보수는 세로토닌, 진보는 도파민, 정치 성향, 유전자 변이
세로토닌이 활성화될수록 편도체 크기·기능 강화…동물실험서 사회서열과 높은 상관성
다른 신경전달물질인 도파민 분비가 높을 때 동물들은 새로운 것을 탐색하는 행동 보여
페로몬과 연관돼 짝짓기 행동 정하는 유전인자도 주목…대체로 보수가 자녀 수 더 많아
‘모태보수, 모태진보’ 시리즈 첫번째 글에서 정치 성향에 영향을 미치는 생물학적 요인 중 하나로서 편도체의 역할을 지목한 바 있다. 그 관점에서 보면, 보수적 성향을 가지고 있다는 것은 위험을 회피함으로써 생존 확률을 높이려는 진화적 본능에 충실하다는 의미로 해석할 수 있다. 그런데 진화란 유전자에 의해 다음 세대로 전달되는 경우에만 작동할 수 있는데, 그 연구들은 뇌 구조나 신경생리학적 특성을 조사한 것으로서 직접적으로 유전자를 살펴보지는 않았다. 이런 경우 편도체의 기능이 후천적인 영향을 받을 가능성을 배제할 수 없으며, 후천적으로 획득된 형질은 다음 세대에 전해지지 않으므로 자연선택에 의한 진화의 대상이 되지 않는다.
이런 측면에서 편도체의 활성을 결정하는 유전 인자를 발굴한 ‘사이언스’ 논문은 매우 중요한 의미를 갖는다. 이 연구에서 주목한 유전자 5-HTT는 신경세포 사이의 시냅스에 분비되어 있는 세로토닌을 재흡수하여 세로토닌에 의한 신경 자극을 적정 수준으로 조정하는 것이다. 해당 연구진이 발굴한 유전 변이는 5-HTT의 양, 그리고 세로토닌의 활성에 영향을 미친다. 특히 중요했던 결과는, 기능성 MRI(fMRI)로 측정한 편도체의 공포 반응이 해당 변이의 종류에 따라 다른 강도로 나타났다는 것이다. 이후 편도체의 반응성뿐 아니라 구조적인 크기 자체도 5-HTT 유전자 변이의 영향을 받는다는 보고도 뒤따랐다. 즉 편도체의 크기와 기능은 유전 변이의 영향을 받는데, 특히 세로토닌 활성을 높이는 변이가 편도체의 크기와 기능도 강화시킨다.
실제로 인류학자 헬렌 피셔는 많은 연구결과들을 종합하여 세로토닌이 보수적 성향의 기저에 있을 것이라고 추측했다. 즉 세로토닌 수치가 높은 사람들은 사회적 규범을 따르고 위험을 피하려는 경향이 강하며, 이론적이고 복잡한 것보다 구체적이고 분명한 것을 선호하며, 질서와 권위를 중요시하고 종교적 성향이 강한 경우가 많다는 것이다. 반대로 피셔는 진보 성향을 만들어내는 신경전달물질로는 도파민을 지목했다. 도파민은 보상 회로를 주관하는 신경전달물질로서, 도파민의 분비가 높을 때 동물들은 새로운 것을 탐색하는 행동을 보인다.
여러 동물실험 결과 세로토닌은 특히 사회적 위계질서와 높은 연관성을 보였다. 예를 들어 수컷 버벳 원숭이들은 사회적 서열에 따라 세로토닌 수치가 2배 가까이 차이가 나는데, 지배 계급의 원숭이를 낮은 서열의 원숭이들에게서 분리해두면 세로토닌 농도가 금세 낮아지다 원래 있던 곳으로 복귀시키면 세로토닌도 다시 증가한다. 그리고 낮은 서열의 원숭이가 높은 계급으로 상승하는 경우 그에 상응하여 세로토닌 수치도 높아진다. 그런데 이것만으로는 사회적 서열이 세로토닌 농도에 영향을 주는 것인지, 세로토닌이 지배적 행동을 유도하는 것인지 알 수 없다. 이 문제를 알아보기 위해 이어진 연구에서는 인위적으로 세로토닌의 양을 조절해 보았다. 즉 위에 설명한 5-HTT 유전자의 기능을 방해하여 시냅스상의 세로토닌 수치를 올리는 약물을 투여했더니 낮은 계급의 원숭이가 지배적인 행동 양상을 보였다. 이 상태에서 반대로 세로토닌의 작용을 저해하는 약물을 투여하면 원숭이들은 더 이상 지배 행동을 하지 않고 순종적으로 바뀐다.
