통로다. 신경전달물질이 결합하면 구멍이 열리고 이온이 쏟아져 들어가, 천분의 일 초 단위로 측정되는 빠르고 짧은 효과를 낸다. 대사성 수용체는 더 느리고 간접적으로 작동하며, 받는 세포 안에서 일련의 화학 반응을 촉발해 그 세포의 행동을 더 오래 빚어낼 수 있다. 대부분의 신경전달물질은 이 두 종류를 섞어서 작용하는데, 하나의 분자가 뇌의 어느 부위에서 작동하는지, 그리고 어떤 수용체가 존재하는지에 따라 그토록 다양한 효과를 낼 수 있는 이유도 바로 이 때문이다.

시냅스가 애초에 화학적이라는 증거는 곧 다시 다룰 유명한 실험에서 나왔다. 지금으로서는, 이 화학적 전달이 뇌가 초당 수조 번 되풀이하는 근본 작용이며, 그 전달의 어휘 전체가 소수의 분자로 귀결된다는 점이 핵심이다.

글루타메이트와 가바, 뇌의 가속 페달과 브레이크

뇌의 일상적인 전기적 흐름을 이해하고 싶다면, 가장 무거운 일을 도맡는 두 분자에서 출발하라. 첫 번째는 글루타메이트, 뇌의 주된 흥분성 신경전달물질이다. 글루타메이트는 가속 페달이다. 받는 신경세포에 결합하면 그 세포를 발화 쪽으로 떠민다. 글루타메이트는 지각과 사고와 기억의 중심이 되는 영역인 대뇌피질과 해마에서 빠른 흥분성 전달의 약 80퍼센트를 담당한다. 글루타메이트는 이온 통로를 직접 여는 AMPA 수용체와 NMDA 수용체라 불리는 이온성 수용체에, 그리고 mGluR1부터 mGluR8까지 이름 붙은 대사성 수용체 무리에 작용한다. 글루타메이트는 너무나 풍부하고 너무나 흥분성이 강하기 때문에, 뇌는 그것을 효율적으로 닦아 내야 하며, 별아교세포라 불리는 특수한 지지 세포들이 그것을 시냅스 틈에서 끌어내는 운반체를 지니고 있다.

자연스러운 짝은 가바, 곧 감마-아미노부티르산의 줄임말로, 뇌의 주된 억제성 신경전달물질이다. 글루타메이트가 가속 페달이라면 가바는 브레이크다. 신경세포를 잠재우고 활동이 통제 불능의 흥분으로 치닫지 않도록 막는다. 가바는 대뇌피질 시냅스의 약 20퍼센트에서 쓰이며, 주로 국소 회로를 단속하는 파르브알부민 사이신경세포와 소마토스타틴 사이신경세포 같은 특수한 억제성 신경세포가 사용한다. 두 분자 사이에는 깔끔한 화학적 관계가 있는데, 가바는 글루탐산 탈탄산효소라는 효소에 의해 글루타메이트로부터 직접 합성되기 때문이다. 사실상 뇌는 자신의 으뜸가는 흥분성 전달물질을 가져다가 그 일부를 으뜸가는 억제성 전달물질로 변환하는 셈이다. 가바는 이온성 염소 통로인 GABA-A 수용체와, 더 느린 대사성 GABA-B 수용체에 작용한다.

이 두 분자가 함께 뇌의 기본적인 전기적 균형을 규정한다. 흥분과 억제는 세심한 평형 속에 유지되어야 하며, 간질부터 불안에 이르는 많은 장애는 그 균형이 한쪽으로 기우는 것으로 부분적으로 이해할 수 있다.

뇌 전체를 조율하는 네 가지 조절자

글루타메이트와 가바가 빠른 일대일 신호 전달을 도맡는다면, 다른 네 체계는 다르게 작동한다. 이들은 조절성 모노아민으로, 아세틸콜린, 도파민, 세로토닌, 노르에피네프린이다. 이들은 단순히 신경세포를 켜거나 끄는 대신, 뇌의 전반적인 상태를 조율하며 주의, 운동 조절, 보상, 기분, 각성을 조정한다. 이들은 단일한 전언을 실어 나르는 전선보다는, 통째로 여러 영역에 한꺼번에 적용되는 조광 스위치나 볼륨 손잡이처럼 행동한다.

