뇌의학의 첫걸음 > Neurology

[머리말]

최근 뇌의학의 급격한 발전으로 뇌질환의 원인 규명과 새로운 진단/치료 도입이 이루어졌다. 그 결과 의료에서 뇌질환 관련 분야는 매우 중요하게 되었다. 고령화 사회의 문제인 퇴행성 신경질환, 개인맞춤형 치료의 기반인 신경유전자 연구, 진단 분야의 뇌영상 연구 등, 여러 영역에서 뇌의학의 중요성은 날로 증가하고 있다. 또한 그 여파는 뇌과학, 뇌공학, 뇌교육 등 다양한 분야로 확대되고 있다. 이렇게 역동적으로 변화하는 뇌의학 분야의 선점을 위해 선진국가들은 그 역량을 집중하고 있다. 미국은 “브레인 이니셔티브”, EU는 “휴먼브레인 프로젝트”, 일본은 “브레인/마인드”, 이스라엘은 “브레인 네이션” 같은 계획들을 수립하였다. 이 계획들은 뇌연구에 향후 10년간 국가적인 집중 투자를 한다는 것이다. 국내에서도 한국 뇌연구원이 대구에 설립되었고, 여러 대학과 병원들도 뇌신경센터 중심으로 연구역량을 강화하고 있다. 강력한 투자로 축적된 뇌의학 분야의 학문적 역량들은 향후 “뇌산업”이라는 새로운 분야로 확대되며 경제의 중심에 서게 될 것이다.

그러나 새로 시작하는 입장에서는 그 범위나 깊이에 선뜻 접근하기는 쉽지 않다. 매년 많은 학생들이 뇌신경 관련 캠프와 뇌과학 올림피아드에 참석하고, 많은 사람들이 뇌질환 공개강좌에 모여들고, 뇌의학 관련 정보들이 넘쳐나며, 뇌 공부에 대한 그 열기는 뜨겁지만, 뇌의학에 쉽게 접근해서 자연스럽게 흥미를 느끼기에는 현실적 여건이 많이 부족하다.

책자로 나온 교과서를 보기에는 생물분야 책들은 뇌쪽의 내용은 너무 약하고, 신경과학쪽의 내용을 보기에는 너무 범위가 넓고, 임상신경과 책을 보기에는 너무 임상적이고, 공학 분야 책 역시 뇌쪽의 내용은 많지 않아 초보자 입장에서는 여기저기 찾아보며 고생을 해야 되는 상황이다. 더군다나 너무 급격히 발전하여 임상치료로 입증된 사항도 아직 교과서에 실리지 않은 내용이 너무 많다. 뇌의학만 평생 전문으로 하고 있는 저자의 입장에서도 저자가 하는 전기생리학적 분야만 해도 새로운 항뇌전증제가 수십 개씩 개발되고 있고, 뇌절제술로 뇌전증을 치료하고, 뇌자극술로 뇌를 전기자극하여 파킨슨병을 조절하는 등 너무 빠르게 변화한다.

이러한 면들을 돌파하기 위해서는 우선 흥미를 느껴야 하며, 그 후 빠른 시간안에 전체적으로 파악할 수 있는 능력을 배양하는 것이 가장 효율적인 방법이 되겠다. 따라서 저자는 임상, 교육, 연구경험을 바탕으로 우선 흥미를 느끼도록 기본적인 뇌 구조와 기능을 설명하였고, 짧은 시간안에 기본 토대를 가지며 종합적으로 이해할 수 있도록 뇌의학 관련 다양한 분야를 요약하여 설명하였다. 본 책자에서는 기본 편으로 뇌가 어떻게 만들어져서 어떤 기능을 보이게 되는지 뇌의 구조와 기능을 설명하고, 뇌의 기능에 중심이 되는 생리현상을 설명하였다. 응용 편으로 뇌 질환 중심으로 설명하고, 최근에 발전하고 있는 공학적 응용도 덧붙였다.

뇌의학을 처음 접하는 여러분들이 뇌의학의 첫걸음 책자로 흥미를 느끼며 편하게 읽어 보고, 종합적으로 이해하는 능력을 배양한 후, 향후 세부 전문가로 깊이 있는 성장을 이루는 데 도움이 되었으면 한다.

2015년 7월

서대원

01 뇌는 어떻게 생기고 어떤 기능을 할까?

