뇌는 체중의 약 2%만을 차지하지만, 심박출량 (심장에서 한번 박동 시 분출되는 혈액의 양)의 15~20%를 받으며, 체내 산소공급의 20% 이상을 소비
뇌는 인체를 지배하는 중추 센터이다. 약 145억 개라고 일컬어지는 뇌 세포가 정상적으로 활동하기 위해서는 다량의 산소가 필요하다. 활동 시와 정지 시에 산소 소비량에 큰 차이가 있는 근육과는 달라, 뇌는 다량의 산소를 상시 필요로 한다
뇌, 칼로리 소비, 뇌 체중 2%, 혈액 산소 20% 사용, 뇌 세포 145억 개
밥 한 공기는 보통 열다섯 숟가락 분량이다. 물론 밥그릇 크기나 숟가락에 얼마만큼의 양을 담느냐에 따라 숟가락 숫자는 달라질 수 있다. 편의상 열다섯 숟가락의 밥을 먹는다고 가정하자. 이 경우 세 숟가락 정도에 해당하는 열량, 즉 20퍼센트가 두뇌의 에너지원으로 사용된다.
두뇌의 무게는 약 1,400그램, 성인 기준으로 체중의 단 2퍼센트 선이다.
하지만 섭취 에너지의 20퍼센트가 두뇌에서 소모되므로 무게 기준으로 두뇌는 근육이나 다른 조직에 비해 10배쯤 에너지를 많이 잡아먹는다.
성인의 하루 권장 섭취 열량은 여성 2,100칼로리, 남성은 2,300칼로리 정도다. 그러므로 두뇌가 필요로 하는 열량은 하루 대략 450칼로리쯤이다.
축구는 제법 격렬한 편에 속하는 운동이다. 몸무게가 70킬로그램쯤인 사람이 한 시간 동안 열심히 축구장을 누비면 600칼로리 안팎의 열량이 사용된다. ‘근육’ 하나 까딱하지 않는 것처럼 여겨지는 두뇌의 하루 열량 소모가 한 시간 동안 열심히 축구를 했을 때와 별 차이가 나지 않는다? 이 대목에서 정신작용의 에너지 소모가 엄청나다고 생각하는 사람도 있을 수 있겠다. 머리로 무언가를 생각하고, 말하고, 깨닫는 등의 두뇌활동에 정말 축구처럼 많은 에너지가 소모되는 것일까? 답은 ‘그렇다’ 일 수도 있고 ‘아니다’ 일 수도 있다.
시쳇말로 머리에 쥐가 날 정도로 어려운 수학문제들을 한 시간 동안 풀었다고 하자. 이때 소모되는 에너지는 십중팔구 수십 칼로리 선, 즉 밥 한두 숟가락에 지나지 않는다. 두뇌활동에 에너지가 그다지 많이 들지 않는다고 답할 수 있는 것이다. 그렇다면 정신적으로나 육체적으로 아무것도 하지 않는다고 인식되는 상태에서의 에너지 소모는 어떨까?
깊은 잠에 빠져 있는 게 좋은 예인데 하루 온종일 잠을 자도 우리 두뇌는 일상 수준, 즉 450칼로리에 육박하는 에너지를 소모한다.
사람의 두뇌란 살아 있는 한 전기 코드를 꽂고 스위치를 ‘온’시킨 컴퓨터와 유사하다. 뇌의 모든 신경들은 다른 신경과 이어져 서로 신호를 보내는 네트워크를 이루는데 눈에 띄게 활동하지 않는 ‘안정 시점’에서 소비되는 에너지가 실제 뇌가 소비하는 에너지의 거의 절반 정도에 이른다고 한다. 휴식을 취해도 상대적으로 엄청난 에너지를 ‘기본으로’ 잡아먹는 게 두뇌라는 얘기이다. 초고성능 컴퓨터일수록 전기를 많이 잡아먹는 것처럼.
