신경과학과 교통사고

977153 이용우

신경과학과 교통사고가 어떤 관계가 있는지 알아보기 전에 신경에 대해서 먼저 살펴보는 게 순서인 것 같다.

우리 몸은 약 6조의 각기 기능을 달리하는 세포들로 이루어졌다. 따라서 생체의 생명과 기능이 유지된다함은 이들 세포의 기능이 원활하게 이루어짐을 말한다 하겠다. 이같이 세포의 기능을 원활하게 함으로써 생체 총체로서의 기능이 조화를 이루게 하기 위하여 우리 생체에는 크게 두 가지 조절계를 갖는다. 즉 신경계와 내분비(호르몬)계이다.

내분비계는 생체에 대한 외래자극 또는 조직 장기로부터의 요구에 부응하여 내분비선으로부터 분비된 호르몬이 혈액을 통하여 원격 부위의 목표장기에 도달함으로써 해당장기의 기능을 조절하게 되는 것으로 우리의 일상생활의 통신방법으로 비유한다면 무선통신에 해당한다 할 수 있다.

신경계는 주위 환경으로부터 각종 자극을 수영하여 신경 섬유를 통하여 중추에 전달하고 이를 감지, 분석하고 기억되었던 경험을 토대로 주어진 자극에 대처하는 적절한 명령을 주요 장기에 신경섬유를 통하여 전달함으로써 해당장기의 기능을 조절하는 유선통신에 비유할 수 있는 조절계이다. 이 같은 신경계는 백억에서 천억 개의 뉴런(신경세포)으로 구성되어 있다.

신경세포에는 여러 가지 종류가 있으며 이들은 서로 신경종말 혹은 시냅스에 의해서 교통을 하며 그 연결 패턴은 정확하게 결정되어 있어서 신경계 전체가 하나의 커다란 네트웍을 이루고 있다. 시냅스에서의 조절, 통합, 가소적 변화가 있어서 신경계의 모든 기능의 기본이 된다.

그리고 뉴런의 기본적 형태는 세포체, 축색 그리고 수상돌기의 셋으로 구성되는데, 다른 세포의 축색에서 신호를 받아들이는 수상돌기, 자기 자신의 신호를 만드는 세포체 그리고 신호를 보내는 축색이 있다. 이러한 신경에 대해서 좀더 구체적이고 체계적으로 알아보겠다. 다음은 신경세포의 작용기전에 대한 내용이다.

신경세포의 작용 기전

A. 뉴런, 신경세포

중추신경계를 형성하는 뇌와 척수는 신경세포의 복잡한 연쇄로 구성되어 있다고 볼 수 있으나 이들 세포들은 발생학적으로는 각기 독립적으로 형성되었고 흥분을 주고받는데도 독특한 루우트를 만들면서 배열되어 있다.

예를 들어 A,B,C 세 개의 신경세포가 충격의 전도로(pathway)를 형성하고 있을 때 그 중앙에 있는 B가 장애를 받고 변성을 일으켰다 하더라고 그 장애는 A와C까지 변성을 일으키지는 않는다. 그러므로 세포체와 돌기로 구성되어 있는 1개의 신경세포는 그 자체로 독립되어 있는 신경계 구성의 기본요소이며 이것을 뉴런이라고 부른다.

뉴런 또는 신경세포는 그 대부분이 뇌나 척수의 피질, 피질 하에 있는 회백질이나 말초신경이 뻗어 가는 도중에 있는 신경절 또는 각종 감각기에 있다.

1. 뉴런의 구조

신경세포는 세포체와 그로부터 나온 돌기로 구성되어 있다. 세포체는 세포형질과 핵으로 나누는데 이 세포형질에는 신체의 다른 세포와 같이 사립체, 골지체, 닛슬체, 신경원섬유 등이 있다.

핵은 유전에 관여하는 염색체와 핵소체를 포함하고 있으며 염색체는 DNA(deoxyribonucleic acid)와 단백질로 구성되어 있고 DNA와 단백질은 유전의 기본단위인 유전자(gene)를 형성한다. 단백질 형성과정에서 DNA는 특수 단백질이나 효소를 합성하는 RNA(ribonucleic acid)를 만든다.

DNA의 핵산염 배열순서에 저장된 유전정보는 두 가지의 기능을 가지고 있다.