사람의 경우도 세로토닌의 전구체인 트립토판을 식사와 함께 복용하면 지배적인 행동 양상이 증가한다는 것이 관찰되었고, 마카크 원숭이의 경우는 세로토닌을 분비하는 솔기핵의 크기가 사회적 서열이 높은 수컷들에서 더 크다는 결과가 보고되었다. 나아가 세로토닌이 편도체의 기능성에 미치는 영향을 고려할 때 사회적 서열과 관련해 편도체의 역할이 중요할 것이라고 예측할 수 있다. 실제로 2017년 ‘네이처 인간행동’에 소개된 연구들에 의하면, 서열 게임에 임한 참가자들의 fMRI 분석 결과 사회적 서열을 학습하고 높은 서열을 획득하려는 동기가 부여되는 상황에서 편도체가 핵심적인 기능을 하는 것으로 나타났다.
이와 같이 세로토닌의 활성이 높을수록 지배적이고 과시적인 행동을 보이며 이것이 사회적 서열을 향상시키는데 도움이 된다면, 이런 개체들은 번식과 자원획득 경쟁에서 유리한 고지를 점할 수 있었을 것이다. 지난 글 ‘유한계급이 된 호모 루덴스’에서 묘사한 바와 같이 동물과 인간의 세계에서 과시 행동과 번식 경쟁은 매우 치열하게 일어난다. 그렇다면 실제로 세로토닌 유전자의 활성이 높은 것이 진화적으로 더 유리했을까? 어떠한 특성이 진화적으로 유리했는지 아니면 반대로 불리했는지는 집단유전학의 방법들을 활용하여 추정할 수 있다. 개체의 생존과 번식에 유리했던 변이라면 자연선택에 의해 계속 인구집단 내에 퍼져 나가는데 이럴 때 우리는 양의 방향으로 선택압을 받았다고 표현한다. 반대로 불리한 변이였다면 자연선택의 압력은 음의 방향으로 작용하여 이런 변이는 점점 사라져갔을 것이다. 어떤 유전자 변이는 상황에 따라 유리할 수도 있고 불리할 수도 있다. 이런 경우 유리한 상황에서는 해당 변이가 점점 많아지다 상황이 바뀌면 반대로 다시 줄어들기도 한다. 이런 양상을 균형 선택이라고 부르며, 균형 선택을 받는 변이는 계속 증가하거나 감소하는 것이 아니라 일정 빈도를 유지하게 된다.
예를 들어 교감신경을 강화하는 변이는 어떠했을까? 교감신경은 생존에 위협이 되는 상황에서 작동하므로, 교감신경의 활성이 강한 사람은, 스트레스는 받을지언정, 위험한 환경에서 잘 살아남을 수 있다. 따라서 이런 변이는 양의 선택을 받았을 것이라고 추정할 수 있다. 본 연재의 첫번째 글 ‘야생 침팬지와 식용 개’에서 언급했던 교감신경을 강화시키는 ADRA2C 유전자 변이는 진화과정에서 양의 선택을 받은 예다. 카이스트의 우리 연구실에서 집단유전학 방법으로 수천명의 인간 유전체를 분석하여 얻은 결과다. 또 다른 연구에서는 균형 선택을 받는 변이들이 기존에 보고된 것보다 인간 유전체상에 훨씬 많다는 것도 밝힌 바 있다. 균형 선택의 대표적인 예가 바로 MHC 유전자였다. MHC는 우리 몸에 침투한 다양한 병원균의 항원들과 결합하여 면역 반응을 유도하는 역할을 한다. MHC는 그 변이의 종류에 따라 잘 대응할 수 있는 병원균의 종류가 다르고 때마다 유행하는 병원균이 다르므로, 어느 특정 변이가 항상 우세할 수 없다. 이런 경우 병원균의 유행 상황에 따라 해당 MHC 변이들은 많아졌다 적어졌다 하면서 균형을 이루며 유지된다.
위의 질문으로 돌아가서, 세로토닌 활성이 실제로 번식에서 유리했다면 세로토닌을 강화하는 변이는 집단유전학 분석에서 양의 방향의 선택압을 보여야 한다. 매우 흥미롭게도, 실제로 신경전달물질 유전자들을 집단유전학으로 분석한 결과, 세로토닌 전달체인 5-HTT가 일관성 있게 양의 선택을 받은 대표적인 유전자로 나타났다. 즉 높은 세로토닌 활성이 진화적으로 유리했을 것이라는 가설이 집단유전학으로 입증된 것이다.