(뇌의 발생, 구조와 기능)

1.1 뇌의 형성과 기형(풍선을 불어서 좌반구와 우반구를 만든다) / 3

1.1.1 뇌의 발생과 발달 / 4

1.1.1.1 수정(fertilization) / 5

1.1.1.2 뇌의 분화(differentiation) / 6

1.1.1.3 뇌의 발달(development) / 12

1.1.1.4 뇌신경세포들의 조직학적 발달(histogenesis) / 16

1.1.2 대뇌(cerebrum): 천막상구조 / 17

1.1.2.1 대뇌 안팎 모양(gross anatomy) / 17

1.1.2.2 대뇌 기능 부위(eloquent area) / 23

1.1.2.3 대뇌 백질 경로(white matter pathway) / 32

1.1.3 뇌간과 소뇌: 천막하구조 / 32

1.1.3.1 뇌간(brainstem) / 35

1.1.3.2 소뇌(cerebellum) / 39

1.1.4 뇌의 삼차원적 이해(brain orientation) / 42

1.1.5 뇌의 기형(malformation) / 44

1.2 뇌신경계의 구조(뇌척수와 주위 말초신경, 뇌막, 뇌혈관, 뇌척수액) / 49

1.2.1 중추뇌신경계(central nervous system: CNS) / 52

1.2.1.1 대뇌(cerebrum) / 54

1.2.1.2 기저핵(basal ganglia) / 58

1.2.1.3 시상(thalamus) / 60

1.2.1.4 시상하부(hypothalamus) / 64

1.2.1.5 척수(spinal cord) / 68

1.2.2 신경경로(neural pathway) / 73

1.2.2.1 상행경로(ascending pathways) / 73

1.2.2.2 하행경로(descending pathways) / 81

1.2.2.3 입력기와 출력기 / 85

1.2.3 중추신경계 부속구조 / 85

1.2.3.1 뇌의 보호계 / 85

1.2.3.2 뇌혈관(cerebral blood vessel) / 89

1.2.3.3 뇌척수액(cerebrospinal fluid: CSF) / 94

1.2.3.4 말초신경계(peripheral nervous system: PNS) / 98

1.3 뇌의 기능 / 108

1.3.1 신체부위별 (머리, 얼굴, 목, 몸통, 사지) / 112

1.3.1.1 입; 미각(taste) / 112

1.3.1.2 코; 후각(olfaction) / 112

1.3.1.3 눈; 시각(vision) / 112

1.3.1.4 귀; 청각(audition)과 평형각(equilibrium) / 119

1.3.1.5 팔다리; 일반 감각 중추 / 119

1.3.1.6 팔다리; 체성 운동 중추 / 121

1.3.2 기능별(감각, 운동기능) / 123

1.3.2.1 감각(sensation) / 123

1.3.2.2 의식(consciousness) / 142

1.3.2.3 운동(movement) / 148

1.3.2.4 반사(reflex) / 150

1.3.2.5 자율(autonomia) / 153

02 뇌는 어떻게 기능을 하며 어떻게 죽어갈까?

(뇌의 생리와 병리현상)

2.1 뇌세포의 종류(교세포, 신경세포) / 157

2.1.1 교세포(glial cells) / 158

2.1.2 신경세포(neuron) / 158

2.1.2.1 뉴론의 일반 구조 / 160

2.1.2.2 뉴론의 미세구조 / 160

2.1.2.3 뉴론의 종류 / 163

2.2 뇌세포의 기능(흥분, 전도, 전달) / 167

2.2.1 뉴론의 안정과 흥분 / 167

2.2.1.1 안정 막전압(resting membrane potential)과 이온분포 / 167

2.2.1.2 활동전압(action potential)과 역치(threshold) / 169

2.2.2 뉴론의 전도와 전달 / 171

2.2.2.1 신경 전도(conduction): 도약전도(saltatory conduction) / 171

2.2.2.2 시냅스의 신경전달물질(neurotransmitter) / 173

2.2.3 뉴론의 흥분 전달 과정 / 176

2.2.4 뉴론의 소통 / 178

2.3 뇌세포의 기억(LTP, LTD) / 180

2.3.1 단기기억 민감(short-term sensitization) / 180

2.3.2 장기 강화(long-term potentiation: LTP) / 181

2.3.3 장기억제(long-term depression: LTD) / 183

2.3.4 해마체(hippocampal formation) / 186

2.4 뇌척수액과 뇌혈액의 순환조절(circulation control) / 192

2.4.1 뇌압의 조절(ICP control) / 192

2.4.2 뇌혈액의 조절(CBF control) / 194

2.5 뉴론의 죽음과 사람의 뇌사(brain death) / 197

2.5.1 뉴론의 죽음: 괴사(necrosis)와 자멸사(apoptosis) / 197

2.5.2 사람의 죽음: 뇌사(brain death) / 199

03 뇌의 병들은 어떤 것들이 있으며, 어떻게 확인하고 치료할까?