첫째 기능은 DNA의 유전 정보가 새로운 DNA 분자로 복제되어 낭세포나 자손으로 유전정보를 제공하는 것이고 다른 하나는 DNA의 유전정보가 m RNA로 전사되어 단백질 분자의 합성을 위한 정보의 근원이 되는 것이다.

m RNA 분자의 핵산염 순위 속에는 각 아미노산에 대한 부호가 존재하며 이것을 유전부호라고 한다. 이러한 부호를 단백질의 아미노산 순위로 표현하는 대응분자는 t RNA(transfer RNA)이다. 리보솜은 이들 여러 가지 물질이 상호 작용하여 단백질 분자를 합성하는 곳으로서 이 리보솜은 단일 m RNA 분자를 동시에 해독하기 위하여 응집해서 polysome을 형성한다.

세포내에는 polysome을 형성하는 rough endoplasmic reticulum이 있으며 이곳에서 단백질 생합성이 이루어지고 있다.

뉴런은 수상돌기와 축삭돌기를 가지고 있다. 수상돌기는 세포체로 흘러 들어오는 전기적 자극의 전달로이며 그 수, 길이 및 분지의 정도는 다양하다. 축삭돌기는 세포체로부터 자극을 세포체외로 전달하는 돌기로 각 뉴런에 한 개씩 있다.

대부분의 축삭돌기는 수초라고 하는 지방성 물질로 싸여 있는데 이러한 축삭돌기를 유수초섬유라 하며 수초로 싸여 있지 않은 축삭돌기는 부수초섬유라 한다.

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수초의 지방성 내용물 때문에 유수초섬유는 희게 보인다. 수초와 축삭돌기를 둘러싸고 있는 얇은 막을 신경초 또는 슈반초라고 한다. 유수 축삭돌기의 신경초와 수초는 축삭돌기의 전체에 걸쳐 일정한 간격으로 끊어진 부분 즉 란비어절을 가지고 있다.

이 절은 두 개의 연속적인 슈반세포사이에 있으며 축삭돌기의 부축소분자를 내거나 신경자극의 전도율을 증가시키는 역할을 한다. 중추신경계의 많은 뉴런은 유수초섬유지만 슈반 세포대신에 신경교세포의 하나인 희돌기 교아세포를 가지고 있다.

2. 뉴런의 종류

뉴런을 구조, 기능에 따라 분류하면 다음과 같다.

a. 구조에 따른 분류

1)단극성 뉴런 2)쌍극성 뉴런 3)다극성 뉴런

b.기능에 따른 분류

1)운동원심성 뉴런 2)감각구심성 뉴런 3)신경세포간 뉴런

운동뉴런과 신경세포간 뉴런은 다극성 뉴런이 대부분이고 감각뉴런은 단극성이다. 그러나 망막, 내이, 미뢰와 후각상피에 분포되는 뉴런은 쌍극성이다.

3. 신경

하나의 신경섬유는 많은 뉴런의 돌기들이 모여 만들어진다. 각 신경섬유는 신경섬유 내초라는 결합조직으로 씨여 있고 이것이 여러 개 모여 집단을 만들며 신경주막으로 돌려 싸이게 된다. 신경주막으로 싸여 있는 신경섬유의 다발을 소속이라 한다. 이것이 여러개 모여 하나의 신경을 만들며 신경초로 싸이게 된다. 이렇게 구성된 신경은 그 기능에 따라 감각, 운동 또는 혼합신경으로 분류된다.

B. 연접 (시냅스)

어떤 흥분이 한 뉴런에서 다른 뉴런으로 이행부를 통하여 전달될 때 이행부나 이행현상을 연접이라고 부른다. 연접 쪽으로 흥분을 전달하는 뉴런을 연접전 신경원이라고 부르고 연접으로부터 전달된 흥분을 받는 뉴런을 연접후 신경원이라고 한다. 하나의 뉴런은 어떤 연접에서는 연접 후 신경원이 되지만 다음 연접에서 볼 때는 연접전 신경원이 된다.

대부분의 연접은 연접전 신경원의 축삭돌기 말단과 연접후 신경원의 수상돌기 또는 세포체사이에서 이루어진다. 지각신경의 경우 기능적으로는 수상돌기의 끝에 해당되는 축삭돌기의 끝이 지각의 종류에 따라 특수한 형태로 각종 장기나 그 간질(stroma)에 분포되어 있고 이것을 지각종말이라고 하는데 감각의 수용체라고도 부른다.