그런데 이 연구에서 관찰된 또 하나의 흥미로운 양상은 도파민 수용체에서 보이는 균형 선택의 흔적이었다. 세로토닌 전달체인 5-HTT의 변이가 세로토닌의 활성에 중요한 것처럼, 도파민도 그 수용체의 변이가 중요하게 작용한다. 같은 양의 도파민이 있더라도 수용체가 도파민을 잘 감지하면 마치 도파민 분비가 높을 때처럼 그 활성을 증가시킬 수 있다. ‘네이처 유전학’에 출판된 2편의 논문에 따르면, 도파민 수용체 중 7R이라는 변이가 바로 그러한 메커니즘을 통해 새로운 것을 탐색하는 경향을 증가시킨다. 그런데 세로토닌 활성이 양의 선택을 받는 것과 달리 도파민의 활성이 균형 선택을 받는 이유는, 탐색하는 성향에는 늘 위험이 따르므로 개체의 생존에 항상 유리한 것은 아니기 때문이다. 몇몇 유전학 연구들에 따르면, 7R 변이는 인간의 진화 역사에서 최근에 발생했는데, 새로운 것을 탐색하는 성향의 장점과 위험성의 공존으로 인해 균형 선택을 받아온 것으로 보인다. 놀랍게도, 정치 성향과 유전자 변이 간의 상관관계를 조사해보니, 실제로 도파민 수용체의 7R 변이가 있는 경우 진보적인 정치 성향을 가지게 될 가능성이 더 높다는 것이 밝혀졌다.
지금까지 나열한 편도체, 세로토닌, 도파민에 대한 연구들은 인간의 정치 성향을 직접적인 뇌 기능에 기반하여 설명하기에 적합하였다. 사실 어떤 연구들은 이들의 정치 성향과의 연관성을 가설로 놓고 진행하기도 하였다. 하지만 정치 성향과 유전자 간의 관계를 아무런 가정 없이 순수히 데이터만을 기반으로 접근하는 연구도 진행된 바 있다. 이러한 연구에서 편도체, 세로토닌, 도파민 등 뇌 기능과 직접 연관된 것들 외에 새롭게 발견된 유전 변이들도 있었는데, 그중 가장 주목할 만한 것은 다양한 리포칼린과 후각수용체 유전자에 존재하는 것들이었다.
리포칼린은 몸에서 배출되는 화학 신호인 페로몬 그 자체로서 작용하거나 혹은 페로몬과 결합하여 작용하며, 후각수용체는 다른 개체에서 방출된 페로몬을 인식하는 역할을 한다. 지난 글 ‘애 키우기 vs 개 키우기’에서 논한 ‘브루스 효과’, 즉 자발적 유산은 새로 등장한 알파 수컷이 분비하는 페로몬에 대한 암컷의 생리학적 반응으로 인해 일어나는 것이다. 이뿐 아니라 다양한 동물 실험 결과 페로몬이 짝짓기 및 그와 관련된 경쟁 행동에 있어서 매우 광범위한 역할을 한다는 것이 밝혀졌다. 예를 들어 ‘사이언스’와 ‘네이처’에 보고된 연구들을 보면, 생쥐들의 후각수용체 시스템을 망가뜨리는 경우 동성의 쥐를 대상으로 짝짓기를 시도하거나 암컷이 원래 수컷들이 하는 구애 행위를 하는 등의 이상행동을 하며, 수컷이 원래 보이는 경쟁 행위들, 즉 자신의 영역 표시나 다른 수컷에 대한 공격, 사회적 서열의 인지, 지배적 행동 등이 사라지게 된다. 특히 다른 수컷에 대한 공격 행동의 경우, 그 유발 인자가 바로 소변에 들어있는 리포칼린들이라는 결과가 네이처에 보고되기도 하였다.
이러한 다양한 짝짓기 행동을 결정하는 유전인자들이 정치적 성향과 연관이 있다면, 보수와 진보층 사이에서 실제로 번식률에 차이를 보일 수도 있다. 한 사람이 평생 가지게 되는 자손의 수를 측정하는 ‘생애 번식 성공률’이라는 지표는 특히 사망률이 낮은 현대인 집단에서 진화적 적합도에 대한 근사치로 널리 받아들여지고 있다. 실제로 전 세계 100개 국가의 15만2400여명, 유럽인 6만5900여명, 미국인 6200여명을 조사한 대규모의 연구에 따르면, 보수적인 정치 성향인 가정들이 진보적인 사람들에 비하여 유의하게 더 많은 자녀를 낳는 것으로 확인된다. 물론 현대인들의 자녀 수에는 가치관이 작용하겠지만, 두 진영 간의 이러한 극명한 차이에 위에서 발견한 유전학적 요소가 작용하고 있을 가능성도 배제할 수 없다.
이로써 보수와 진보의 생물학적 차이를 설명하는 3가지 열쇠, 즉 편도체-교감신경, 세로토닌-도파민, 그리고 리포칼린-후각수용체를 모두 살펴보았다. 이 시리즈의 마지막 글에서는 이 결과들을 종합하여 왜 진보와 보수가 여러 사회적 사안들에 관하여 그렇게 일관된 차이를 보이는지 살펴보도록 하겠다.
