기저핵(basal ganglia) 기능
기저핵은 심층 변연계를 둘러싸고 있는 뇌의 중심으로 향하는 커다란 구조물이다. 기저핵은 움직임을 전환시키고 원활하게 하도록 도와주면서 동시에 기분, 사고 그리고 운동을 통합시키는 것과 관련이 있다.
기저핵(basal ganglia)은 피질하부에 있는 다양한 핵들로 구성되어 있는데, 이 핵들은 대뇌피질이나 시상, 뇌간 등을 포함한 다른 뇌부위에 강하게 상호작용을 하고 있다. 이전 포스팅인 심층 변연계에서는 주로 공감, 우울감이나 공허감 등을 이야기했다면, 기저핵에서는 불안감이나 공포, 쾌락이라는 감정, 그리고 운동기능을 주로 다루게 된다.
도파민(dopamine)
기저핵의 기능에 중요한 역할을 하는 신경전달물질인 도파민(dopamine)은, 기저핵을 구성하고 있는 구조 중 하나인 흑질(substantia nigra)의 신경세포에서 생성되는데, 이러한 도파민 생성에 문제가 발생하면 대표적인 신경계 질환인 파킨슨병(Parkinsom's disease)이 초래될 수 있다. 이는 기저핵이 우리의 운동기능에 있어서 중요한 역할을 하기 때문이다.
우리가 흔히 너무 불안해지거나 공포스러운 상황을 마주했을 때, 마치 그 상황에 압도당한 것처럼 조금도 움직일 수 없이, 행동 뿐 아니라 생각까지도 얼어붙은 듯한 경험을 하게 되는 것은 기저핵의 과활성화로 인한 것이다.
반대로, 기저핵의 활성이 저하된 경우에는 오히려 행동이 과잉된 모습이 관찰되거나, 억제하지 못한 충동적인 행동들이 나타나는 것을 관찰할 수 있으며, 실제로 많은 주의력결핍 과잉행동장애(ADHD)의 경우나 틱장애의 경우에서 기저핵이 정상적인 기능을 하지 못하는 것이 관찰된다. 그래서 주의력결핍 과잉행동장애(ADHD)의 치료제로 기저핵에서 도파민의 생성을 증진시키는 약물을 처방하기도 한다.
기저핵은 극도의 공포상황에서 과활성화 됨으로써 행동을 정지하게 만들기도 하지만, 적당한 정도의 기저핵 기능은 틱장애의 경우에서와 같이 우리가 원치 않는 동작을 억제할 수 있게 해주기 때문에, 기저핵의 기능이 너무 과활성화되거나 저활성화되는 것은 우리의 운동기능에 문제를 초래할 수 있다. 또, 운동기능 뿐 아니라 기저핵의 기능은 불안, 공포, 긴장 등과도 연관이 있음을 고래볼 때, 기저핵은 인간의 심신에 적절한 긴장(tension)을 유지하고, 조절하는 것으로 생각해볼 수 있다.
뇌 영상 연구를 통해 우리는 또한 기저핵이 신체에 ‘부담을 주지 않는 정도의 상태’ 또는 불안 수준을 설정하는 것과 관련이 있음을 알아냈다. 과활성화된 기저핵은 흔히 불안, 긴장, 각성의 증가, 두려움의 고조와 관련이 있다. 기저핵 활동이 낮은 경우에는 동기화, 에너지, 주도성에 문제가 생긴다.
기저핵의 기능이 활성화된 경향이 있는 사람들은 항시 각성되어있고, 촉각이 곤두선 모습을 보일 수 있는데, 이런 긴장과 주의(attention)의 에너지를 자신이 성취하고자하는 일에 사용함으로써 성공을 거둘 수도 있다. 자신이 일을 해나감에 있어서 끊임없이 목표(장애물)를 설정하고, 그 장애물로부터 발생된 긴장을 극복하기 위한 의지와 동기로 승화함으로써, 성취하고 나아가 이를 통해 쾌감을 느끼게 된다.