(뇌질환의 종류와 진단)

3.1 진단적 방법 / 205

3.1.1 임상검사실검사(혈액검사, 뇌척수액검사) / 205

3.1.2 신경생리검사(neurophysiologic tests) / 205

3.1.3 뇌영상(neuroimaging tests) / 208

3.1.3.1 뇌의 구조 영상(structural image) / 210

3.1.3.2 뇌의 기능 영상(functional image) / 210

3.1.4 기타검사 / 214

3.1.4.1 신경심리검사(neuropsychological tests) / 214

3.1.4.2 신경병리검사(neuropathologic tests) / 219

3.2 뇌신경질환의 이해 / 222

3.2.1 뇌혈관질환(cerebrovascular diseases) / 222

3.2.1.1 뇌경색(cerebral infarction) / 222

3.2.1.2 뇌출혈(intracerebral hemorrhage) / 228

3.2.1.3 뇌동맥류(cerebral aneurysm) / 228

3.2.1.4 모야모야병(Moyamoya syndrome) / 231

3.2.2 퇴행성 뇌질환(degenerative diseases) / 232

3.2.2.1 치매(dementia) / 233

3.2.2.2 파킨슨병(Parkinson disease: PD) / 239

3.2.2.3 다계통위축증(multiple system atrophy: MSA) / 245

3.2.2.4 루게릭병(amyotrophic lateral sclerosis: ALS) / 245

3.2.3 기능성 뇌질환 / 247

3.2.3.1 뇌전증(간질, epilepsy) / 247

3.2.3.2 조현병(정신분열증, schizophrenia) / 251

3.2.3.3 우울증(depression) / 252

3.2.3.4 자폐증(autism) / 254

3.2.3.5 뚜렛증후군(Tourette syndrome) / 254

3.2.3.6 기타 정신병(psychosis) / 255

3.2.4 척수 및 말초신경질환(spine and peripheral nerve disease) / 257

3.2.4.1 척수병증(myelopathy) / 257

3.2.4.2 길랑바레 증후군(Guillain-Barre’s syndrome) / 260

3.2.4.3 샤르코-마리-투스병(Charcot-Marie-Tooth disease) / 260

3.2.5 기타 뇌질환 / 262

3.2.5.1 뇌외상(cerebral trauma) / 262

3.2.5.2 다발성경화증(multiple sclerosis) / 265

3.2.5.3 야콥병(Jacob’s disease) / 268

3.2.5.4 다운증후군(Down syndrome) / 270

3.2.5.5 헌팅톤병(Huntington disease) / 270

3.2.5.6 소뇌위축증(cerebellar atrophy) / 272

3.2.5.7 두통(headache) / 273

3.2.5.8 통증(pain) / 276

3.2.5.9 뇌종양(brain tumor) / 276

04 뇌와 공학이 만나면 어떤 일들이 이루어질 수 있을까?

(뇌공학의 발달)

4.1 신호처리와 망 / 280

4.1.1 신호처리 방법 / 280

4.1.2 신경모방계(neuromorphic system) / 283

4.1.2.1 맴리스터(memoristor: memory resistor) / 283

4.1.2.2 신경보철학(neuro-prosthetics) / 284

4.1.3 인공신경망(artificial neural network) / 284

4.2 신호처리의 응용 / 286

4.2.1 뇌파(EEG)와 고주파진동(HFO) / 286

4.2.2 유발전위(EP)와 사건유발전위(ERP) / 292

4.2.3 뇌자도(MEG) / 297

4.2.4 자기공명영상(MRI)과 기능적MRI(fMRI) / 297

4.2.5 기타 방법 / 300

4.3 기능제어 / 304

4.3.1 뇌조정술(neuromodulation) / 304

4.3.1.1 경두개자기자극술(transcranial magnetic stimulation: TMS) / 304

4.3.1.2. 미주신경자극술(vagus nerve stimulation: VNS) / 304

4.3.1.3 심부뇌자극술(deep brain stimulation: DBS) / 308

4.3.1.4 반응성 뇌자극술(responsive neurostimulation: RNS) / 310

4.3.1.5 기타 / 310

4.3.2 신경초음파(neurosonolgy) / 312

4.3.2.1 경두개 초음파(transcranial Doppler) / 312

4.3.2.2 경동맥 초음파(carotid duplex sonography) / 312

4.3.2.3 고강도집속형 초음파(HiFu) / 312

4.3.3 광유전학(optogenetics) / 315

4.4 기타 뇌과학의 활용 / 316  

05 건강한 뇌 기능을 유지하기 위해 어떤 일들이 벌어지고 있나?

(생활과 뇌건강)

5.1 항상성(homeostasis)과 호르몬(hormone) / 320

5.2 수면-각성 주기(sleep-wake cycle) / 325

5.3 감각(sense)과 통증(pain) / 332

5.4 공간감(spatial orientation)과 어지럼증(dizziness) / 338 

부록용어(terminology) / 341