도파민과 세로토닌
"어떤 삶을 원하나요?"라고 물으면 대부분은 행복한 삶이라고 대답할 것이다. 나 또한 불혹의 나이가 되고 나서는 성공이나 부귀영화보다 행복을 최고로 꼽고 있다. 이전에는 치열하게 살다 보니 어떤 삶을 살고 싶은지 고민할 여유조차 없었다. 진정한 행복이 무엇인지 어떤 삶이 행복한 삶인지 알지 못했다.
물론 매사에 감사해하고 작은 행복을 느껴야 한다는 걸 알고 있었지만 머리로만 이해할 뿐이었다. 가족들과 여행을 가거나 예쁜 옷을 사서 입을 때, 맛있는 음식을 먹을 때도 '아 행복하다'라는 말이 절로 나오지 않았다. 행복이라는 말을 붙이려면 훨씬 더 큰 만족감이 있어야 하고 엄청난 성공을 해야 하는 줄 알았다. 곁에 있는 행복은 느낄 줄 모르면서 멀리 있는 파랑새를 쫓아가기 바빴던 나날이었다.
행복에도 뇌가 연관되어 있다. 일상의 작은 행복을 잘 느끼지 못하는 건 신경전달물질 때문이다. 뇌는 크고 자극적인 기쁨, 즉 쾌감에 민감하게 반응한다. 이때 도파민1)이 분비된다. 도파민의 짜릿함만을 원한다면 일상의 소소한 행복을 느끼기가 어렵다. 반면 작고 사소한 데서 오는 기쁨은 세로토닌2)이 관여한다. 그래서 세로토닌을 행복 호르몬이라고 부른다. 즉 도파민과 세로토닌은 우리의 기분을 조절하는 신경전달물질이다.
도파민이 분비되면 의욕이 넘치고 일을 신바람 나게 할 수 있다. 경쟁에서 이겼거나 복권 당첨과 같은 예기치 못한 행운이 왔을 때 분출된다. 도파민은 술이나 담배, 게임, 마약과 같은 것들을 통해 인위적으로 분비되게 할 수도 있다. 하지만 이러한 쾌감은 오래가지 못하고 점점 더 강하고 큰 자극을 필요로 한다. 그러다가 중독되기도 하므로 우리에게는 자극적이지 않은 즐거움이 필요하다. 특별한 일이 없어도 만족하고 감사함, 행복감을 느낄 수 있는 건 세로토닌 때문이다.
나는 예전에 도파민의 쾌감을 원했던 것 같다. 무얼 하든 이겨야 하고 가장 잘해야 직성이 풀렸다. 그러다 보니 과정보다는 결과가 중요했고 아무리 힘들어도 스트레스를 받아 가면서 열심히 했다. 1등을 하고 나면 힘들기만 했던 과정이 모두 보상받는 느낌이었기 때문이다. 하지만 전력 질주를 하고 도파민의 보상을 받은 후에는 즐거움이 오래가지 못하고 불안감이나 공허함이 밀려오곤 했다.
도파민의 자극으로는 정상적인 보상체계3)가 작동되지 않기 때문이다. 강한 자극을 통한 도파민의 분출은 보상체계를 무너트려 중독이나 쾌락에 빠지게 한다. 따라서 행복 호르몬인 세로토닌을 분비시키는 활동을 통해 뇌에 정상적인 보상을 줘야 한다. 보상체계가 제대로 작동하면 게임이나 알코올, 약물 등에 의존적이고 중독된 증상도 점차 사라진다.
진정한 행복을 느끼기 위해서는 세로토닌 분비를 활발하게 해주어야 한다. 세로토닌을 분비시키는 가장 좋은 방법은 햇빛을 받으면서 걷는 활동이다. 가볍게 산책하듯이 걷는 것이 좋다. 음식을 오랫동안 꼭꼭 씹을 때도 세로토닌이 분비된다. 식사를 할 때 한 숟가락에 30~40번 정도 저작운동을 한다고 정해놓으면 좋다. 의식적으로 천천히 씹어 먹으면 소화에도 도움이 된다. 껌을 씹는 것도 좋은 방법이다.
또한 매사에 감사해하는 습관을 들여야 한다. 남을 이길 때 도파민이 나온다면 감사하는 마음은 세로토닌을 분비시킨다. 하지만 감사하는 습관도 훈련이 필요하므로 매일 감사일기를 쓰는 것이 방법이다. 자연의 푸르름을 접할 때 역시 세로토닌이 분비된다.
결국 사랑하는 사람과 손잡고 햇빛을 받으며 집 주변을 천천히 산책하면서 감사해하는 것이 일상에서 행복해지는 지름길이라고 할 수 있겠다. 그렇다. 행복은 먼 훗날이 아닌 바로 지금, 오늘에 있다.
※용어 설명
1) 도파민(dopamine): 노르에피네프린과 에피네프린 합성체의 전구물질이다. 동식물에 존재하는 아미노산의 하나이며 뇌신경 세포의 흥분 전달 역할을 한다.
