우리의 생각, 감정, 행동, 기억 등은 뇌안에서 일어나는 화학적인 작용과 직결되어 있다. 지난 200여년 동안 신경과학분야의 발달은 두뇌의 기능을 좌우하는 뇌세포와 그 화학작용에 대한 커다란 이해를 가능하게 해주었다.
뇌세포(Neuron)는 1800년에 Jan Evangelista Purkinje 와 Carmillo Golgi에 의해서 발견되었고,그 이후 오랫동안 뇌세포는 서로 연결되어 복잡한 전기적인 회로를 형성한다고 믿었다. 그러나 1880년에 스페인 과학자인 Ramon Cajal은 뇌세포는 서로 붙어있지 않고 미세한 간극을 두고 떨어져 있다는 것을 발견했으며, 1890년에 영국의 Charles Sherrington연구소는 뇌세포사이의 간극사이에서 신호를 주고 받는 것은 어떤 화학물질임을 증명했다. 그리고 1921년에는 오스트리아의 과학자인 Otto Loewi는 Acetylcholin이라는 신경전달물질을 처음으로 발견했다.
현재 인간의 두뇌는 100종류가 넘는 신경전달물질이 있다는 것을 발견했고,많은 과학자들은 여러 정신문제들이 신경물질과 관련되어 있다고 가정하고 중점적으로 연구를 해왔다. 예를 들면 우울증은 세로토닌과 관련이 있고, 조현병은 도파민, 글루터메이트, 세로토닌과 관련이 있으며, 불안은 노에피네프린, 가바(GABA)와 관련 있고, 파킨슨은 도파민과 관련이 있다고 보고 있다.
뇌세포의 구조
뇌세포(Neuron)는 200mph(시속 320km) 속도로 전기적인 신호를 교환한다. 성인 두뇌에는 100억개 정도의 뇌세포가 존재하며, 또한 그 사이에는 뇌세포보다 훨씬 많은 글리얼세포(Glial) 라는 조그만 세포가 뇌세포의 기능을 도와주고 있다. 보통 뇌세포의 크기는 지름이 4 마이크론(1mm=1000micron, I micron=1/1000mm)에서 100마이크론이며, 길이는 1인치에서 수 인치에 이른다. 뇌세포는 신호를 받는 Dendrite와 신호를 내보내는 Axon으로 되어 있으며Axon 끝에는 시넵스(synapse)라고 불리우며, 이곳에서 분비된 신경전달물질을 통해 신호를 보내면 미세한 간극을 건너 다른 이웃 뇌세포의 Dendrite에서 신호를 받게 된다.
뇌세포는 세포핵( Nucleus)을 갖고 있고, 그 안에는 단백질인 히스톤으로 둘러쌓인 DNA가 있다. 일반적은 뇌세포는 1000개 정도의 Dendrite 를 갖고 있으며, 그 끝에는 신호를 받는 수용체가 (receptor)있다. 수용체들은 유일한 단백질구조를 지니고 있고, 한 종류의 신경전달물질에 만 반응하게 되어있다. 가령, 세로토닌 수용체는 세로토닌에만 반응을 한다. 일반적으로 인간의 두뇌는 100 조개 정도의 수용체가 있다.
Axon은 70-80%의 지방과 20-30%의 단백질로 구성되어 있는 마엘린(Myelin)이라고 불리는 물질에 의해서 둘러싸여 있다.
뇌세포들은 세포벽을 통해서 1/15 볼트의 전기를 만들어내고, 조그만 권총처럼 신경전달물질을 시넵스에서 방출하게 만든다. 뇌세포들은 마치 눈입자처럼 다른 모습을 갖고 있으며, 다른 전위차(전압)를 갖고 있다. 결국, 충분한 일정한 수의 뇌세포가 자극을 받을 때 행동과 생각이 일어난다.
신경전달물질 생성과정
뇌세포안의 신경전달물질들은 화학작용에 의해서 생성되며, 일정한 기간이 지나면 다음과 같은 과정을 통해서 화학적으로 소멸된다.
