중추신경계

뇌는 두개골 내부에 위치하며, 중추신경계의 최상위 통제 센터 역할을 한다. 무게는 성인 기준 약 1.3~1.4kg이며, 크고 작은 주름(회백과 구백)으로 표면적을 극대화하여 복잡한 정보 처리를 가능하게 한다. 뇌는 크게 대뇌, 간뇌, 뇌간, 소뇌로 구분된다.

대뇌는 뇌 전체 부피의 약 80%를 차지하며, 좌우 두 개의 반구로 나뉜다. 각 반구는 다시 전두엽, 두정엽, 측두엽, 후두엽 등 기능적으로 특화된 네 개의 엽으로 구분된다. 대뇌 표면의 회백질 층을 대뇌피질이라 하며, 고등 사고, 언어, 의식, 감각 통합, 자발적 운동 명령 생성 등 가장 복잡한 기능을 담당한다. 대뇌 내부의 백질 속에는 기저핵과 같은 구조물이 위치하여 운동 조절에 관여한다.

간뇌는 대뇌 반구 내부 중앙에 자리 잡고 있으며, 주요 구성 요소는 다음과 같다.

뇌간은 뇌와 척수를 연결하는 부분으로, 중뇌, 뇌교, 연수로 구성된다. 이곳은 호흡, 심박, 혈압과 같은 생명 유지에 필수적인 비자발적 기능을 조절하며, 대뇌와 소뇌, 척수 사이의 정보 전달 경로가 통과한다. 소뇌는 뇌간 뒤쪽에 위치하며, 주로 운동의 협응, 균형 유지, 자세 조절을 담당하여 정교하고 매끄러운 움직임을 가능하게 한다.

척수는 척추의 척추관 내에 위치한 긴 원통형 구조물이다. 위쪽은 뇌간의 연수와 연결되고, 아래쪽은 제1요추 부근에서 끝난다. 척수는 뇌와 몸의 나머지 부분 사이의 주요 통신 경로 역할을 한다.

척수의 단면은 중심부의 나비 모양 회백질과 이를 둘러싼 백질로 구분된다. 회백질은 주로 신경 세포체가 모여 있으며, 백질은 신경 섬유(축삭) 다발로 구성되어 있다. 척수는 척추 신경이 나오는 부위에 따라 경추, 흉추, 요추, 천추, 미추 부위로 나뉜다.

척수의 주요 기능은 감각 정보의 전도, 운동 명령의 전도, 그리고 일정 수준의 반사 활동 통합이다. 구체적으로, 백질의 상행로는 피부, 관절, 근육에서 받은 감각 정보를 뇌로 전달한다. 하행로는 뇌에서 발생한 운동 명령을 몸의 근육과 장기로 하달한다. 또한, 척수 자체 내에서 이루어지는 단순 반사, 예를 들어 슬개건 반사와 같은 긴장 반사의 중추를 형성한다.

척수는 다음과 같은 중요한 보호 구조물에 의해 둘러싸여 있다.

중추신경계의 가장 핵심적인 역할은 몸의 각 부분과 외부 환경으로부터 들어오는 방대한 양의 정보를 통합하고 처리하여 적절한 반응을 결정하는 것이다. 이 과정은 주로 뇌의 다양한 영역, 특히 대뇌피질과 시상, 기저핵 등의 구조에서 이루어진다. 감각 정보는 척수와 뇌신경을 통해 중추신경계로 전달된 후, 여러 단계의 신경 회로를 거쳐 해석되고, 이전의 기억과 경험과 비교된다.

정보 통합의 결과는 운동 명령의 생성, 자율신경계 조절, 또는 내부 상태(예: 호르몬 분비)의 변화로 나타난다. 예를 들어, 뜨거운 물체를 만졌을 때 손의 감각 수용기에서 발생한 신호는 척수를 거쳐 뇌로 전달된다. 뇌는 이 정보를 '통증'과 '위험'으로 해석하고, 동시에 근육에 손을 떼라는 운동 명령을 내리며, 심박수 증가와 같은 자율신경 반응을 유발한다. 이러한 일련의 과정은 순간적으로 일어난다.