2) 세로토닌(serotonin): 아미노산인 트립토판에서 유도된 화학물질로 인간과 동물의 위장관과 혈소판, 중추신경계에 주로 존재하며 행복의 감정을 느끼게 해주는 분자로, 호르몬이 아님에도 해피니스 호르몬(happiness hormone)이라 불리기도 한다.
3) 보상체계: 기분을 좋게 만듦으로써 행동을 조절하는 뇌 회로이다. 뇌의 보상체계를 담당하는 영역은 선상체(striatum)이다. 선상체는 도파민을 내보내는 일을 책임지며 보상·강화·쾌락·중독 등과 연관돼 있다.
인체 뇌 구조와 쾌락 보상회로 (Human brain and Reward pathway)
성인의 뇌의 무게는 체중의 2%로 대략 1.5 kg에 불과한데, 섭취하는 에너지의 20%를 사용하기 위해 심장에서 나오는 혈액의 20%를 공급받고 있는 아주 중요한 기관이다. 사람의 뇌는 대뇌(Cerebrum), 소뇌(Cerebellium), 뇌간(Brain stem)으로 크게 3개 부분으로 나눌 수 있고, 뇌와 신체의 연결은 뇌간과 척추에 있는 척수(Spinal cord)로 연결되어 신체의 모든 기능을 통합/조절할 수 있다.
대뇌는 의식영역으로 주로 인간이 가지는 높은 지적 기능 발생을 담당하고, 소뇌는 신체의 움직임을 담당하여 신체운동의 미세조정과 균형을 유지하는 데 큰 역할을 하고 있다. 뇌간은 뇌와 척수를 연결하면서 뇌와 신체 간의 생체신호를 전달하고 기본적인 무의식적 반사작용을 관리하고 있다.
초기는 생물통신시스템인 신경은 운동에 관여하는 근골(筋骨)계에 말초신경 형태로 발달하였고, 점차 생명 안전을 위한 정교한 조절을 위해서 오감(시각, 후각, 청각, 촉각, 미각)에 관여하는 신경계가 생겼을 것이다. 하지만, 오감에 의해서만 생명을 유지하는 방법은 단지, 순간적인 반사작용(Involuntary reflex, 反射作用)만이 가능하게 설명할 수 있다.
생존을 위해서는 위험했던 과거의 경험을 기억하고, 예방적인 차원의 선제적 행동을 한다면 생명체를 더 안전하게 유지할 수 있었을 것이다. 이렇게 되기 위해 신체에 분포한 말초신경이 연결/통합되는 척수와 중추신경계인 뇌간과 연결되었다. 뇌간을 둘러싸고 있는 변연계(Limbic system)인 구 피질(Paleocortex, 舊皮質)은 기억을 담당하고 있다.
인간이 가지고 있는 구 피질을 둘러싸고 있는 신 피질 (Neocortex, 新皮質)은 외부환경에 대한 정보와 과거 기억을 저장/분석하여 미래에 발생할 수 있는 상황을 판단/예측한다. 생명체에 가장 기본인 위험에 대한 반사작용과 생존/생식 같은 원시적인 기능을 가지는 뇌간은 하등동물 파충류가 가졌다고 해서 파충류의 뇌(Reptilian complex)라 한다. 파충류의 뇌에 변연계(籩緣系,둘레 계통)가 둘러싸고 있고 그 역할은 감정(Emotion), 공감(Empathy), 부모 가족 감(Parental) 등을 느끼고 있어 포유류 뇌(mammalian(Limbic) system)라고 부른다.
포유류 뇌에 신 피질(Neocortex)로 둘러싸인 인간 뇌(human brain)는 고등적인 논리(Logic), 추상적 생각(Abstract thought) 등을 할 수 있다. <그림 1> 실제 파충류는 뇌간만, 포유류는 뇌간+구피질, 인간은 파충류+구피질+신피질로 구성되어 있다. 인간 뇌 앞쪽 얼굴 쪽에 신 피질에 있는 전두연합영역(前頭連合領域)은 한 가지 제한된 기능만을 수행하는 것이 아니라 종합적인 상황을 판단하여 인간이 추구하는 목적에 따라 처리 우선순위뿐만 아니라 때에 따라서는 동시에 협력 또는 중지하는 조절을 한다. 뇌에서 내리는 명령을 세포들도 단순히 수행만 하는 것이 아니라 뇌가 수행한 결과가 긍정적일 결과일 때 보상하는 쾌락(快樂)이라는 보상(報償, Reward)회로가 있는데, 이 회로(回路)를 보상회로, 또는 쾌락 회로 명명한다.