이렇게 보면 쾌감과 긴장은 어떠한 사건이나 사물, 때로는 인간을 자신이 통제했는가(통제할 수 있다고 여기는가), 통제하지 못했는가(통제하지 못한다고 여기는가)에 따른 한 끗 차이의 감정(또는 느낌)일 수도 있다는 생각이 든다.
뇌의 기저핵 부분에 대한 또 다른 흥미로운 연구 결과는, 기저핵이 뇌의 쾌락 조절 회로와 관련이 있을 가능성이 많다는 것이다. ... 열렬한 사랑 또한 뇌에서 코카인과 유사한 효과를 나타내어, 기저핵에서 도파민을 강하게 방출한다.
* 기저핵의 기능
-기분과 신체의 움직임을 통합한다.
-정교한 동작을 원활하게 하고 전환시킨다.
-원치 않는 움직임을 억제시킨다.
-신체에 부담을 주지 않을 정도의 속도 또는 불안 수준을 설정한다.
-동기화를 증진시킨다.
-쾌감과 황홀감을 조절한다.
기저핵은 수의근 운동조절, 학습, 이갈기와 같은 습관, 눈동자 움직임, 인식, 감정을 포함한 많은 기능들과 관련이 있다.
기저핵의 주요 요소는 등 쪽 선조체 dorsal striatum(미상핵 caudate nucleus, 조가비핵 putamen), 배쪽 선조체 ventral striatum(아쿰벤스핵 nucleus accumbens, 후각결절 olfactory tubercle), 창백핵 globus pallidus, 배쪽 창백핵 ventral pallidum, 흑질 substantia nigra, 시상하핵 subthalamic nucleus 이다.
최근 가장 많이 받아들여지는 이론은 기저핵이 주로 행동선택(action selection)에 관련되어 있다는 것이다. 즉 어떤 순간에 할 수 있는 몇몇 가지 가능한 행동 중 하나를 선택할 수 있도록 돕는다는 것이다. 좀 더 자세히 말한 다면 기저체의 주요 기능은 수의운동이 부드럽게 동작하도록 운동과 운동전 피질 영역을 조절하고 통제하는 것 같다.
실험에서는 기저핵이 몇몇 운동계를 억제하는 영향을 미치는 것으로 나타났다. 이들 억제를 풀면 운동계가 활성화되는 것을 허용한다. 기저핵에서 일어나는 "행동 전환 behavior switching"은 뇌의 많은 부분에서 오는 신호에 의해 영향을 받는다.
■ 선조체 (striatum)
선조체는 기저핵에서 가장 큰 구조이다. 크게 미상핵(caudate nucleus)과 조가비핵(putamen)으로 나누어진다.
대부분(96%)의 세포들이 GABA성 중간크기 돌기신경세포(medium spiny neurons)들이다. 세포체는 작고 수상돌기(Dendrite)는 수상돌기가시(Dendritic spine)로 빽빽하게 덮여있으며 주로 시상(thalamus)과 피질(cortex)로부터 신호를 받는다.
■ 창백체(pallidum)
창백체는 크게 창백핵(globus pallidus)과 배쪽 창백(ventral pallidus)으로 나눈다. 창백핵은 그 기능에 따라 창백내핵(GPi), 창백외핵(GPe)으로 구별된다. GPe는 주로 선조체에서 신호를 받아 시상하부핵으로 전달하고, GPi는 직접경로와 간접경로의 2가지 경로로 선조체의 신호를 받는다.