고등 인지 기능 또한 이 정보 처리 능력에 기반을 둔다. 학습, 기억, 언어, 추론, 의사 결정, 문제 해결 등은 대뇌반구의 특정 영역들이 복잡하게 상호작용하며 정보를 처리하고 통합하는 결과물이다. 해마는 새로운 기억의 형성에, 전두엽은 계획과 판단에 중요한 역할을 한다.

정보 처리의 효율성을 위해 중추신경계는 평행 처리와 계층적 처리를 결합하여 사용한다. 서로 다른 감각 양식(시각, 청각 등)의 정보는 별도의 경로로 동시에 처리되다가(평행 처리), 후기 단계에서 통합된다(계층적 처리). 이러한 정교한 시스템 덕분에 개체는 환경에 대해 통합된 하나의 인식을 형성하고 복잡한 행동을 조율할 수 있다.

운동 조절은 중추신경계가 근육의 수축과 이완을 조절하여 의도적이고 정교한 움직임을 만들어내는 과정이다. 이 기능은 주로 대뇌의 운동 피질, 기저핵, 소뇌, 그리고 뇌간에 분산된 여러 구조들의 협력으로 이루어진다. 대뇌피질의 일차 운동 피질은 특정 신체 부위의 움직임을 직접적으로 시작하는 명령을 내린다. 이 명령은 척수를 통해 전달되어 최종적으로 근육을 작동시키는 운동 뉴런을 활성화시킨다.

보다 복잡한 운동의 계획과 실행에는 다른 영역들이 관여한다. 기저핵은 운동의 시작과 강도를 조절하고, 원활하고 자동화된 움직임을 가능하게 한다. 소뇌는 운동 명령의 정확성과 시간적 조화를 담당하여, 균형을 유지하고 정확한 궤적을 따라 움직일 수 있도록 한다. 예를 들어, 공을 잡거나 악기를 연주하는 것과 같은 정밀한 동작은 소뇌의 실시간 피드백 조절 없이는 불가능하다.

의지적 운동의 통합 경로는 다음과 같이 요약할 수 있다.

이러한 체계는 단순한 반사 반응보다 훨씬 고도화된 것으로, 학습을 통해 운동 기능이 향상될 수 있는 기반이 된다. 운동 조절 체계의 이상은 파킨슨병이나 소뇌성 운동실조와 같은 다양한 운동 장애를 초래한다.

감각 해석은 중추신경계가 외부 또는 내부 환경으로부터 받은 원시 감각 정보를 의미 있는 지각으로 변환하는 과정이다. 이 과정은 단순한 신호 수신을 넘어, 정보를 분류, 비교, 통합하여 최종적으로 환경을 인식하고 적절히 반응할 수 있는 기초를 제공한다.

감각 정보는 수용기를 통해 전기 신호로 변환된 후, 말초신경계를 거쳐 중추신경계로 전달된다. 척수와 뇌간에서는 기본적인 통로 역할과 함께 일부 긴급 반사 신호를 처리한다. 그러나 고차원적인 해석은 주로 대뇌 피질의 특정 영역에서 이루어진다. 예를 들어, 시각 정보는 후두엽의 시각피질에서, 청각 정보는 측두엽의 청각피질에서, 체성감각(촉각, 압력, 통증 등)은 두정엽의 체성감각피질에서 주로 처리된다.

해석 과정은 단순하지 않다. 뇌는 들어오는 정보에 과거의 경험, 기대, 주의 집중 상태 등을 적용하여 최종 지각을 형성한다[4]. 따라서 동일한 물리적 자극이라도 개인에 따라 다르게 지각될 수 있다. 또한, 다양한 감각 양식(시각, 청각 등)의 정보는 통합되어 하나의 일관된 경험으로 인식되는데, 이를 다감각 통합이라고 한다.