보상회로는 의학계에서 1950년 초 쥐 뇌에 전극으로 시험하여 정립하고, 최근, 2022년에는 일론 머스크(Elon Musk)의 뉴럴링크(Neurallink)사는 신경 레이스(Neural lace)인 신경 그물망에 많은 아주 작은 전극을 통해서 원숭이 뇌에 쾌락 회로를 자극하여 사람이 원하는 움직임을 하는 살아있는 원숭이 로봇을 개발하기도 하였다. 쾌락 보상회로의 중요성은 인간 자신이 목표를 설정하고 주어진 방향으로 성취감과 쾌락을 느끼면서 진화할 수 있어서 질병 예방/치료는 물론 육체/정신적으로 더 진보된 인간의 미래로 개척할 수 있을 것이다.
<쾌락에 대한 동물실험>
쾌락은 식사, 성행위, 음수 등의 원초적인 욕구 충족뿐만 아니라 체육, 학습, 취미활동에서 얻을 수 있는 만족감은 물론 자신에게 아무런 이익이 없는 희생, 사회에 봉사하면서 얻는 정신적 만족감과 고통을 참고 달리는 마라톤, 고행, 인내 등에서도 인간은 쾌감을 느낄 수 있다. 쾌락을 실험으로 입증한 것은 1954년 초 미국 생물 심리학자 제임스 올즈(James Ods)와 피터 밀러(Peter Milner)가 쥐 실험에서 쾌락 중추를 발견하면서 시작되었다. 쥐 뇌의 특정부위(뇌 내측)에 전극을 심고 바닥에 전류를 흐르게 하는 스위치를 장치를 장치<그림 2>하여, 쥐가 스위치를 눌러서 뇌에 전기 자극을 하면서 쾌감을 느끼는 것을 발견하여 쾌락 중추를 발견하였다.
뇌에 전기 자극에 쾌감을 느끼는 부위를 “보상계(Reward system)”라고 명명했지만, 보상을 줌으로 쾌감을 느낀다는 의미로 “플러스 강화”라고 표현하고, 쾌락 시스템(또는 보상시스템)으로 명명하였다. 실제로 쥐에게 먹이, 물, 짝짓기 등 원초적 본능과 전기 쾌락 시스템을 비교하여 선택하도록 실험했을 때도 쥐는 당연히 전기 자극을 받는 스위치를 선택하였다. 심지어, 먹이활동과 같은 기본적인 욕구를 포기하고 1시간에 700번 이상으로 스위치를 눌러서 결국 죽음에 이른 쥐도 있었다. 다른 연구자가 중추신경 자극제인 코카인, 아편과 같은 마약을 사용하여 쾌감 보상 연구를 했을 때도 실험대상 동물은 역시 기본적인 욕구를 포기하고 마약을 선택하였다.
비슷한 실험이지만, 쾌락을 주는 뇌 위치의 전극을 설치하고, 방향을 잡을 때 사용하는 쥐의 수염을 자극하는 뇌 위치에 또 다른 전극을 설치하였다. 쥐를 왼쪽으로 움직이게 왼쪽 수염을 자극하고, 쥐가 왼쪽으로 움직이면 쾌락을 주는 전극을 자극하여 행동을 유도하는 방식으로 실험하였다. 원하는 행동을 하면 보상으로 쾌락을 주는 방식으로 교육한 후, 쥐를 사람이 원하게 움직이는 실험도 성공하였다.
전기 자극 자체가 쾌락을 느끼게 하는가를 연구한 결과, 전기 자극이 뇌 신경을 자극하여 도파민(Dopamin)과 같은 호르몬이 분비되면서 쾌감 신경이 피드백(Feedback)되고, 너무 과하게 호르몬이 분비하여 신경을 강하게 자극하면 호르몬 분비를 줄이는 네가티브 피드백(Negative feedback) 반응으로 조절되면서 정상적인 항상성(恒常性, Homeostasis)을 유지하는 것을 알았다.
인간 뇌 전기 자극 시험은 1963년 히스(R.G. Heath)가 뇌수술이 필요한 잠만 자는 기면증 환자와 간질 환자 치료를 위해 뇌에 각각 14개 및 17개의 전극을 이식하였다. 뇌 중앙부위와 중간뇌 덮개(Tegmentum)에 전기 스위치 작동 시, 기면증 환자는 쾌락을 느끼고 오르가슴(Orgasm)까지 느꼈지만, 간질환자는 항상 좋지는 않고 오히려, 안쪽 시상(Medium thalamus) 부위에서는 기억력이 회복되는 현상을 발견하였다. 이런 결과는 전극의 위치가 정확하지 않아서 나온 결과로 추정한다.