창백핵 뉴런은 탈억제(disinhibition) 방식으로 작동한다. 신호가 없을 때는 계속해서 잦은 빈도로 흥분(firing)하다가 선조체에서 신호가 들어오면 흥분이 멈춘다. 창백핵 뉴런 자신이 억제성 신호를 내보내기 때문에 전체 효과는 선조체의 자극 신호가 창백핵을 거쳐 목표한 부위에 활동성 자극으로 전달되는 것이다.(억제의 억제 방식)
■ 흑질(Substanina nigra)
흑질은 중뇌 회백질 부분이며 SNr(reticulata)과 SNc(compacta)로 나눈다.
SNr은 GPi는 복합체를 이루어 시상을 억제한다. SNc는 도파민을 생성해서 선조체 경로(striatal pathway)와의 균형을 유지하는 역할을 한다.
■ Subthalamic nucleus
시상하핵은 기저핵의 간뇌회백질 부분이며, 신경절 중 유일하게 흥분성 신경전달물질인 글루타메이트를 분비하는 부분이다. 시상하핵은 간접 경로인 SNr-GPi 복합체를 자극한다. 창백핵의 GPe에서 억제성 신호를 받아 자극성 신호를 GPi에 전달한다.
운동조절 메카니즘(직접경로/간접경로)
일차 운동피질의 뉴런이 기저핵의 선조체에 뻗어있는 축색(axon)을 통해 글루타메이트(glutamate)을 분비하면 흥분한 선조체는 직접경로와 간접경로의 두 방향으로 신호를 전달한다. 직접경로와 간접경로가 서로 길항하는 관계에 있다.
■ direct pathway: 선조체는 SNr-GPi(흑질그물부-창백내핵) 복합체에 억제성 신호를 전달하고 SNr-GPi 복합체는 다시 시상(thalamus)에 억제성 신호로 연결되어 있다. 그러므로 선조체(striatum)를 통해 전달된 신호는 시상(thalamus)을 억제하지 못하고 시상에서 나온 글루타메이트는 운동피질에 전달되어 운동피질을 더 흥분시킨다. 이는 추제로(pyramidal tract, 대뇌 피질에 시작되는 원심성 전도 경로로 포유류에서만 발달하는 수의운동의 주요 경로)를 통해 근육운동을 일으킨다.
Cortex (stimulates) → Striatum (inhibits) → "SNr-GPi" complex (less inhibition of thalamus) → Thalamus (stimulates) → Cortex (stimulates) → Muscles, etc. → (hyperkinetic state)
붉은색 : 흥분성 글루타메이트 경로, 파란색: 억제성 가바 경로, 보라색: 조절성 도파민 경로
직접경로와 간접경로의 길항작용은 흑체의 SNc가 만드는 도파민에 의해 조절된다. 기저체의 D1 수용체는 도파민과 결합해 GABA성 뉴런을 자극한다. 이로써 직접경로가 더 우세하게 되어 움직임을 증가시킨다.
간접경로의 GABA성 뉴런은 외부의 아세틸콜린, 글루타메이트에 의해 활성화되는데 이는 운동뉴런을 억제하여 움직임을 감소시킨다. 그런데 기저체의 D2수용체는 간접경로의 GABA성 뉴런의 억제효과를 감소시켜 움직임을 증가시킨다.
따라서 도파민은 직접경로의 흥분효과를 높이고 간접경로의 억제효과를 감소시켜 근육운동이 빨리 시작되도록 한다.
파킨슨병은 SNc의 도파민 생성 세포가 퇴화되어 운동을 조절하는 민감한 메카니즘이 균형을 제대로 이루지 못해서 발생하는 병이다. 도파민이 감소한다는 것은 직접경로가 제대로 동작하지 못하고 간접경로가 과도하게 압도되어 움직이기 어려운 상태가 되는 것이다.
기저체의 주요회로. - 는 억제성 + 는 흥분성 신경전달을 의미한다. 녹색은 흥분성 글루탐산 경로, 붉은색은 억제성 GABA 경로, 청록색은 흥분성 도파민 직접경로, 억제성 도파민 간접경로를 나타낸다..
