신경망 연구를 위해서 인간의 중추 신경계, 특히 그 중에서도 두뇌에 대해서 약간은 알고 시작해야 할 것 같아서 뇌과학 쪽도 잠시 살펴보았다.
깊은 부분까지 다룰 필요는 없지만 어느 정도의 지식은 차후 학습모델 고안에 도움이 될 듯 하다.
(이 글의 내용은 시그마프레스에서 번역출판한 Marie T. Banich의 "인지 신경과학과 신경심리학"을 참고로 하였다.)
먼저 중추신경계는 뇌와 척수로 이루어져 있다.
척수(spinal cord)는 대부분 뇌로 정보를 전달하는 감각 뉴런과 뇌로부터 운동명령을 근육으로 전달하는 운동뉴런으로 구성되어 있다.
신경망 연구에서 중요한 것은 척수보다는 뇌라고 볼 수 있다.
뇌는 크게 연수, 소뇌, 뇌교, 중뇌, 시상하부와 시상(간뇌), 대뇌피질 그리고 피질하계로 구분할 수 있다.
먼저 연수(medulla)는 척수의 바로 위에 위치하는 부분으로, 12쌍의 뇌신경(cranial nerve) 중에서 일부 뇌신경들의 세포체가 있는 영역이다.
연수에서 대부분의 운동 섬유들이 신체의 한쪽에서 반대쪽으로 건너간다.
아마 좌뇌는 신체의 오른쪽, 우뇌는 왼쪽을 관장한다는 말을 들어보았을텐데 바로 연수가 그 교차점이 있는 장소인 것이다.
특히 연수는 망상활성계(reticular activating system)로 알려진 신경세포 집단이 있는 곳인데, 이 신경세포들은 뇌신경들로부터 입력을 받고 뇌의 여러 영역들로 신호를 전달하는 역할을 담당한다.
망상활성계는 각성과 주의에 있어서 매우 중요하며 수면의 주기를 조절한다.
소뇌(cerebllum)는 연수의 뒤쪽에 위치하며, 근육의 긴장을 조절하고 운동활동을 이끌어내는 부위이다.
일반적으로 반복된 훈련을 통해서 무의식적으로 어떤 동작과 행동을 할 수 있게 해주는 운동학습이 소뇌에서 일어난다고 보면 된다.
특히 소뇌의 즉정영역인 소뇌 측부(lateral cerebellum)는 운동조절과 운동기술을 학습하는 뇌의 구조를 포함하고 있을 것으로 여겨지고 있으며, 최근의 연구에서는 이 영역이 정신기능의 유연함과 정확함을 제공하는 인지과정의 특정부분과 연관되어 있다고 밝히고 있다.(Akshoomoff & Courchesne, 1992)
또한 이 부분은 뇌의 내부시계로서 시간적인 정보를 제공하는 역할도 하고 있다고 알려져있다. (Ivry, 1997)
뇌교(pons)는 연수의 위쪽과 소뇌의 앞쪽에 위치하고 있으며, 뇌의 각 영역에서 들어오는 정보를 소뇌로 연결해주는 역할을 한다.
뇌교는 여러 뇌신경들의 시냅스(synapse)지점, 즉 뉴런 간의 연결 지점이며, 안구운동이나 전정기능의 조절(자세균형)에 중요한 부분이다.
뇌교에는 상올리브(superior olive)가 있는데, 귀에서 들어온 청각 정보를 뇌로 전달한다.
상올리브는 양쪽 귀에서 들어오는 정보를 모어서 서로 비교할 수 있게 해주며, 이 비교 기능은 수평차원에서의 소리의 위치 파악에 중요한 역할을 담당한다.
중뇌(midbrain)는 뇌교의 위쪽에 있으며 청각 자극을 파악하는 하(소)구(inferior colliculus)와 상(소)구(superior colliculus)를 가지고 있다.
하구는 상올리브처럼 중계핵이며 청각 정보를 귀에서 피질로 전달하고, 소리의 위치를 파악한다.
또한 소리에 대해서 머리와 눈의 반사적 운동을 일으키는데, 이것은 청각 자극에 정향(orient)하도록 하는 기본적 기능이다.
상구는 시각에 있어서 하구가 하는 역할을 한다.
상구는 주위에서 움직이는 큰 물체들을 정향하거나 지각할 수 있도록 해 준다.(예를 들어 자동차가 빠르게 왼쪽에서 부터 다가온다면, 상구는 무엇인가가 가까이 오고있다는 신호를 보낸다)
또한 상구는 다른 뇌 영역들과 협동하여 물체로 눈을 돌리게 하여, 그 물체의 상이 망막의 중심와(fovea)에 맺히게 하는 '포비에이션(foveation)' 기능을 우리에게 제공한다.