최근, 2022년에는 일론 머스크(Elon Musk)의 뉴럴링크(Neurallink)사는 어느 정도 정확한 전극의 위치를 파악하여 원숭이 뇌에 많은 수의 미소한 전극을 침습적으로 임플란트하여 뇌 조절 결과를 발표하였고, 2023년 5월 중국 난카이대는 뇌-기계 인터페이스(Brain Machine Interface, BMI)로 뇌에 전극을 직접 뇌에 침습하여 이식하지 않는 비침습 BMI로 발전시키기 위해 두뇌 대신 경정맥에 스텐트를 넣는 “중재적 BMI” 기술을 개발하여 <그림 3>에서와같이 원숭이 생각만으로 로봇 팔을 움직였다.
도파민과 같은 호르몬의 변이되거나 분비에 문제가 되어 정상적인 신경 신호가 전달되지 않을 때 뇌는 비정상(Dysfunction)화 되어 신경세포가 퇴화하거나 자가 포식(Autophagy)하여 파괴되면서 심각한 뇌 질환이 발생한다. 이렇게, 신호전달이 되지 않는 신경세포를 만능유도 줄기세포를 키워서 신경세포로 분화하여 이식하는 기술도 개발되고 있다. 사람의 뇌세포를 줄기세포로 배양한 작은 뇌 모양인 오르가노이드로 만들어 새끼 쥐의 뇌 속에 이식한 결과 <그림 4>와 같이 실험에 성공으로 자리 잡고 신경이 연결하였다고 Nature 지(2022. 10)에 발표하였다.
이런 내용은 현재 마땅한 치료제가 없는 뇌성마비, 조현증, 알츠하이머 등 뇌질환치료 시 외부에서 사람의 뇌세포를 오르가노이드로 만들어 치료할 수 있다는 가능성이 있지만, 아직 넘어야 할 난제가 너무 많아 더 많은 연구가 필요하지만, 생물윤리 문제 등 현존한 눈앞에 문제점도 뛰어넘기는 어려울 것 같다.
< 쾌락 호르몬과 뇌 신경>
쾌락과 관계되는 뇌 호르몬은 주로 도파민이 분비되면서 일어나는데 분비되는 뇌 부위는 뇌의 변역계인 복측피개영역(Ventral tegmental area,VTA)과 흑질(Substantia nigra, SN)에서 만들어지고 전달은 주로 A10 신경계 따라서 전두엽 피질로 퍼져나가 쾌락 <그림 5>을 느끼게 된다. 스포츠를 즐기면, 운동과 관련된 근육 긴장성 섬유에 있는 말단 신경이 뇌 시상하부와 연결되어 있어서 A10 신경계를 나가면서 도파민과 시상하부에서 만들어진 엔도르핀(Endorphin)이 분비되어서 쾌감을 느낀다. 실제 운동뿐만 아니라 식사, 사랑, 정신적 성취가 있을 때도 도파민이 분비되고 있어서 쾌락과 관련된 주요 근원은 도파민인 셈이다.
도파민은 우리가 먹는 식품에서 섭취하는 아미노산인 페닐알라닌(Phenylalanine)과 티로신(Tyrosine)에서 도파(DOPA)를 거쳐 만들어지는 카테콜(Catechol)계 신경전달 호르몬이다. 도파민은 생체 내에서 쉽게 노르에피네프린(Norepinephrine)이나 에피네프린(Epineprrine)으로 전환되어 신경전달 물질로 작용하고 혈압, 동공 확장, 흥분시키는 작용을 하고 극히 작은 양으로도 충분히 신체기능을 조절한다. 결국 도파민이 분비되면 즐거움과 쾌락의 근원이지만, 도파민양이 떨어지면 학습, 활동, 대화 등에 주의력이 결핍되어 과잉 행동장애(ADHD)의 원인이 되고 너무 과량으로 존재하면 집중력이 지나치게 증대하여 경계심이 높아지고, 사소한 것에 화를 내고 의심이 많아져서 결국 편집증이나 조현병으로 병발 될 수 있다.
결국, 쾌락을 조절하는 도파민도 조절되어 분비되는 항상성이 있어야 한다. 복측피개 영역과 흑질에서 만들어진 도파민은 그림 4에 보는 바와 같은 A10 신경계를 따라서 자극되어서 쾌감을 느끼게 된다. A10 신경계는 성욕, 식욕, 체온조절과 같은 원시적 욕구와 운동, 인내와 같은 육체적 극복뿐만 아니라 학습, 기억, 봉사, 희생과 같은 정신세계를 관장하는 전두연합 영역에 연결되어서 다양한 쾌감을 느끼면서 인체의 보상체계로 만들고 있다.