Sherrington(1897)은 연접이 흥분의 단순한 이행뿐만 아니고 그곳에서 흥분 전달의 방향성이 부과되는데 전달속도는 둔화되고 저산소증이나 마취제 등에 대한 감수성이 연접에서는 커진다는 사실을 밝혀냈다.

연접에서 흥분이 전달될 때 인접 세포에 탈분극을 일으키는 화학성 신경전달물질을 방출하는 경우를 화학적 연접이라고 부르며 국소전류를 발생시키는 경우는 전기적 연접이라고 한다. 연접에는 그 다음 뉴런을 흥분시키는 흥분성 연접과 반대로 억제하는 억제성 연접이 있다.

1. 화학적 연접

이 연접에서 연접전 뉴런의 축삭돌기 말단은 연접후 뉴런의 수상돌기 또는 세포체에 가깝게 접하여 있다. 두 개의 뉴런사이에는 연접열이 있는데 이것은 연접전 뉴런에서 신경자극이 연접후 뉴런으로 직접 건너가는 것을 방해한다. 신경자극이 연접전 뉴런의 축삭돌기 말단에 도달하면 그 자극은 칼슘 이온에 대한 말단의 투과력을 증가시키고 세포내로 칼슘이온의 순수이동을 일으킨다. 또 이 칼슘이온은 축삭돌기 말단에서 화학성 신경전달물질을 유리시킨다. 신경전달물질의 분자들은 연접열을 지나 확산하고 연접후 뉴런 막에 존재하는 수용체와 결합한다. 이 결합은 수용체의 입체적 형태를 변형시키고 연접후 뉴런의 활동에 영향을 계속적으로 미치게 된다.















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2. 전기적 연접

연접전 뉴런과연접후 뉴런이 간격연결에 의하여 연결되어 있으며, 연접전 뉴런에서 활동전위에 의해 발생한 국소 전류가 연접후 뉴런으로 직접 흐르는 연접을 말한다.

3. 흥분성 연접

신경전달물질 분자와 수용체는 연접후 뉴런 막의 투과성에 변화를 일으켜 흥분성 연접후 전위가 발생하여 후속 뉴런의 탈분극을 초래한다.

4. 억제성 연접

신경전달물질과 수용체의 결합은 연접후 뉴런막에 있는 chemical gate channel을 열어 K 이온 또는 cl이온에 대한 막의 투과성과 억제성 연접후 전위를 증가시켜 결과적으로는 후속 뉴런에 대하여 억제작용을 한다.

5. 연접성 지연

뉴런은 신경자극을 매우 빠르게 전도하지만 화학적 연접에서는 전달속도가 느려진다. 이것을 연접성 지연이라고 한다. 이 지연은 신경자극이 도달한 연접전 종말에서 신경전달물질 분자가 방출되는데 필요한 시간으로 약 0.5 - 1 m/sec이다.

C. 막전위 (Membrane potential)

모든 체세포들은 전기적으로 세포내측이 외측에 비하여 음성을 띄는 양극성을 가지고 있다. 이 극성은 세포내측과 외측 사이의 전위 또는 전압의 차이로 측정되며 이 전압을 막전위라 한다. 막전위의 변화는 세포에 중요한 신호를 전달하며 뉴런에 의한 흥분 전달의 기본이 된다.

D. 안정기 막전위

무자극 뉴런의 막전위는 세포의 내액과 외액의 이온 구성의 차이에 의하여 발생한다. 이 막전위를 성립시키는 중요한 요소로는

1) 무자극 뉴런의 세포내액이 세포외액보다 높은 농도의 K 이온치와 낮은 농도의 Na 이온치를 가지고 있어야 하고,

2) 무자극 뉴런은 Na이온 보다 K이온에 대하여 50 - 100배의 투과력을 가져야 한다.

E. 활동전위

충분한 강도의 자극이 축삭돌기에 가해지면 자극된 부분에서 국소탈분극은 한계역치인 임계수준에 이르게 된다. 한번 한계역치에 도달한 축삭돌기는 추가자극이 없어도 계속하여 탈분극한다.

막전위는 빠르게 감소하여 영이 되고 축삭돌기의 내측은 외측에 비하여 상대적으로 양극으로 반전한다. 이 빠른 탈분극과 극성 반전을 활동전위라 하고 신경과 근육세포에서 특징적으로 나타난다.