뉴런은 중추신경계를 구성하는 기본적인 구조적, 기능적 단위이다. 이 세포는 전기적, 화학적 신호를 받아들이고 처리하며 전달하는 고도로 전문화된 세포이다. 뉴런의 주요 기능은 정보를 전달하는 것이며, 이를 통해 감각, 사고, 운동, 기억 등 모든 신경 활동이 가능해진다.

뉴런의 구조는 크게 세 부분으로 나뉜다. 첫째는 세포체로, 핵과 대부분의 세포 소기관을 포함하며 신호를 통합하는 역할을 한다. 둘째는 수상돌기로, 세포체에서 뻗어나온 가지 모양의 돌기로서 다른 뉴런으로부터 신호를 받아들이는 안테나와 같은 역할을 한다. 셋째는 축삭으로, 세포체에서 길게 뻗은 단일 돌기로서 처리된 신호를 다른 세포로 전달하는 케이블 역할을 한다. 축삭의 끝부분은 시냅스라는 접합부를 형성하여 다음 세포와 연결된다.

정보는 한 뉴런에서 다음 뉴런으로 주로 화학적 시냅스를 통해 전달된다. 신호가 축삭 말단에 도달하면 신경전달물질이 시냅스 간격으로 방출된다. 이 물질은 다음 뉴런의 수상돌기 또는 세포체에 있는 수용체에 결합하여 새로운 전기 신호를 유발한다. 뉴런은 그 형태와 기능에 따라 다양한 분류가 가능하다.

뉴런은 일반적으로 성체가 된 후에는 분열하지 않는 세포로 알려져 있다[5]. 따라서 뉴런의 손실은 대체되기 어려우며, 이는 알츠하이머병이나 파킨슨병과 같은 퇴행성 질환에서 중대한 문제가 된다.

신경교세포는 뉴런과 함께 중추신경계를 구성하는 주요 세포군으로, 뉴런의 수보다 약 10배 이상 많다[6]. 이 세포들은 전기적 신호를 직접 전달하지는 않지만, 뉴런의 생존과 기능 유지에 필수적인 지지, 영양 공급, 보호 역할을 담당한다.

주요 신경교세포의 종류와 기능은 다음과 같다.

신경교세포의 기능 장애는 다양한 신경계 질환과 연관된다. 예를 들어, 별아교세포의 기능 이상은 간질 발작의 원인이 될 수 있으며, 희소돌기아교세포의 손상은 다발성 경화증과 같은 탈수초 질환을 유발한다. 미세아교세포의 만성적 과활성화는 알츠하이머병과 같은 신경퇴행성 질환의 진행에 기여하는 것으로 알려져 있다[7].

뇌척수액은 중추신경계인 뇌와 척수를 둘러싸고 있는 맑은 무색의 액체이다. 주로 뇌실 내의 맥락총에서 생성되며, 뇌실과 지주막하공간을 순환한 후 정맥계로 재흡수된다. 이 액체는 뇌와 척수를 물리적으로 충격으로부터 완충하는 역할을 하며, 뇌의 부력을 제공하여 실제 무게를 감소시킨다. 또한 뇌 조직에 영양분을 공급하고 노폐물을 제거하는 기능도 담당한다.

뇌척수액의 순환 경로는 다음과 같다. 측뇌실과 제3뇌실, 제4뇌실에서 생성된 액체는 뇌실계를 통해 흐르고, 제4뇌실의 개구부를 통해 지주막하공간으로 나간다. 이후 척수의 지주막하공간을 따라 흐르거나 뇌 표면을 돌다가, 대부분 지주막 융모를 통해 상시정맥동으로 재흡수된다. 정상적인 뇌척수액은 하루에 약 500ml가 생성되지만, 총량은 150ml 정도로 유지되어 지속적인 순환과 흡수가 이루어진다.

