생명과 전기 #016

제2부 재생 전류

제4장 생명의 전위

신경학의 저류

몸 전체의 생명 장에 대한 탐구가 간단한 동물의 경우를 주로 해서 절뚝거리면서 진행되어 나가는 동안, 다른 몇 신경생리학자들은 번스타인의 '작용 전위' 가정으로 설명할 수 없는 좀더 복잡한 생물의 신경에 대한 기묘한 사실들을 발견하기 시작했다. 옛 논문과 문헌들을 하나씩 훑어보면서, 나는 신경계에 직류 전압이 존재하고 있으며 외부로부터의 작은 전류가 뇌의 작용에 영향을 끼칠 수 있다는 많은 힌트들을 발견했다.

처음으로 신경계에 전류를 응용했다고 기록되어 있는 사람은 갈바니의 조카이며 생기론의 열렬한 지지자였던 조바니 알디니이다. 그는 자기가 증오했던 볼타가 만든 전지를 사용하여 천식을 완화시키는 데 주목할 만한 성공을 거두었다고 주장했다. 또한 오늘날 정신분열증으로 진단될 만한 사람을 치료했지만, 전류의 효과는 어느 정도이고 당시 정신질환 치료에서 드물었던 염려solicitude의 효과는 얼마만큼이었는지 알 수가 없다. 알디니는 그 환자에게 자기 집의 방 하나를 주었고 나중에는 일거리를 찾아 주었다. 알디니의 실험중 몇 가지는 매우 기괴한 것이었다. 그 중에는 최근에 사형이 집행된 범죄자의 시체를 전기로 팔딱거리게 하여 그를 부활시키려 했던 것도 있다. 하여간에 외부의 전류가 쇠진한 신경의 생명력을 소생시킬 수 있다는 그의 생각은 한 세기 동안 전기요법의 이론적 근거가 되었다.

신경과 전류에 대한 근대적인 연구는 1902년에 시작되었는데, 그때 프랑스의 연구자 스테판 르뒤크는 동물의 머리에 비교적 강한 전류를 흘려서 잠들게 할 수 있었다고 보고했다. 그는 이 방법으로 자기 자신에게 실험을 하여 여러 차례 혼수 상태에 빠지기도 했다. (얼마나 헌신적인 과학에의 정열인가!)

다른 연구자들이 이 선도적 연구에 힘입어 1930년대에 전기충격 요법과 전기마취 기술을 개발했다. 큰 전류를 사용하여 경련을 일으키는 것의 치료적 가치에 대해서는 점점 더 많은 의문이 제기되어, 그 방법은 오늘날 다루기 힘든 정신병자나 정치범을 진정시키는 데 주로 쓰이고 있다. 한쪽 관자놀이에서 다른쪽 관자놀이까지 머리를 경유하는 작은 전류를 흘리는 전기마취법은 소련과 프랑스에서 널리 사용되었다. 소련의 의사들은 진정 상태의 뇌파의 주파수로 직류 전류 펄스를 눈꺼풀 위에서 귓볼까지 흘리는 전기요법을 쓰면 두세 시간 만에 하룻밤을 푹 잔 것 같은 효과를 가져다준다고 주장했다. 어떻게 해서 이러한 효과가 있는지에 대해서는 여전히 논란이 있으나, 전류가 신경계에 지대한 영향을 끼친다는 사실에 대해서는 애초부터 반론의 여지가 없었다.

1920년대와 1930년대에는 직류 전류가 세포, 특히 뉴런의 성장을 유도한다는 생각이 팽배했다. 1920년 잉그바르는 신경세포체로부터 자라 나오는 신경섬유들이 근처의 전류의 흐름에 따라 정렬된다는 것과 전류의 음극 쪽으로 자란 섬유들과 양극 쪽으로 자란 섬유들이 다르다는 것을 발견했다. 폴 바이스는 이 이단적 관찰에 대해 세포 기질基質이 전극과의 접촉에 의해 생긴 인위적 현상이라고 곧장 '설명'했다.