기저체 주요기능에 대한 통찰은 기저체 질환인 파킨슨병과 헌팅턴 무도병에 대한 연구를 통해 알려졌다.
■ 파킨슨병 : 파킨슨병은 흑질 치밀층(substantia nigra pars compacta)의 퇴행으로 발생한다.
■ 헌팅턴 무도병 : 헌팅턴 무도병은 선조체의 중간크기 돌기신경세포(medium spiny neurons)의 대량 손실 때문에 생겨난다.
파킨슨병은 점점 운동을 시작하는 게 어려워진다. 반면 헌팅턴병은 자신의 뜻과 별개로 발생하는 움직임을 멈추기 힘들다.
■ 반쪽 무도병(hemiballismus) : 시상밑핵에 손상을 입은 경우에 발생하는데 팔과 다리를 내던지는 움직임(flinging)을 조절할 수 없다.
■ 눈동자의 움직임
눈동자의 움직임은 뇌의 방대한 신경망이 모인 영역인 윗둔덕(superior colliculus)에 의해 조절된다.
윗둔덕(SC)은 여러층으로 구성된 다층구조인데, 각 층은 시각공간에 대한 2차원의 망막지도를 만든다. 윗둔덕 바닥층에서 발생하는 신경 충격("bump" of neural activity)은 눈동자를 위치상에 대응하는 점으로 이동시킨다.
윗둔덕은 기저체의 흑질 망상부(substantia nigra pars reticulata (SNr))에서 억제신호를 받는다. SNr은 계속해서 억제성 신호를 발화하는데 눈동자가 움직이는 순간에는 일시정지 상태가 되어, 억제상태에서 벗어난 SC가 눈동자를 움직일 수 있게 되는 것이다. 선조체의 미상핵(caudate)은 SNr을 억제하는 GABA성 신호를 내보내는데, 눈의 움직임이 시작되면 발화속도(firing rate)가 빨라지면서 SNr을 일시정지 상태로 만드는 것이다. 따라서 눈의 움직임은 미상핵에서 부터 시작되어 SC를 탈억제시는 것으로 이루어진다.
■ 동기부여(Role in motivation)
기저체가 움직임을 관장한다는 것은 명백하지만 더 근본적인 단계, 즉 동기의 수준에서 움직임을 관장한다는 많은 근거들이 있다. 파킨슨병의 경우, 운동수행 능력(물리적 조건)은 전혀 영향을 받지 않지만 동기적 요소, 예를 들면 배고픔 같은 상황에서 적절한 반응을 제때 수행할 수 없게 된다. 파킨슨 환자의 이런 특징을 의지의 마비("paralysis of will)로 표현하곤 한다. 이들 파킨슨 환자들은 간혹 운동의 역설(kinesia paradoxica,)을 보이기도 하는데, 평소에는 움직이지 못하지만 응급상황에서는 그에 대응하는 행동을 한다는 것이다. 일단 응급상황을 벗어나면 다시 움직이지 못하는 상태로 되돌아간다.
이는 기저체를 이루는 변연계의 일부분, 복측피개영역(VTA)과 아쿰벤스핵(NA) 사이의 보상체계와 관련 있는 것으로 보인다. 음식, 섹스, 중독성 약물 등 다양한 것들이 VTA 도파민 시스템의 활성을 이끌어 낸다. NA나 VTA에 손상을 입으면 심한 무기력 상태에 빠진다.
널리 받아들여지진 않았지만 행동을 기저체에 의해 수행되는 욕구행동(appetitive behavior, 어떤 행동을 유발하기 위해 필요한 특정 자극이 있는 행동)과 완료행동(consummatory behavior)으로 나누어 생각할 수 있다는 것이다. 예를 들면 기저체에 손상을 입은 동물은 배가 고파도 음식이 있는 곳으로 움직이지 않지만(욕구행동), 음식을 입안에 직접 넣어주면 씹어 삼키기는 한다.(완료행동)