에너지 소모라는 측면에서 인간 두뇌의 독특한 면모는 신생아에서 보다 뚜렷하다. 신생아들은 수유 열량의 75퍼센트 가까이를 두뇌에서 소진시킨다. 사춘기가 오기 전인 10~11세 청소년들도 성인보다 1.5배가량 많은, 즉 섭취 열량의 35퍼센트 안팎을 머리에서 사용한다.
인간 두뇌의 에너지 소모를 보면 성장기에 특히 잘 먹어야 하는 이유가 한층 확실하다. 또 두뇌활동에 필요한 영양원은 포도당 형태로 공급되기 때문에 수험생이나 머리를 많이 써야 하는 사람들에게 적절한 탄수화물 섭취가 긴요함은 두말할 필요도 없다.
그런가 하면 두뇌의 에너지 소모 양태와 관련해 평소 구분해 이해해야 할 정신작용도 있다. 충격이나 슬픔, 분노 등은 두뇌만 감당하는 게 아니라는 사실이다. 다시 말해 수학문제 풀기와 같은 순수 정신작용이 아니라는 뜻이다.
가까운 사람이 세상을 떠난다든지, 이혼의 당사자 등이 될 때 정신상태는 두뇌 이외의 신체 기관 등에서도 많은 에너지를 잡아먹는 활동이 ‘동반’된다. 즉, 심장이 벌렁거리고 몸을 부들부들 떨고 눈물과 땀을 만들어 내는 등의 과정에서 추가로 적지 않은 열량이 소모될 수밖에 없다. 예를 들면 하루 종일 ‘켜져 있는 상태’의 두뇌처럼 심장도 죽기 전까지 멈추지 않는다. 심장의 무게는 평균 330그램 정도로 두뇌의 4분의 1 정도에 불과하다. 하지만 평소 박동이 유지되기 위해 필요한 에너지는 150칼로리 정도로 꽤 높은 편이다. 분노나 충격 등으로 심장 박동이 빨라지면 에너지 소모가 많아지는 것은 자명한 이치이다.
뇌에서 가장 많은 칼로리 소비한다
주말이 되면 많은 사람들이 소파에 누워 TV를 본다. 직장인에게 있어 이는 그동안 쌓인 피로를 푸는 매우 중요한 과정이다.
월요일이 돼 사무실에 출근하게 되면 상황이 급변한다. 기업에서 요구하는 여러 과제를 풀기 위해 치열하게 정신활동을 이어가야 한다. 여기서 정신활동은 사물이나 현상 등을 느끼고, 생각하며, 판단하는 과정 등 인지활동을 이르는 말이다.
경우에 따라서는 뛰어난 창의성을 발휘해야 한다. 머리를 써야 하는 일이 하나 둘이 아니다.
궁금한 것은 이런 정신활동이 얼마나 많은 에너지를 소비하고 있느냐는 것이다. 회사에서의 업무가 일요일 소파에 누워 TV를 보는 것보다 더 많은 에너지를 소비하는지를 놓고 많은 사람들이 궁금증을 표명해 왔다. 정답은 ‘그렇다’이다.
창조적 정신활동에 더 많은 칼로리 소비
뉴욕주립대(올버니 캠퍼스)의 행동심리학자인 이완 맥네이(Ewan McNay) 교수는 20일 ‘타임’ 지를 통해 “뇌에서는 매우 많은 에너지를 소모하고 있다. 특히 격렬한 지적활동을 할수록 더 많은 포도당을 소비하게 된다”라고 밝혔다.
맥네이 교수는 현재 뇌 활동과 에너지와의 상관관계를 연구하고 있는 중이다. 그는 “특히 기억 형성(memory formation)과 관련된 뇌 부위에서 더 많은 에너지를 소비하고 있으며, 그렇지 않은 뇌 부위에서는 큰 변화를 발견할 수 없었다”라고 말했다.
뇌 부위에서 열량 소비가 어떻게 일어나고 있는지 알기 위해서는 먼저 우리 몸 전체에서 열량 소비가 어떻게 일어나고 있는지 이해하는 것이 필요하다.