바이스가 틀렸다는 것을 1946년 마쉬와 빔스가 증명한 후에도, 신경섬유들이 전류의 흐름을 따라 방향을 잡는다는 사실이 과학계에 수용되기까지는 몇 년이라는 세월이 걸렸다. 오늘날 전기를 사용하여 신경 성장을 유도할 수 있다는 가능성은 재생 연구에 있어서 가장 매혹적인 희망들 중의 하나이다. (제11장 참조)

이러한 사실들을 설명할 수 없었던 번스타인의 가설은 다른 면에 있어서도 문제점들이 있는 것으로 드러났다. 우선 가정에 따르면, 임펄스는 신경섬유의 양쪽 방향으로 진행할 수 있다. 만약에 신경이 중간에서 자극되면, 임펄스는 양쪽 끝으로 균등하게 진행하여야 한다. 그러나, 임펄스는 오직 한 방향으로만 진행했다. 실험에서 임펄스를 역류시킬 수는 있었으나 그것은 대단히 어려운 작업이었다. 이 관찰이 뭐 그렇게 대단한 것이냐고 할 수 있겠지만, 그것은 매우 의미심장한 것이었다. 무언가가 신경이 극성을 갖게 하는 듯했다.

다른 하나의 문제는, 신경이 재생에 필수적임에도 불구하고 재생 과정 동안 작용 전위가 침묵을 지키고 있다는 사실이다. 재성장에 관려된 아무런 임펄스도 발견되지 않았고, 신경전달체인 아세틸콜린 같은 물질도 성장 유도자의 역할에서 제외되었다.

아울러 임펄스는 항상 같은 크기와 속도를 갖고 있다. 역시 그게 뭐 그리 중요한 것이냐고 반문할지 모르나, 잘 생각해 보면 알 수 있다. 그것은 컴퓨터의 1 또는 0과 같이 오직 하나의 메세지만을 운반할 수 있다는 것을 의미한다. 무릎반사 같은 간단한 반응이라면 상관없다. 의사의 고무망치가 당신의 무릎을 칠 때, 그것은 사실상 슬개의 건腱을 치는 것인데, 무릎을 재빨리 뻗게 된다. 이 자극은 수신자(건의 신경세포들)에게 다다르고, 수신자는 척수에 "슬개건이 갑자기 뻗쳤다"고 알리는 신호를 보낸다. 이 임펄스들은 척수의 운동(근육 활성)뉴런에 수신되고, 그것은 계속해서 허벅지의 전면 근육을 수축시켜 무릎을 뻗게 하라는 신호를 보낸다. 일상 생활에서, 갑자기 무릎이 굽혀졌을 때 이 반사 반응이 일어남으로써 엉덩방아를 찧는 것을 막는 것이다.