- 합성단계 : 신경전달물질들은 Axon 끝에 있는 시넵스 부근에서 생성된다. 생성과정은 세포벽을 통해서 들어가는 아미노산(amino acid), 다른 여러 영양소, 그리고 세포핵에 있는 유전자에 의해서 생성되는 효소(enzyme)들에 의해서 만들어지며, Axon이라는 튜브를 통해서 움직인다.
- 포장단계: 생성된 신경전달물질들은 세포액속에 떠다니는 빈주머니속(Vesicles)으로 들어가게 되는데 보통 약 20-200개 정도가 들어간다.
- 시넵스 방출단계:
뇌세포가 자극을 받으면 칼슘이온이 세포안으로 들어가게 되고 신경전달물질을 담고 있는 주머니는 터지게 되어 시넵스로 방출되게 한다.
터진 Vesicle들은 세포막으로 흡수되거나 세포액으로 돌아와 새로운 Vesicle를 만들게 된다. - 교류단계: 시넵스를 통해서 방출된 신경전달물질은 수용체로 전달됨으로써 신호를 촉진하거나 억제하는 역할을 하게 된다. 예로, Glutamate라는 신경전달물질은 세포간의 반응을 촉진하는 역할을 하는 반면에, GABA라는 신경전달물질은 신호를 억제하여 신경을 안정시키는 역할을 한다. 임무를 완수한 신경전달물질은 수용체에서 돌아와 다시 시넵스로 복귀하게 된다.
- 복귀단계(Reuptake): 신경전달물질은 Transmembrane Transporter라는 단백질을 통하여, 시넵스로 돌아오는데 다시 사용하기 위해서 Vesicle안으로 들어가게 된다. 복귀과정은 일반적으로 시넵스에서 신경전달물질의 역할을 크게 지배하기 때문에 정신과 약물치료의 주요 대상이 된다. 가령, SSRI항우울제는 Transporter와 작용하여 세로토닌의 재흡수를 억제하여 시넵스에서 세로토닌의 양을 증가시킨다.
- 소멸단계: 신경전달물질들은 결국 화학적인 소멸 과정을 갖게 된다.
약물치료와 대체치료의 원리
대부분의 약물치료는 시넵스에 작용하는 신경전달물질 양을 조절하는 원리다. SSRI는 신경전달물질이 다시 뇌세포로 돌아오는 것을 억제함으로써 지속적으로 시넵스에 머물게 만든다. 시넵스에 있는 신경전달물질은 수용체사이에서 마치 핑퐁을 하는 것처럼 반복적으로 왔다갔다 하면서 신호전달역할을 하게 된다. SSRI로는 Prozac, Zoloft, Luvox, Celexa, Lexapro, Effexor, Cymbolta, Pristiq 등이 있다. 또 다른 약물로 Monoamine Oxidase Inhibitors(MAOIs)가 있는데 이것은 시넵스에 있는 신경전달물질을 파괴하는 monoamine oxidase 의 수준을 낮추어서 신경전달물질을 유지하는데 심한 부작용으로 SSRI로 대체되고 있다.
대체치료에서는 신경전달물질의 불균형을 자연적인 방법으로 치료한다. 다시말하면 신경전달물질 생성에 필요한 영양소를 정상적으로 공급하거나, 활성산소를 줄임으로서 신경전달물질을 정상화시키는 방법이다. 예를 들면 세로토닌을 생성할 때 조력자 역할을 하는 비타민 B6가 부족할 경우 우울증이 생길 수 있기 때문에 B6을 일정한 양을 섭취할 경우 우울증이 호전된다. 또다른 예로 S- adenosylmethionie(SAME)의 경우 Serotonin transporter의 역할을 억제함으로써 새로토닌의 역할을 향상시킨다. 또한 항산화제는 GABA나 N-methyl-D-Aspartate(NMDA), 및 그 밖의 수용체를 정상화시키는 역할을 하게 된다. 이상과 같은 대체치료 방법을 통한 우울증의 치료는 일반적으로 부작용이 없다.