열량은 음식에 들어있는 에너지를 말한다. 칼로리(cal)라는 단위를 사용해 표현한다.
1 기압에서 물 1그램을 1도 올리는 데 필요한 에너지의 양이 1칼로리다. 음식에서는 킬로칼로리(1kcal＝1,000 cal)란 단위를 사용한다.
사람 몸에 투입된 에너지는 매우 다양한 경로를 거쳐 소비된다. 일반적인 경우, 전체 에너지 중 8~15%는 몸에 유입된 음식을 소화시키기 위해 사용된다. 장기 기능을 건강하게 유지하기 위해서는 더 많은 에너지가 필요하다.
그러나 지적활동을 하고 있는 직장인의 경우 뇌에서 소비되고 있는 에너지양이 다른 장기에 투입되고 있는 에너지양과 비교해 훨씬 더 많은 것으로 나타나고 있다.
세인트루이스 소재 워싱톤 대학의 뇌과학자인 마커스 라이크(Marcus Raichle) 석좌교수는 “사람 몸무게 중 2%에 불과한 뇌신경세포에서 사람이 사용하고 있는 전체 에너지의 약 20%를 사용하고 있다”라고 말했다.
라이크 교수에 따르면 일상적으로 사람이 하루 평균 사고과정에서 소비하고 있는 열량은 약 320칼로리다. 라이크 교수는 “그러나 TV를 보는 것이 아니라 기업에서 새로운 프로젝트를 기안한다던지, 어려운 과제가 주어졌을 경우 더 많은 에너지를 사용해야 한다”라고 설명했다.
악기연주 배울 때 200칼로리 더 소비
다이어트를 하고 있는 사람들이 의도적인 정신활동을 통해 몸무게를 줄일 수 있지 않겠느냐는 흥미로운 질문을 던질 수도 있다. 누구나 생각해 봄직한 질문이다.
그러나 그런 일은 일어나지 않는다. 라이크 교수는 “뇌 활동이 활발할 경우 많은 열량을 소비하지만 격렬한 정신활동을 하는 과정에서의 에너지 소비는 매우 순간적으로 이루어지고 있다”라고 말했다.
때문에 적극적으로 정신활동 다이어트를 시도하더라도 에너지 소비량의 변화는 5% 정도에 불과하다는 것이 라이크 교수의 설명이다. 이는 하루 종일 깊은 생각을 하고 있다 하더라도 실제로 열량 소비에 미치는 영향은 5%에 불과하다는 것을 의미한다.
라이크 교수는 “살을 빼기위해 억지로 뇌를 혹사하기보다는 그 시간에 서서 앞뒤로 왔다 갔다 하는 것이 더 큰 효과가 있을 것”이라고 조언했다.
정신활동의 내용에 따라 에너지 소비량도 달라진다.
대체로 중요한 정보를 모니터링 할 때, 또는 다른 사람들이 할 수 없는 특수한 정신활동을 할 때 열량이 대량 소비되고 있는 것으로 나타나고 있다. 예를 들어 새로운 프로젝트를 만들어 내거나 예술, 창작 등 개인적으로 독특한 생각을 하는 과정 등이다.
맥네이 교수는 “도전적인 일을 하며 정신활동을 하는 사람들은 집에서 TV를 보거나 낮잠을 잘 때보다 적어도 100칼로리 이상 더 소비한다”며 “악기 연주를 배우는 것과 같은 예민한 일을 하게 될 경우 요구되는 열량이 200칼로리에 이를 수 있다”라고 말했다.
그런데 정신활동이 활발할 때 열량이 부족하면 정상적인 사고력을 발휘하기 힘들다. 맥네이 교수는 “이런 부작용을 막기 위해 스포츠음료를 마신다던지 콩 모양의 젤리 과자를 먹는 등 주의를 기울일 필요가 있다”며 주의를 기울여줄 것을 당부했다.
그러나 포도당이 많은 식품을 과도하게 섭취할 경우 필요한 열량을 초과하게 된다. 그럴 경우 정신활동을 활발하게 하지만 비만의 원인이 되기 때문에 섭취량에 주의를 기울여야 한다.