놀라운 점은 관여하는 신경세포가 얼마나 적은가 하는 것이다. 이 체계들은 저마다 뇌 깊숙한 곳의 작고 특화된 세포 다발에서 비롯되며, 그 작디작은 기원에서 뻗어 나온 섬유들이 거의 대뇌피질 전체에 부챗살처럼 퍼진다. 도파민은 주로 중뇌의 두 영역, 흑색질과 배쪽 피개부에서 온다. 세로토닌은 뇌줄기의 솔기핵에서 생긴다. 노르에피네프린은 다리뇌에 있는 청반이라는 구조에서 온다. 그리고 대뇌피질에 다다르는 아세틸콜린은 주로 마이네르트 기저핵이라 불리는 기저 전뇌 영역에서 온다. 각각 수천 개의 세포가 결국 수십억 개의 활동을 빚어내게 된다. 작은 근원이 넓게 방송하는 이런 구조야말로, 한 줌의 신호로 시스템 전체의 분위기와 준비 상태를 정하고 싶다면 당신이 설계했을 바로 그 모습이다.

아세틸콜린, 그리고 뇌 화학의 첫 일별

이 체계들의 이야기는 제대로 따지자면 아세틸콜린, 곧 최초로 확인된 화학적 신경전달물질에서 시작한다. 1921년, 오토 뢰비라는 약리학자가 오스트리아 그라츠에서 한 실험을 수행했는데, 그는 그 실험이 꿈속에서 떠올랐다고 주장했다. 그는 두 개의 개구리 심장을 따로 떨어진 욕조에 살아 있게 두었는데, 그중 하나는 여전히 미주신경이 붙어 있었다. 그 신경을 자극하자 심장이 느려졌고, 그것을 적시던 액체를 옮겨 담으니 이제 두 번째 심장도 느려졌다. 무언가 화학적인 것이 그 신경에서 방출된 것이었다. 뢰비는 그 미지의 물질을 독일어로 "미주신경 물질"을 뜻하는 Vagusstoff라 불렀고, 그것은 훗날 아세틸콜린으로 밝혀졌다. 그 단 하나의 실험이 신경은 단지 전기적으로만이 아니라 화학적으로도 소통한다는 것을 증명했고, 뒤이은 모든 것의 토대를 놓았다.

뇌 안에서 아세틸콜린은 두 개의 주요 중추 체계를 운영한다. 하나는 마이네르트 기저핵에서 대뇌피질로 투사되며 주의의 중심이다. 다른 하나는 다리뇌중간뇌 체계로, 시상과 대뇌피질로 투사되며 각성 및 렘수면의 꿈꾸는 상태와 얽혀 있다. 뇌 너머에서 아세틸콜린은 단연 물리적인 일을 한다. 신경근육 이음부에서 신경이 근육에게 명령을 내릴 때 쓰는 분자이며, 신체의 내장을 조절하는 자율신경절을 통해 신호를 실어 나른다. 당신이 집중하도록 돕는 바로 그 전령이, 당신의 이두근에게 수축하라고 일러 주기도 하는 것이다.

도파민, 세로토닌, 노르에피네프린, 위대한 방송자들

이로써 우리는 칼손의 토끼들로 돌아온다. 여러 해 동안 도파민은 화학적 중간체, 곧 다른 분자들을 만드는 경로의 정거장 정도로만 취급되었다. 1950년대 후반 칼손의 입증, 곧 레세르핀이 유발한 뻣뻣함이 도파민 전구체인 L-도파로 되돌려질 수 있다는 것은 도파민을 그 자체로 하나의 신경전달물질로 확립했다. 의학적 성과는 빠르게 찾아왔다. 그의 토끼들이 보인 뻣뻣함이 파킨슨병의 증상과 닮았음을 알아차린 연구자들이 점들을 이었고, 1961년 비르크마이어와 호르니키에비치는 그 통찰을 파킨슨병 환자를 위한 L-도파 치료법으로 옮겨 냈으며, 이 치료법은 오늘날까지 쓰인다. 흑색질과 배쪽 피개부에서 뻗는 도파민의 투사는 정교한 운동 조절과 뇌의 보상 신호를 모두 추동하는데, 그것의 교란이 파킨슨병과 중독처럼 서로 판이한 질환에서 나타나는 이유도 이 때문이다.

나머지 두 방송자는 그물을 더욱 널리 펼친다. 세로토닌은 뇌줄기의 솔기핵에서 비롯되어 거의 어디로든 투사된다. 대뇌피질, 둘레계통, 시상, 시상하부, 그리고 아래로 척수까지 이른다. 세로토닌은 기분과 광범위한 조절 기능과 연관되며, 세로토닌에 영향을 주는 약물이 우울증 치료의 중심이 되는 이유도 이로써 설명된다. 노르에피네프린은 청반에서 오는데, 이 구조는 한쪽에 약 1,500개의 신경세포만을 품고 있지만, 이 작은 핵이 뇌의 으뜸가는 노르아드레날린 공급원으로서 대뇌피질 외투 전체에 투사하며 각성과 또렷함을 다스린다. 이 설계의 경제성은 인상적이다. 쌀 한 톨 속에 잃어버려도 모를 다발이 전뇌 전체의 깨어 있음을 정하는 것이다.