활동전위가 나타나고 있는 동안 축삭돌기막의 한 부분에서 극성반전이 일어나며 그 부위와 바로 인접하는 부분 사이의 전압차는 두 부위간에서 국소전류를 흐르게 한다. 전류는 이온에 의하여 전달되고 전류의 방향은 양성전하를 가진 이온의 이동 방향과 같다.

이 전류는 극성반전하는 방향으로 흐른다. 이 전류는 극성반전 부위와 바로 이웃한 세포막 부분을 탈분극시키고 그 부분의 Na이온에 대한 투과성을 증가시킨다. 그 부분의 탈분극이 한계역치에 도달하면 활동전위가 발생한다. 이 과정이 세포막 전체에 걸쳐 계속되고 축삭돌기를 따라 이동하는 전파성 활동전위 또는 신경흥분을 만든다.

F. 신경전달물질

신경전달물질은 저분자의 수용성 아민 또는 아미노산 그리고 그와 관련이 있는 물질들이다. 신경전달물질의 분자들은 연접낭에 저장되어 있으며 신경자극이 축삭돌기 말단에 도달할 때 Ca 이온에 대한 그 말단의 투과력이 증가하고 연접낭의 일부가 축삭돌기 말단의 막과 붙으면 신경전달물질 분자가 연접열 내로 방출된다.

신경전달물질의 분자가 연접후 신경원의 막에 존재하는 수용체와 결합할 때 투과성이 변하고 연접후 전위는 몇 mili second동안 지속된다.

약 30여종의 물질들이 신경 전달물질로 알려져 있다. 이들 중 아세칠콜린은 뉴런과 골격근세포의 접합부에서 뉴런으로부터 방출된다.

신경전달물질인 norepinephrine은 뇌의 각성상태 유지 및 보상기전, 꿈꾸는 상태의 수면과 기분의 조절 등에 관여하는 것으로 생각된다. Dopamine은 정서반응의 조정과 복잡한 운동의 조절에 관여하며 serotonin은 체온조절, 감각수영과 수면 개시에 관여하는 것으로 믿어진다.

아미노산인 gamma-aminobutyric acid(GABA)는 잘 알려진 억제성 신경전달 물질이다. Glutamic acid와 aspartic acid는 많은 뉴런들을 강력하게 흥분시키고 glycine은 척수에서 억제효과를 가진다.

Neuropeptide라고 하는 아미노산의 연쇄물 역시 신경전달물질로 작용한다.















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지금까지 신경세포의 작용기전에 대해서 알아보았다.

그러면 교통사고와 신경이 어떤 관계가 있는지 알아보겠다. 교통사고에는 여러 가지 경우가 있다. 그 중에서 가장 일반적인 경우에 대해서 분석해 보려한다.

시속 80킬로미터로 달리고 있는 자동차의 전방 20미터에 갑자기 보행자가 뛰어드는 상황이 벌어진다고 상상해 보자. 운전자는 급브레이크를 밟으려고 할 것이고, 보행자는 자동차를 피하려고 할 것이다. 그 때 이 두 사람의 신체내부의 신경에서 일어나는 일들을 알아보자. 우리 몸에서 가장 먼저 외부 상황을 감지하는 곳은 시각이나 청각일 것이다. 여기서는 시각경로에 대해서 간단히 살펴본 다음 시신경에서 일어나는 반응을 알아보겠다.

시각경로

망막의 신경조직층은 신경요소들로 구성되어 있으며 중간부는 쌍극 신경세포를 내포하고 가장 안쪽에는 신경절세포가 있다. 간상체와 추상체는 쌍극세포와 연접을 이루고 쌍극세포는 신경절세포와 연접한다. 신경절세포와 축삭돌기들은 함께 모여 시신경이 된다. 두 대의 시신경은 뇌하수체의 바로 앞쪽에서 시신경교차를 만든다

시신경교차에서 각 망막의 내반부로부터 오는 신경절세포의 축삭돌기들은 반대측으로 건너가고 외반부에서 시작되는 축삭돌기들은 동측으로 간다.

시신경교차를 거친 축삭돌기들은 시삭으로 계속된다. 시삭내에서 대부분의 외측 슬상체로 가서 이곳의 신경세포와 연접하여 시방사를 거쳐 후두엽이 시각 피질에서 끝나게 된다. 시삭내의 일부 축삭돌기들은 시개전핵으로 가서 동공광반사에 관여하게 된다.

운전자의 경우

1. 운전자의 망막에 맺힌 보행자의 모습이 시각경로를 따라 뇌로 전달될 것이다.