인간만이 가지고 있는 신피질의 경우는 도파민 수용체가 조절하는 자가수용체(Auroreceptor)를 가지고 있지 않아 피드백 기능으로 조절하지 않아서 도파민 과잉상태를 유지되어 지속적인 다양한 쾌감을 경험할 수 있어서 인간 정신활동이 제한없이 자유분방한 발상, 무한한 상상이 가능(오키 고스케 “뇌로부터 마음을 읽는다(2020)”)하여 달리 A10 신경계를 자극하여 스스로 쾌감을 만들 수 있다. 즉, 파충류와 개, 고양이와 같은 포유류는 A10 신경은 있지만, A10 신경계를 조절하는 상위의 신 피질이 없으므로 스스로가 쾌감을 만들 수 없고 단지 외부자극으로만 쾌감을 느낀다.
신 피질이 있는 인간은 스스로 마음이나 정신을 긍정적으로 집중하면 쾌감 호르몬인 도파민과 엔도르핀(Endorphin)을 분비하여 A10 신경계를 자극하여 다양한 쾌감을 얻어 보상을 받는다. 엔도르핀은 “Endogenous(내인성) Morphine(모르핀)”의 결합어로 “몸에서 분비하는 모르핀”이라는 의미로 단지 정신적인 자극만으로 시상하부나 뇌하수체에서 만들어진다. 엔도르핀도 모르핀과 아편 같은 마약의 수용체인 오피에이트(Opiate) 수용체에 결합하여 쾌감을 느끼게 한다.
사실 이런 인간의 정신적 쾌감은 극도의 희생과 고행을 하는 성인이나 인내하면서 몰입하는 보통 사람도 정신적 수련에서 쾌감을 얻을 수 있다는 근거가 되고 있다. 더 큰 발견은 인간이 삶의 목표를 정하고 몰입 및 집중하면 역시 A10 신경계를 자극하여 학습 능력과 일에 집중도를 극대화할 수 있어 빨리 지적 학습 능력을 크게 향상하게 할 수도 있다. 어쩌면 인간 진화의 원천적인 힘인 보상시스템인 쾌락이 육체뿐만 아니라 정신적 자극으로도 가능하다고 생각하면서 보상시스템인 쾌감이 생물 진화의 원동력이라고 생각한다.
무게로는 신체 전체의 2% 정도밖에 되지 않지만, 혈액의 20%가 활동하면서 에너지의 20%를 뇌는 다세포 생물인 인간을 완벽하게 통제할 수 있는데 보상체계로 쾌락을 활용하는 것은 놀라운 일이다. 식욕, 성욕 등의 욕구가 충족되는 동안에는 쾌감 호르몬이 분비되지만, 충족 후에는 억제호르몬이 작용하여 욕구를 멈추어서 생명현상을 유지하는 기본적인 욕구의 과도한 부작용을 막아주는 피드백(Feedback)으로 인체는 항상성을 유지할 수 있다.
도파민과 마찬가지로 카테콜(Catechol)계 화합물인 노르에피네프린과 에피네프린이란 호르몬도 인체에 분비되면 이를 억제하는 호르몬인 세로토닌(Serotoin)도 분비되어 과도한 부작용을 막아주고 있다. 인간의 뇌에 있는 신 피질은 구 피질과 뇌간과는 달리 쾌락을 만들어 주는 호르몬 분비를 억제하는 네거티브 피드백(Nagative feedback) 없어서 아무런 제한 없이 쾌감 호르몬을 계속 분비하기 때문에 높은 수준의 쾌감을 가지고 완성도가 높은 육체/정신적 목표를 달성할 수 있어서 근본적으로 동물과 다른 점이다.
식욕, 성욕 등과 같은 생리적 욕구는 주로 뇌간에서 호르몬이 작용으로 해결되는데 신피질과 달리 뇌간은 호르몬 조절이 충분히 피드백되기 때문에 자동으로 조절되어 항상성을 유지하여 건강을 유지한다. 인간이 학습, 기억 및 고도의 정신활동을 끊임없이 할 수 있는 이유는 대뇌 신 피질이 네거티브 피드백 없어서 계속 호르몬 분비가 되어서 낮은 단계에서 높은 단계의 욕구로 이동하면서 쾌감을 느끼어 성취를 느끼고, 아주 높은 단계에서는 더 많은 쾌감을 느껴서 건강하고 젊게 살 수 있다고 한다.
기억의 경우도 신경세포에서 해마로 직접 기억되는 것보다 신경세포에서 편도체를 통해서 저장되면 기억력이 더욱 좋아지는데, 보상(쾌감)회로를 거쳐서 쾌감, 즉, 긍정적이고 행복한 만족감을 느끼기 때문으로 알려졌다. 인간이 가진 신피질의 제한 없는 호르몬 분비는 육체/정신적으로 어렵거나 귀찮은 높은 단계를 거치면서 행복한 성취감을 느껴서 더 높은 단계로 쾌감을 느끼면서 나아갈 수 있다. 신피질을 잘 이용하면 인간이 가지는 한계성을 뛰어넘어서 기분이 좋은 성취감을 느낄 수 있어서 미래 인간의 무한한 발전적인 진화도 가능하다고 생각한다.