뇌와 신경계

뇌
신경 세포가 하나의 큰 덩어리를 이루고 있으면서 동물의 중추 신경계를 관장하는 기관을 말한다. 뇌는 본능적인 생명 활동에 있어서 중요한 역할을 담당하는데, 여러 기관의 거의 모든 정보가 일단 뇌에 모이고, 뇌에서 여러 기관으로 활동이나 조정 명령을 내린다. 또한 고등 척추동물의 뇌는 학습의 중추이다. 대부분의 척추동물, 특히 유두 동물의 뇌는 머리에 위치하며 머리뼈로 보호된다. 뇌를 이루는 뉴런의 작동 원리에 대해서는 상당한 이해가 이루어지고 있지만, 수백만 개의 뉴런이 협동적으로 작동하는 방식에 대해서는 아직 알려진 것이 많지 않다. 현대 신경과학이 제안하는 여러 모델은 모두 뇌를 일종의 생물학적 컴퓨터로 취급한다. 뇌와 컴퓨터는 그 작동 방식이 다르지만, 주변 세계로부터 정보를 획득하여 저장하고 다양한 방식으로 처리한다는 점에서 유사하기 때문에 이러한 관점이 유용하다. 인간의 경우 성인의 뇌 무게는  1,400g~1,600g 정도이며 이는 1000억 개 정도의 뉴런을 포함한다. 가로 15cm, 너비 15cm, 깊이 20cm로 평균 1350cc 정도의 부피를 가진다. 뇌는 대부분의 움직임, 행동을 관장하고, 신체의 항상성을 유지한다. 즉 심장의 박동, 혈압, 혈액 내의 농도, 체온 등을 일정하게 유지하게 시킨다. 뇌는 인지, 감정, 기억, 학습 등을 담당한다.

중추신경계
성인 남자의 뇌. 회백질과 백질이 보인다. 뇌와 척수는 연합 뉴런으로 이루어져 자극의 처리와 가공을 담당하므로 중추신경계로 분류한다. 뇌와 척수의 주체를 이루는 것은 신경 세포인데, 그 밖에도 신경 세포의 주변에서 보조, 지탱의 역할을 하는 신경교세포가 있다. 뇌에 혈관은 존재하지만, 림프관은 없다. 대부분의 경우 신경 세포는 집단으로 존재하며, 신경섬유는 다발을 지어 분포하기 때문에 신경세포와 신경섬유는 맨눈으로도 구별할 수 있는 경우가 많다. 신경 세포체가 모여 있는 부분은 회백질, 섬유가 많은 부분은 백질이라고 한다. 뇌에서는 회백질이 백질을 에워싸고 있는데, 척수에서는 백질이 회백질을 감싸고 있다.

배아의 신경계 분화
발생 초기의 배아에서는 신경계가 될 세포들은 외배엽의 평평한 지역에 위치한다. 발생이 진행되면 외배엽 부분에 기다란 홈이 파이며, 이 홈을 따라 주위의 신경판 세포들은 배아의 속으로 빨려 들어가며 서로 융합하여 신경관을 형성한다. 이 신경관의 내강은 속이 빈 채로 중추신경계의 중심 체강을 이루게 되고, 신경관을 둘러싸고 있는 세포들은 뇌실막 상피세포로 분화하거나 미분화 신경줄기세포로 남아있게 된다. 신경관의 가장 바깥층 세포들은 중추신경계의 뉴런이나 신경교세포가 된다. 신경판의 양쪽 가에서 유래하는 신경능선세포는 말초신경계의 체성신경계를 이루는 감각뉴런과 운동뉴런을 이루게 된다. 배아가 자랄수록 신경관 벽은 점차 두꺼워지는데, 특히 앞쪽 끝부분은 크게 부풀어 오른다. 이 부분을 뇌관이라 한다. 뇌관의 발생에서는 뇌관 벽이 특히 등 쪽이 현저하게 두꺼워지기 때문에 전체가 배 쪽으로 구부러지며 앞뇌·중간뇌·마름뇌라는 세 군데가 명확하게 구별할 수 있을 정도로 불룩해진다.
이어서 앞뇌 양쪽이 크게 부풀어 올라 대뇌 반구가 되며, 남은 원래의 부분이 사이뇌가 된다. 중간뇌는 그대로 중뇌가 된다. 마름뇌는 이윽고 앞뒤 두 부분으로 갈라져 앞부분의 배 쪽이 다리뇌, 등 쪽은 눈에 띄게 발달하여 소뇌가 되며, 뒷부분은 숨뇌가 된다. 나머지 신경관 부분에서는 주위의 벽이 거의 같이 발달하여 척수가 된다. 대뇌 반구와 소뇌를 제외한 나머지 부분은 뇌줄기로 발생한다. 인간 발생에서는 4주까지 신경관의 앞부분이 앞뇌와 중간뇌와 마름뇌로 나뉜다. 마름뇌 쪽에 있는 신경관 뒷부분은 척수가 된다. 발생이 계속되면 대뇌의 성장이 급속도로 빨라져 뇌간을 뒤덮는다. 발생 후 6주 정도 되면 중추신경계는 대뇌, 간뇌, 중뇌, 소뇌, 교뇌, 연수, 척수의 뇌의 7개 주부분을 형성하게 된다. 또한 중심 체강은 속이 빈 뇌실로 확장하기 위해 시작하여 2개의 가쪽뇌실과 2개의 하향 뇌실로 발달하게 된다. 신경관의 중앙 강은 척수의 중심관으로 발달한다. 대뇌는 11주 정도에 다른 부분에 비해 현저하게 확장되며, 출생 시에는 뇌에서 가장 크고 분명한 구조를 이루어 간뇌, 중뇌, 교 뇌를 둘러싸게 된다.
이후 청소년 시기에도 뇌의 전두엽 부분이 발달하게 된다. 전두엽 부분의 뉴런들이 수초 화가 이루어지고, 네트워크가 형성되면서 일어나게 된다.

