[신경과학] 2.1 : 신경과학의 역사 (basic history of neuroscience)

 

 

neuron과 glia는 뇌를 이루고 있는 두 가지의 대표적인 세포군임.

 

 

 

과거 아리스토텔레스는 심장을 정신의 원천으로 생각한 반면, 이후 Descartes는 brain이 정신의 원천이라고 주장함.

 

 

한편 cell theory가 주장되고, 다양한 증거를 통해 입증되면서 brain도 cell로 이루어져 있으며, brain cell의 brain function의 basic unit이라는 것이 정설로 받아들여지게 됨.

 

 

이 때 세의 structure를 알면 곧 이로부터 function을 유추할 수 있고, 다양한 cell들 간에 일어나는 communication에 대해서도 이해할 수 있으므로 뇌과학자들은 이에 대해 많은 관심을 기울여 연구함. (특히나 cell들간에 일어나는 상호작용에 의해 sensation, perception, movement가 어떻게 유발되는지에 대해 이해하고자 함)

 

 

 

neuron과 glia는 대략 뇌에서 85 billion 정도의 갯수씩 존재하는 것으로 알려져 있음. 이 중 glia는 그리스어 glue에서 유래되었으며, 기본적으로 neuron을 도와주는 역할을 함.

 

 

 

방금 언급했듯, 뇌를 이루는 세포들의 기능을 알기 위해서는 이들의 구조를 관찰하는 것이 중요했음. 이를 위해 histology(조직학)적인 접근이 이루어졌는데, 이 때 사용된 것이 바로 microscopic study임.

 

 

 

neuron은 0.01~0.05mm의 크기로, 맨눈으로 거의 관찰이 불가능하므로, 이들의 구조에 대해서는 현미경이 발명된 후인 17세기 후반 이후부터 현미경을 이용해 확인되기 시작함. 그런데 이 때 현미경으로 뇌세포의 구조를 관찰하기 위해서는 세포에 대한 아주 얇은 slice를 만들어내야 하고, 이를 위해 원래는 물렁물렁한 tissue를 hardening하는 fixation step이 필요함. (참고로 fixation 시 가장 많이 사용되는 것 중 하나가 파라포름알데히드임) 이 fixation method는 19세기 초반에 발명됨. 한편 fixation한 sample을 slicing하는 것도 필요한데, 이 때 사용되는 장비가 아래에 나타난 microtome임.

 

 

그리고 마지막으로 필요한 technique이 staining인데, 세포의 모양을 뚜렷하게 관찰하기 위해서는 적당한 염료를 사용해 cell들을 잘 staining하는 것이 중요했음. (이 때 예전에는 실제로 다양한 염료들을 사용해가며 어떤 dye가 효과적인지를 trial error로 검증해본 후 사용했을 것임)

 

 

 

 

과거에 사용되던 staining 방식 중 가장 대표적인 것이 바로 위 그림에 나타나 있는 Nissle staining임. 이 방식은 Franz Nissle이 발명한 방식으로, basic dye를 이용해서 RNA, DNA와 같은 - charged molecule들을 염색하는 방법임. 이 방법을 이용할 시 위 그림과 같이 neuron의 soma 부분을 염색할 수 있음. 그러나 이 방법으로 neuron 전체를 다 염색하기에는 다소 무리가 있었음.

 

 

물론 이 방법으로도 neuron과 glia를 구분하고, 다른 region에 있는 neuron들의 조밀도를 비교하고, disease brain과 normal brain 사이의 neuron 조밀도를 비교하는 등의 연구는 가능했음.

 

 

 

 

 

그러던 도중 Camillo Golgi라는 과학자가 Golgi staining method를 개발함.

 

 

사실 이 방식은 아직도 구체적인 principle이 알려져 있지 않으며, 다만 전체 neuron들 중에서 일부 neuron들만 random하게 염색이 되어서 위 그림 왼쪽과 같은 staining 결과를 얻을 수 있음. (모든 neuron이 다 염색되지 않고 일부만 염색되므로 개별적인 neuron들의 구조를 관찰하기에 매우 용이함)

 

 

보면 실제로 이 염색법의 경우 neuron 전체를 염색해줄 수 있어서, neuron의 가지 길이를 분석하는 데에 매우 유용하게 사용될 수 있음.

 

 

 

 

Golgi stain은 neuron이 크게 두 part로 이루어져 있다는 것을 밝혀줌.

 

 

첫 번째 part는 Soma, 혹은 Cell body, 혹은 perikaryon이라 불리는 부분이며, 두 번째 part는 neurite라 불리는, soma에서부터 뻗어나와있는 부분임.

 

 

neurite는 다시 axon과 dendrite로 나뉘어지는데, axon은 두꺼우며 엄청나게 길게 뻗어나올 수 있다는 특징이 있고, dendrite는 얇고 짧은 대신 한 soma 당 상당히 많은 수의 가지가 존재하고 있음. (dendrite는 마치 더듬이와 같은 구조, 기능을 가짐)

 

 

 

 

한편 당시 최고의 신경과학자인 Camillo Golgi와 Cajal은 위와 같이 서로 반대되는 주장을 함. 우선 Golgi는 각각의 brain cell들(그 중에서도 neurite들)이 서로 physical하게 접촉한 채로 continuous reticulum을 만든다는 reticular theory를 주장했고, Cajal은 brain cell들이 물리적으로 완전히 닿아있지는 않으며, 사이사이에 틈이 있고, 이 틈을 통해서 정보가 전달된다는 neuron doctrine을 주장함.

 

(참고로 이 두분의 과학자들은 1906년에 모두 노벨 생리의학상을 받음)

 

 

 

 

 

 

그러던 1950년대에 electron microscope가 발명되면서 위와 같이 dendrite와 axon의 접합부를 자세히 살펴볼 수 있게 되었고, 그 결과 Cajal이 주장한 neuron doctrine이 맞다는 것이 입증됨.

 

 

 

다음 포스트에서는 neuron의 기본적인 특징들에 대해 살펴보도록 하자.