디지털 임펄스 시스템은 이 모든 것을 완벽하게 잘 설명해 준다. 그러나 아무도 반사작용만으로는 걸을 수 없으며, 이것은 뇌성마비 환자들이 너무나 잘 알고 있는 일이다. 우리가 당연하다고 생각하는 동작들 - 의자에서 일어나 방을 걸어가서 컵을 들고 커피를 마시는 등등 - 은 조화로운 움직임을 연출하기 위해 모든 근육과 감각기관들의 매끄러운 종합적 작동을 필요로 하는데, 이것들을 우리가 굳이 '생각'해야 할 필요는 없는 것이다. 어떻게 임펄스들의 간단한 암호가 저 모든 것들을 할 수 있는지 아무도 설명한 적이 없었다. 그보다 더한 것은 훨씬 복잡한 행위들인데, 그것은 시각 - 여기서 우리는 수많은 시각 자료로 만들어진 끊임없이 변하는 광경을 계속 해석해야 한다 - 또는 말하기, 상징 인식, 그리고 언어의 문법 같은 것이다. 수수께끼들 중에 으뜸가는 것은 의식의 '뇌-정신 문제'와 '나는 실질적이다, 나는 생각한다, 나는 특별한 그 무엇이다'라는 그 인식이다. 다음으로는 추상적인 생각, 기억, 인격, 창조성, 꿈 등이 있다. 전해 오는 이야기에 의하면, 오토 뢰비가 오랫동안 성과없이 시냅스의 문제와 씨름하고 있을 때, 어느 날 저녁 개구리 심장 실험이 완전히 계시되는 꿈을 꾸었다. 깨었을 때 자기가 꿈을 꾸었다는 것을 알았지만, 상세한 것을 기억할 수 없었다. 다음날 그는 같은 꿈을 꾸었다. 이번에는 꿈을 기억했기에 아침에 실험실로 달려가 실험을 하여 문제를 해결했다. 그러나 신경전기를 영원히 추방하는 듯했던 그 영감 자체는 그 영감에 의해 만들어진 이론으로 결코 설명될 수 없다! 간단한 디지털 신호들을 어떻게 이 복잡한 현상으로 변환시킬 것인가? 근래의 기계론자들은 뇌의 회로가 너무 복잡하기 때문에 파악하기 불가능할 것이라고 단순히 가정했으나, 몇몇 과학자들은 무언가 다른 요소가 있는 것이 틀림없다고 말하고 있다.

뢰비가 아세틸콜린에 대한 연구를 끝냈음에도 불구하고, 다른 학자들은 신경에 전류가 흐른다는 증거를 발견하기 시작했다. 영국의 생리학자 리처드 케이튼은 1875년에 이미 동물들 머리 주위에서 전기장을 검출했다고 주장했다. 1924년에 이르러서 독일의 정신의학자 한스 버거는 자기 아들의 머리에 꽂은 백금선으로부터 처음으로 EEG(뇌전도腦電圖)를 측정하여 그것을 증명했다. EEG는 머리의 여러 부분에서 전위의 주기적 변화를 측정한 것이다. 버거는 처음에 전체 뇌에서 오직 하나의 파동이 나온다고 생각했는데, 나중에 전극을 대는 부위에 따라 파동이 달라진다는 것이 밝혀졌다. 오늘날 EEG는 머리 위에 서른두 개나 되는 전극을 부착시켜 측정한다.

이들 뇌파의 주파수는 의식의 상태와 단순하게 연결지어졌다. 델타파(0.5~3㎐)는 깊은 수면 상태를 나타낸다. 세타파(4~8㎐)는 무아지경, 졸리움, 또는 얕은 잠을 나타낸다. 알파파(8~14㎐)는 이완된 각성 상태나 명상의 상태에서 나타난다. 베타파(14~35㎐)는 가장 고르지 못한 파동으로서 모든 일상적인 활동 상태에서 나타난다. 이러한 파동들 이외에 보다 천천히 변하는 것이 있는데, 델타파보다도 훨씬 작은 주파수를 가지고 있다. 오늘날의 EEG 장치는 다른 파동들이 교란되지 않도록 이 파동을 걸러내도록 설계되어 있다.

EEG 전압이 어디서 왔는가에 대한 일치된 견해는 아직 없다. 가장 쉬운 설명은 그것이 전체 뇌를 통하여 일정하기도 하고 요동치기도 하는 직류 전류라고 하는 것인데, 이것은 대부분의 생물학자들이 받아들이기 어려운 개념이었다. 다른 주요 이론은 동시에 작동하는 많은 수의 뉴런들이 실제 전기 작용을 일으킬 수 있다는 것인데, 이것 역시 증명되지 못했다.