머리를 쓰면 왜 배가 고플까?… 연구
인간의 뇌는 매일 약 50g의 설탕과 비슷한 에너지를 소비한다. 신체 대사 중 에너지 소비량이 가장 높다. 19일(현지시간) IT매체 아스테크니카는 국제학술지 '사이언스 어드밴시스'(Science Advances)에 게재된 논문을 인용해 인간의 뇌에서 일어나는 에너지 소비 과정에 대해 설명했다.
연구진은 20~50세 사이 건강한 오른손잡이 30명의 뇌를 영상으로 촬영해 특정 뇌 영역의 에너지 사용량과 신호, 연결성 수준 등을 관찰했다. 그 결과, 30명의 뇌 모든 영역에서 에너지 사용량과 신호가 함께 증 가했다. 그중 뇌 앞부분에 위치한 전두엽 피질 부분의 특정 신호 에너지 소비량이 감각 운동 영역보다 70% 더 많았다.
전두엽 피질은 인간의 진화 과정에서 가장 많이 확장된 영역 중 하나이다. 연구원 로버트 사폴스키는 "전전두피질은 어려운 결정, 장기적인 계획, 충동 조절, 감정 조절 등에서 가장 중요한 역할을 한다"며 "전전두엽 피질은 어려운 상황에서 옳은 일을 하는데 필수적"이라고 설명했다. 아울러 "이것이 바로 인간이 끊임없이 싸워야 하는 이유이고, 이 과정은 엄청난 에너지를 필요로 한다"라고 덧붙였다.
연구진은 앨런 브레인 아틀라스 프로젝트를 인용해 전두엽 피질의 유전자 활동을 조사했다. 그 결과 신경 조절제와 그 수용체의 활동이 증가했다는 것을 발견했다. 연구진은 "인간의 뇌는 세로토닌, 도파민, 노르아드레날린 등과 같은 신경 조절제를 사용해 빠른 신경 전달 물질을 오래 지속시키는 데 과도한 에너지를 소비한다"라고 언급했다.
인간의 뇌는 약 1,000억 개의 신경세포와 그것들을 연결하는 수백조 개의 시냅스를 가지고 있다. 이처럼 복잡한 구조와 강력한 성능 덕분에 뇌는 체중의 2%에 불과하지만, 몸 전체 에너지의 20%를 사용한다. 다른 기관에 비해 약 10배의 에너지를 더 많이 소비하는 셈이다. 다른 척추동물들은 전체 섭취 열량의 약 2%만을 뇌에서 사용하는 것으로 알려져 있다.
그런데 식물인간이 되어도 뇌는 여전히 많은 양의 에너지를 사용한다. 식물인간이란 대뇌의 손상으로 의식과 운동기능은 상실되고 호흡·소화·흡수·순환 등의 기본적 기능만 유지하고 있는 상태를 말한다.
식물인간처럼 뇌가 비활성상태에서도 여전히 많은 에너지를 소비하는 이유를 밝힌 연구 결과가 발표됐다
즉, 인간의 뇌는 그 같은 비활성 상태에서도 포도당의 소비가 정상 상태보다 약 절반으로만 감소할 뿐이다. 이처럼 쉬고 있을 때에도 뇌가 여전히 다른 기관에 비해 에너지를 많이 사용하는 이유는 아직까지 완전히 이해되지 않고 있다.
그런데 미국 코넬 의대 연구부문인 ‘와일 코넬 메디슨(Weill Cornell Medicine)’의 연구원들이 그 이유를 밝힌 연구 결과를 발표했다. 신경세포(뉴런)가 서로에게 신경전달물질이라는 신호를 보내지 않을 때에도 여전히 에너지를 많이 소모하는 원인은 바로 신경전달물질을 포장하는 과정 때문이라는 것.
즉, 비활성 뉴런에서 에너지 소비의 주요 원천이 ‘시냅스 소포(synaptic vesicle)’라는 사실을 밝혀낸 것이다. 뉴런은 이 소포를 신경전달물질 분자의 용기로 사용하는데, 다른 뉴런에 신호를 보내기 위해 시냅스 말단이라고 부위에서 발화한다.