화학을 지도화하기까지 80년

이 그림이 짜 맞춰지는 데 얼마나 오래 걸렸는지 잠시 멈춰 생각해 볼 가치가 있다. 그것은 뇌에 관한 우리의 가장 기본적인 이해조차 최근에야, 그리고 힘겹게 얻어진 것임을 일깨워 주기 때문이다. 그 화학은 대략 80년에 걸쳐 한데 모였다. 뢰비는 1921년에 화학적 전달을 증명했다. 1952년에는 생리학자 베르나르트 카츠가 신경전달물질이 실제로 어떻게 방출되는지를 정량화하며, 그것들이 매끄러운 흐름이 아니라 낱낱의 꾸러미로 나온다는 것을 보였다. 칼손은 1950년대 후반에 도파민을 무명에서 건져 냈고, 비르크마이어와 호르니키에비치는 1961년까지 그 발견을 실제 치료법으로 바꾸어 놓았다. 이 궤적은 2000년에 상징적인 마무리에 다다랐는데, 칼손이 폴 그린가드, 에릭 캔들과 함께 노벨상을 나누어 받았을 때다. 이 화학적 신호들이 어떻게 운동과 보상, 그리고 기억 자체의 세포적 기반을 떠받치는지를 밝혀낸 업적에 대한 것이었다.

이 체계들의 규모를 못 박아 두는 몇 가지 숫자는 기억해 둘 만하다. 글루타메이트는 대뇌피질 시냅스의 약 80퍼센트에서, 가바는 약 20퍼센트에서 작동한다. 청반은 한쪽에 약 1,500개의 노르아드레날린 신경세포를 지니는 반면, 흑색질은 출생 시 한쪽에 약 400,000개의 도파민 신경세포를 담고 있다. 그리고 사람들을 곧잘 놀라게 하는 한 가지 수치가 있다. 세로토닌은 뇌의 화학물질로 유명하지만, 사실 신체 세로토닌의 약 90퍼센트는 장에서 발견되며, 그곳에서 소화를 조절하는 일을 돕는다. 알고 보면 뇌의 신호 전달 분자들은 좀처럼 뇌 안에만 머무르지 않는다.

핵심 요약

뇌는 혼돈이 아니라 잘 정의된 한 줌의 화학 체계로 굴러가며, 그것들을 이해하면 신경세포가 당신이 하는 모든 일을 어떻게 조율하는지에 대한 실용적인 지도를 얻게 된다. 두 일꾼이 빠른 신호 전달을 주도하는데, 글루타메이트는 AMPA, NMDA, 대사성 수용체를 통해 대뇌피질 흥분의 약 80퍼센트를 실어 나르는 주된 흥분성 전달물질이고, 글루탐산 탈탄산효소에 의해 글루타메이트로부터 합성되는 가바는 활동을 균형 있게 유지하는 억제를 시냅스의 약 20퍼센트에서 제공한다. 그 위에 겹쳐진 것이 작은 뇌 깊은 곳의 핵들에서 대뇌피질 전체로 방송하는 네 가지 조절성 모노아민이다. 오토 뢰비의 1921년 개구리 심장 실험을 통해 최초로 확인된 전달물질로서 주의와 근육 조절을 다스리는 아세틸콜린, 1950년대 후반 아르비드 칼손에 의해 진정한 전달물질로 확립되었고 운동과 보상의 중심이며 그 발견이 1961년 파킨슨병을 위한 L-도파 치료법으로 이어진 도파민, 솔기핵에서 솟아올라 기분과 조절을 빚어내지만 대부분은 장에 거주하는 세로토닌, 그리고 청반의 약 1,500개 신경세포에서 방송되어 각성을 정하는 노르에피네프린이다. 1921년 뢰비의 실험과 칼손, 그린가드, 캔들이 함께 받은 2000년 노벨상 사이에서 끈기 있게 쌓아 올려진 이 여섯 체계의 틀은, 뇌가 어떻게 작동하는지, 그리고 뇌의 장애를 치료하는 약물이 어떻게 제 일을 해내는지를 이해하는 토대로 여전히 남아 있다.