1939년 일리노이 대학의 버지는 머리와 몸의 다른 부분들 사이의 전압이 신체가 활동하는 동안에는 음이 되는 경우가 많고, 수면 상태에서는 감소하며 일반적인 마취 상태에서는 극성이 역전되어 양이 된다는 것을 발견했다. 비슷한 시기에 하버드 의대의 생리학자와 신경학자들이 MIT 공대의 수학자들과 함께 뇌를 연구하기 시작했다. 이 합동연구가 세계에 일대 변화를 몰고 오리라는 것을 아무도 예측하지 못했었다. 거기서부터 인공두뇌학의 근대적인 개념이 나왔고, 이 연구 그룹이 제2차 세계대전 중 조직된 미국 컴퓨터 특별위원회의 핵심이 되었다. 이 그룹에서 나온 첫번째 중요한 아이디어 중의 하나는, 뇌가 아날로그와 디지털 코드의 조합으로 일을 한다는 것이었다.

그 수학자들 중의 한 사람이 뉴먼은 나중에 그 개념을 좀더 상세하게 정립하여 현대적 컴퓨터 개발의 선구자가 되었다. 아날로그 컴퓨터에서는 정보의 변화가 전류의 크기나 양극성의 아날로그적 변화에 의해 표현된다. 예를 들면, 컴퓨터가 보일러의 온도 변화를 기록하게 되어 있을 경우, 온도의 상승과 하강이 전류의 상승과 하강으로 표현되는 것이다. 아날로그 시스템은 속도가 느리고 간단한 정보만을 다룰 수 있으나, 미세한 변화를 잘 표현할 수 있는 장점이 있다. 반면에 디지털 시스템은 엄청난 양의 정보를 고속으로 처리할 수 있는데, 단지 정보가 예-아니오 또는 켜다-끄다(ON-OFF)의 조합, 즉 숫자 1과 0으로 표현될 수 있을 경우에 가능하다는 것이 다른 점이다. 이 초기의 인공두뇌학자들이 추리하기를, 만약에 뇌가 그러한 혼성 컴퓨터라면 아날로그적 방식이 들어오는 정보에 대한 감수성의 증가와 감소 같은 작용에 의해 많은 집단의 뉴런들의 전체 활동을 지배할 수 있을 것이라고 했다. (몇 년 후 신경학자들은 어떤 뉴런들은 일정한 수의 임펄스를 받았을 때만 각성된다는 것을 발견했다.)

디지털 시스템은 감각 정보와 운동 정보를 전달하고, 이 두 방식의 협력에 의해 기억, 회상, 생각 등의 정보를 처리할 것이다. 버지가 발견한 의식 변화에 따른 전압의 변화는 이러한 구도에 들어맞는 듯했고, 그의 관찰은 하버드-MIT 공동연구 그룹에 의해 더 확대되었다. 이 작업의 많은 부분이 동물과 수술중 환자의 노출된 뇌에 대해 직접 행해졌는데(뇌는 통증에 면역성이 있다), 인간의 감각들은 대부분 전기적 정보로 표현될 수 있었다. 이 작업의 공헌자들에는 미국의 가장 훌륭한 신경생리학자들을 거의 다 포함하고 있었는데, 월터 캐논, 로젠블루스, 랠프 제라드, 길버트 링, 와일더 펜필드 등이 참여했다.

노출된 뇌를 측정했을 때 곧 잠재 전위의 존재를 확인했고, 아울러 상처 치료 전류의 가능성도 나타났다. 신경세포의 집단들이 왕성하게 임펄스를 전도시키고 있을 때마다, 그것들은 아울러 음 전위를 발생시켰다. 뇌가 손상을 입었을 때 상처를 입은 세포들에게서는 양 전위가 측정되었는데, 이 전위는 이웃의 건강한 세포들로 확장되어 그들의 임펄스 송수신 기능을 억제시켰다. 실험자들이 뉴런의 집단에 작은 음전압을 가했을 때, 그들의 감수성이 증가했다. 즉, 더 약한 자극에 반응하여 임펄스를 내는 것이었다. 외부에서 가한 양의 전압은 반대로 작용했다. 그것은 신경의 기능을 저하시켜, 임펄스 내는 것을 좀더 어렵게 했다. 이런 식으로 어떤 아날로그 코드가 있는 듯했는데, 그것이 어떻게 작동했을까? 전위들은 신경세포 자체에서 만들어진 전류로부터 왔는가, 아니면 전위들은 단지 모두 같은 방향으로 진행하고 같은 시간에 같은 장소에 도달하는 작용 전위들을 합친 것인가?