2. 뇌에서는 위급한 상황을 인식하고 빨리 브레이크를 밟으라는 명령을 내릴 것이다.

3. 뇌에서 내린 명령이 운동신경을 따라 반응기 까지 전달되면 비로소 행동이 취해진다.

보행자의 경우

1. 보행자는 앞에서 빠른 속도로 달려오는 자동차의 모습을 시각경로를 통해 뇌에서 인식하게될 것이다.

2. 뇌에서는 위험을 인식하고 피하라는 명령을 내릴 것이다.

3. 뇌에서 내린 명령은 운동신경을 따라 신체의 여러 반응기로 피하라는 신호를 전달할 것이다.

이렇게 운전자에게 세 단계의 반응이 일어나는 데 걸리는 시간은 얼마나 될까? 그리고 보행자는 자동차를 피할 수 있을 것인가?

사고가 나느냐 안 나느냐는 운전자에게 달려 있을 것이다. 운전자의 경우 위의 세 단계를 거치는 데 걸리는 시간은 대략 1-2초 정도일 것이다.(참고로 신경의 신호 전달 속도는 척색의 직경과 유수섬유냐 무수섬유냐에 따라 결정되는데 일반적으로 1-120 m/s라고 한다.) 자동차의 속도는 22m/s(80km/h)이므로 사고가 날 확률은 매우 높다고 할 수 있다.

만약 이렇게 해서 교통 사고가 났다고 가정하자. 그러면 부상자는 자기가 다친 부위의 감각 수용기로부터 신호를 뉴런을 통해서 뇌로 전달할 것이다. 그러면 부상자는 통증을 느낄 것이다. 다만 머리를 다친 경우에는 아무런 통증을 느끼지 않을 수도 있다. 통증을 느끼는 것도 뇌에서 인식하기 때문이다. 그러면 교통사고로 머리를 다치는 경우에 대해서 알아보기로 하겠다.

교통사고로 뇌손상을 입는 경우는 여러 가지가 있겠지만 오래 전부터 크게 뇌진탕, 뇌좌상, 뇌열창으로 분류되어왔다. 뇌진탕이란 라틴어의 Concutere 즉 흔든다라는 뜻이며 두부손상을 받으면 반고체인 뇌가 단단한 두 개강 안에서 흔들려 일시적으로 뇌의 모든 기능이 중단되었다가 몇 분내로 완전히 회복되고 뇌실질에 기질적 변화를 일으키지 않는 가역성인 경한 뇌손상으로 규정되어 왔다. 이에 비해 뇌좌상은 뇌손상으로 뇌실질 내에 출혈을 일으키고 뇌부종이 발생하여 두개강내압이 상승되고 의식상실이 몇 분 이상 지속되고 때에 따라서는 몇 시간, 몇일 간 혼수상태에 빠지는 중증 뇌손상을 말하며 뇌열창은 뇌좌상에 뇌의 열창증상이 합쳐서 두개강내 출혈까지 일으키는 것을 말한다.

대부분의 뇌진탕 환자는 마치 권투 경기에서 knock down되었다가 다시 싸우는 선수와 같이 짧은 시간 내에 원상으로 회복되지만 일부는 회복되지 못하고 식물상태로 되고 사망까지 하는 불가역적 변화를 일으키는 수가 있다.

뇌진탕에서 의식을 상실하면 외상성 기억상실증이 발생하는데 깨어난 다음에 외상 직전 또는 외상직후의 기억이 없어짐으로 역행성 기억상실증이라고 부르며 이러한 현상은 대개 1일 이상 계속되지 않지만 경우에 따라서는 며칠 또는 몇 개월간 지속되는 수도 있다.

뇌좌상은 뇌실질내의 출혈로 인해 뇌조직이 괴사를 일으키고 동시에 뇌부종이 발생하고 두개강내압도 항진되는 불가역성 변화이다. 뇌열창은 뇌조직이 찢어지는 것으로써 뇌좌상에 출혈이 추가되는데 두개강 저부에 많이 발생한다. 그리고 뇌좌상이나 열창은 병소의 위치에 따라 해당되는 각종 신경결함증상을 나타낸다.

참고사항

일반적으로 온혈동물의 경우, 교통사고와 같은 외상으로 인해서 신경섬유가 절단되면 이들이 재생하여 다시 결합이 생기는 신경재생이 일어나지 않는다. 그러므로 교통사고로 척수손상이 있으면 일생 휠체어 생활을 하게 마련이다.