진화
뉴런을 생성한 최초의 동물은 자포동물이지만, 자포동물은 뇌가 아닌 균일하게 퍼져 있는 산만 신경계를 가지고 있다. 원시적인 조절 중추로서의 뇌는 편형동물에서 최초로 진화한 것으로 보인다. 운동성을 갖게 되며 두화가 일어나기 위해 시작한 편형동물은 신경세포체를 2개의 신경삭의 형태로 나누어 신경세포체가 머리 부분에 밀집되는 방향으로 진화하였다. 이후 환형동물에 이르러 신경삭 으로부터 신경절이 체절마다 한 쌍씩 형성되어 각 체절을 담당하게 됨으로써 중추신경계가 더욱 발달하게 되었다. 특히 환형동물의 체절 신경계는 가로 섬유와 세로 섬유가 마치 사다리와 같이 연결되어 있어 사다리 신경계라고 불리는데 그중 가장 앞에 존재하는 신경절이 가장 잘 발달하여 있어 뇌를 이룬다. 절지동물에게서는 흉부에 체 절 군이 집중하여 흉부 신경절을 형성하여 제2의 뇌 역할을 한다. 곤충과 같은 고등 절지동물은 특정 기관과 기능이 연관됨에 따라 좀 더 복잡한 행동이 가능하게 되어 사회성을 형성한다.
문어의 경우 무척추동물 중에서 가장 정교한 두뇌를 보인다. 척삭동물에 이르러서는 신경섬유가 뇌뿐만이 아니라 등 쪽에 모여 하나의 척수라는 관상 구조를 이루는데 척삭동물에서 뇌와 척수를 구분하기는 힘들다. 척추동물의 두뇌 진화는 대뇌를 포함한 전뇌의 부피 증가가 특징적이다. 원시 어류의 경우 척추 앞부분에 약간 부풀어 오르는 돌기 모양의 뇌를 갖는다. 그보다 조금 더 발달한 어류는 원시 어류에 비해 약간 큰 1~2g 정도의 돌기를 갖게 되었다. 이 돌기가 고등 동물의 후뇌, 뇌간, 중뇌에 해당한다. 현대 어류에 이르러서는 뇌 면적의 대부분을 차지하는 큰 중뇌와 작은 전뇌를 가지게 되었다. 현대 양서류와 파충류는 어류와는 달리 발달한 전뇌와 작은 중뇌를 갖는다. 조류와 설치류의 경우 전뇌가 더 커졌지만, 표면이 부드럽다. 반면에 인간의 대뇌는 깊은 홈과 접힌 주름이 있다. 또한 후뇌에서 동작의 조정이나 균형감각을 담당하는 소뇌의 발달도 두드러졌다. 석기 기술의 중요한 변화는 바로 뇌의 크기가 증대할 때마다 일어난 것으로 추측된다. 하지만 최초의 증대만큼 큰 폭의 증대는 없었다. 크기나 조직과 같은 뇌 구조의 중대한 변화가 약 250만 년 전에 일어났다는 것은 확실하다