완전 탑재 상태에서도 에너지 계속 소비해
신경전달물질을 시냅스 소포에 포장하는 것은 화학 에너지를 소비하는 과정이다. 연구진은 이 과정 자체에서 에너지가 본질적으로 누출되므로 소포가 채워진 후 시냅스 말단이 비활성화된 경우에도 상당한 에너지를 계속 소비한다는 사실을 발견했다. 이 연구 결과는 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 12월 3일 자에 게재됐다.
이번 연구를 진행한 티모시 라이언(Timothy Ryan) 교수팀은 최근 몇 년 동안 뉴런의 시냅스 말단이 활성화될 때 에너지의 주요 소비자가 되어 연료 공급 중단에 매우 민감하다는 사실을 알고 있었다. 그들은 새로운 연구에서 비활성 상태일 때 시냅스 말단에서의 연료 사용을 조사한 결과 여전히 높다는 사실을 알아냈다.
휴식기에서의 이 같은 높은 연료 소비는 주로 시냅스 말단에 있는 소포들에 의해 설명된다. 비활성 상태에서도 시냅스 소포는 각각 수천 개의 신경전달물질로 가득 차 있으며, 이웃 뉴런으로 신호를 전달하는 탑재체를 발사할 준비를 한다.
시냅스 소포는 완전히 탑재된 상태에서도 왜 에너지를 계속 소비하는 걸까? 연구진은 소포에 이미 신경전달물질 분자가 가득 찬 상태에서도 소포의 특별한 효소가 계속 작동해 에너지가 누출되는 ‘양성자 유출’ 현상이 본질적으로 있다는 사실을 발견했다.
이 같은 양성자 유출의 유력한 원인으로 연구진은 수송단백질(transporter)을 지목했다. 막을 통해 다양한 물질을 세포 내·외부로 운반하는 이 단백질은 신경전달물질을 소포로 가져와 운반하기 위해 모양을 변경하는데, 양성자가 탈출할 수 있도록 한다.
뇌가 연료 공급 중단에 취약한 이유 설명
라이언 교수는 수송단백질의 형태 변화에 대한 에너지 기준점이 낮게 설정되어 시냅스 활동 중에 신경전달물질이 더 빨리 재장전됨으로써 더 빠른 사고와 행동이 가능하도록 진화했다고 추정했다.
신경전달물질이 더 빨리 재장전되는 것의 단점은 조그만 열 변동에서도 수송단백질의 형태 변화를 유발해 지속적인 에너지 소모를 유발한다는 점이다. 소포 1개당의 에너지 누출은 매우 적은 양이지만, 인간의 뇌에는 수백조 개의 시냅스 소포가 있으므로 합산하면 그 양이 엄청나게 커진다.
따라서 인간의 뇌는 포도당과 산소의 전달하는 혈류가 잠깐만이라도 중단되면 급속히 심각한 신경학적 손상을 초래하게 된다. 즉, 연료 가용성이 저하되면 인지 기능이 급격히 저하하므로 뇌는 대사적으로 취약하다.
티모시 라이언 교수는 “이번 발견은 인간의 뇌가 연료 공급 중단 및 약화에 왜 그처럼 취약한지를 이해하는 데 도움이 된다”고 말했다.
연료 공급 중단에 대한 뇌의 취약성은 신경학의 주요 문제이며, 대사 결핍은 알츠하이머나 파킨슨병을 비롯한 다수의 일반적인 뇌 질환에서 확인되었다. 궁극적으로 이번 발견은 중요한 의학적 의문을 해결하고 새로운 치료법을 개발하는 데 도움이 될 수 있다는 의미다.
연구진은 이 같은 에너지 소모를 안전하게 낮추어 뇌 신진대사를 늦출 수 있는 방법을 찾는다면 임상적으로 매우 큰 영향을 미칠 수 있다고 밝혔다.