그러나 중뇌의 시각계는 대상을 명확하게 구별하지 못하므로, 시야의 중심에 대상이 위치하고 나면 그 정보를 대상 인지에 특별하게 관여하는 뇌의 다른 영역에 제공하고, 그 정보를 제공받은 영역에 의해서 대상을 명확하게 파악할 수 있다.
시상하부(hypothalamus)는 신체욕구를 만족시켜 행동을 조절하고 균형을 유지할 수 있도록 하는 기관으로, 쉽게 말해서 항상성(homeostasis)을 유지하는, 즉 신체를 안정된 상태로 되돌리고 유지하는 기능을 담당한다.
그리고, 추우면 담요를 찾아 덮고, 목마르면 음료수를 마시는 등의 항상성을 유지하기 위한 행동을 수행하도록 뇌에 신호를 발생시킨다.
또한, 혈류를 통해 신체로 전달되는 화학적 전달자들을 제어하는 체계인 호르몬계(hormonal system)와도 깊은 관계가 있는 부위이다.
시상(thalamus)은 시상하부와 함께 간뇌(diencephalon)의 한 부분이며, 피질로 들어오는 대부분의 감각정보와, 피질로부터 나가는 대부분의 운동정보들을 연결하는 중추, 즉 중계센터(relay center)이다.
중계센터는 뇌의 어떤 영역으로부터 들어온 뉴런들이 시냅스를 맺고 뇌의 다른 영역으로 나아가는 뇌 영역이며, 중계센터 뉴런들 사이의 연결 양식은 정보를 다른 신경계로 보내기 전에 재조직화된다.
예를 들어보면, 망막을 통해 시각계로 정보가 들어오면 그 정보는 시각계의 세포층의 기능에 따라 분리된다.
즉, 시상의 외측슬상핵(lateral geniculate nucleus)의 거대세포층(magnocellular layer)은 희미한 빛에 민감하지만 색깔에는 민감하지 않은 세포들로부터 정보를 입력받고, 반면에 소세포층(parvocellular layer)은 색깔에는 민감하지만 높은 수준의 밝기가 필요한 세포들로부터 입력을 받는다.
이렇게 구분된 입력 정보는 시상의 연결지점에서 뇌로 전달되는 동안 재조직화되고 색깔이나 밝기에 대한 정보들이 분리된다.(Zeki & Shipp, 1988)
이처럼 분리된 시각 정보는 시상을 떠날 때에는 밝기, 색깔, 망막상의 위치 등의 정보가 처리되어 뇌로 전달된다.
피질하계(subcortical system)는 중뇌와 간뇌 사이에 위치한 중요한 두 개의 신경계를 합쳐서 부르는 것으로, 대부분이 대뇌피질의 아래쪽에 위치하고 있어서 피질하계라고 부른다.
운동조절에 중요한 기저핵(basal ganglia)과 정서에 중요한 변연계(limbic system)로 구성되어 있는데, 특히 변연계는 다양한 신경계의 정서적인 정보들을 통합하는 회로라고 생각되어져 왔으며, 주로 감각세계나 개인의 내적 상태에 관한 정보들을 피질로부터 들어온 정보들과 연결시켜 정서정보의 처리가 가능하게 해 준다고 알려져왔다.(알려져왔다는 것은 사실이 아닐 수도 있다는 것이다.)
변연계에는 편도체, 시상하부, 대상피질, 전측시상, 유두체, 해마가 포함되어 있는데, 여기서 편도체(amygdala)는 공포의 조절에 관여하고, 해마(hippocampus)는 새로운 장기기억을 형성하는데 중요한 역할을 하는 기관이다.
대뇌피질(cerebral cortex)은 흔히 뇌에 대하여 생각할 때 떠오르는 부분으로 대상인식, 공간처리, 주의 같은 중요한 지능적인 부분을 담당하는 부위이며, 좌우 두 개의 대뇌반구(cerebral hemisphere)로 나뉘어져 있다.
대뇌피질은 각 기능별로 그 영역이 구분되어 있는 것으로 밝혀졌으며 그 구분을 표시한 것이 브로드만 지도(Brodmann map)이다.
예를 들염 언어출력에 중요한 좌반구 영역인 브로카 영역(Broca's area)을 들 수 있다.
대뇌피질에 대한 좀 더 상세한 내용은 다음 글에서 다루도록 하겠다.
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