시카고 대학의 링, 제라드, 그리고 벤자민 리벳이 행한 일련의 멋진 실험에 의해 몇 가지 해답이 얻어졌다. 그들은 개구리를 가지고 뉴런 층이 세포 하나의 두께밖에 안되고 세포들이 사열을 받고 있는 군인들처럼 한쪽 방향을 향하여 나란히 정렬되어 있는 피질 지역에 대해 실험했다. 이 부분에서 그들은 수상돌기(짧은 인입 신경섬유)의 음 전압과 축색(긴 방출 신경섬유) 끝에서의 양 전압을 발견했다. 이것은 정상적인 임펄스 전달의 방향으로 일정한 직류 전류가 있다는 것을 의미한다. 신경세포 전체가 전기적으로 극화되어 있었던 것이다.

이 그룹은 계속해서 개구리로부터 뇌를 빼내 배양기 속에서 살아 있게 한 다음 일련의 다른 실험들을 진행했다. 그들은 카페인과 같은 화학물질을 피질 표면의 한 점에 가했을 때 표면에서 직류 전류가 매우 느린 파동으로 생성되는 것을 발견했다. 신경섬유들을 손상시키면서 뇌를 절단했을 때, 절단면을 붙여 두면 이 직류 진행파가 여전히 절단면을 통과했다. 절단면을 벌려 그곳에 체액과 비슷한 소금 용액을 채우면, 파동이 그 틈을 지나갈 수 없었다. 이것은 특별히 중요한 관찰이었다. 그것은 전류가 뉴련 외부의 구조에 의해 전달된다는 것을 말해주고 있었다. 절단면을 붙였을 때 전류가 그 면을 지나갈 수 있었는데, 손상된 뉴런들의 미세한 부분들이 그렇게 쉽게 결합될 수는 없는 것이었다. 이 결과는 또한 전류가 이온들의 흐름이 아니라는 것을 보여 주었다. 그렇지 않다면 전류는 소금용액으로 채운 틈을 통과할 수 있었을 것이다.

그들은 또한 살아 있는 개구리의 건강한 뇌로 실험하여 뇌의 전반구와 후반구 사이의 전위차를 발견했다. 전반구 뇌는 후반구 뇌에 비해 수밀리볼트가량 음전압이었는데, 그것은 후반구에서 전반구로 전류가 흐른다는 것을 의미했다.

당시에 이 관찰들은 매우 기괴하게 여겨졌다. 그것들은 신경이 어떻게 작용하는가 하는 데 대한 어떠한 개념에도 들어맞지 않았다. 따라서 그 관찰 결과는 대부분 무시되었다. 대부분의 신경생리학자들은 작용 전위를 측정하고 뇌에서의 섬유 통로를 추적하는 방향으로 옮겨갔다. 이것도 유용한 연구였으나 한계가 있었다. 근본적인 의문들이 여전히 남아 있었다.

몇 년 후 오직 한 연구그룹만이 이 연구를 이어받았다. 세인트루이스의 워싱턴 의과대학 신경정신의학자였던 시드니 골드링과 제임스 오리리는 인간의 머리 표면에서, 수술중 노출된 뇌에서, 그리고 원숭이와 토끼의 뇌에서 같은 직류 전위를 측정했다고 보고했다. 앞서 말한 바 있는 EEG에서의 훨씬 낮은 주파수 전위와 같이, 그 전위들은 수 분당 몇 사이클의 주파수로 변했다. 사실상 골드링과 오리리는 파동 사이의 파동을 발견했던 것인데, "주요한 느린 파동들 위에 보다 느린 전압의 파동이 기록되었던 것이다". 이것들은 수마이크로볼트(볼트의 백만분의 일)의 약한 전압으로서, 1분당 2~30 사이클의 주파수를 갖고 있었다.

생명과 전기 #017