뇌척수액의 조성과 압력은 중요한 임상적 지표가 된다. 정상적인 압력은 약 70-180mmH₂O이며, 구성은 혈장과 유사하지만 단백질 농도는 매우 낮고 전해질 농도는 다르다. 뇌척수액의 이상은 다양한 질환과 관련이 있다. 예를 들어, 순환 경로가 막히면 뇌수종이 발생할 수 있으며, 감염 시에는 세포 수와 단백질 농도가 증가한다. 임상적으로는 요추천자를 통해 샘플을 채취하여 분석하거나, 압력을 측정하는 데 활용된다.

혈액-뇌 장벽은 중추신경계를 순환하는 혈액과 뇌 조직 사이에 존재하는 선택적 투과성 장벽이다. 이 구조는 뇌와 척수의 내부 환경을 안정적으로 유지하고, 혈액으로부터 유해 물질이 들어오는 것을 차단하는 중요한 보호 기능을 담당한다. 혈관 내피 세포, 별아교세포, 주상세포가 밀접하게 상호작용하며 물리적, 대사적 장벽을 형성한다.

혈액-뇌 장벽의 핵심은 뇌모세혈관의 내피 세포 사이에 존재하는 단단한 밀착연접이다. 이는 대부분의 다른 조직의 혈관에서는 발견되지 않는 특징으로, 물질이 혈관 벽을 따라 세포 사이로 쉽게 통과하는 것을 방해한다. 물질은 주로 내피 세포 자체를 통과해야 하며, 이를 위해 특정 수송체를 통한 능동 수송이나 지용성 확산과 같은 경로를 이용한다. 이로 인해 산소, 이산화탄소, 포도당과 같은 필수 영양소는 선택적으로 통과하지만, 많은 약물, 독소, 대사 산물은 효과적으로 차단된다.

혈액-뇌 장벽의 기능은 여러 요인에 의해 영향을 받을 수 있다. 뇌염, 뇌수막염, 뇌졸중, 알츠하이머병과 같은 질환에서는 장벽의 무결성이 손상되어 투과성이 증가할 수 있다[8]. 또한, 약물 치료를 설계할 때는 혈액-뇌 장벽을 통과할 수 있는지 여부가 중요한 고려 사항이 된다. 일부 항생제나 항암제는 이 장벽을 효과적으로 통과하지 못해 중추신경계 감염이나 뇌종양 치료에 제한을 받기도 한다.

뇌막은 뇌와 척수를 둘러싸고 보호하는 세 겹의 결합 조직 막이다. 가장 바깥쪽에서부터 경질막, 지주막, 연질막으로 구성된다. 이 구조물들은 중추신경계를 물리적 충격으로부터 보호하고, 뇌척수액을 담아 뇌를 부유 상태로 유지하며, 신경 조직에 혈액을 공급하는 역할을 한다.

가장 바깥층인 경질막은 두개골 내면과 척추관에 직접 접해 있는 두껍고 질긴 섬유성 막이다. 두개강 내에서는 두 개의 판으로 나뉘어 주요 정맥동을 형성한다. 중간층인 지주막은 경질막 바로 안쪽에 위치한 얇고 투명한 막이다. 지주막과 가장 안쪽의 연질막 사이의 공간을 지주막하공간이라고 하며, 이곳은 뇌척수액으로 가득 차 있다. 가장 안쪽의 연질막은 뇌와 척수의 표면을 직접적으로 감싸는 매우 섬세한 막으로, 혈관이 풍부하게 분포하여 신경 조직에 영양분을 공급한다.

뇌막은 여러 가지 임상적 중요성을 가진다. 예를 들어, 지주막하공간에 출혈이 발생하면 지주막하출혈이 진단된다. 또한, 뇌막의 감염은 뇌수막염을 유발한다. 척추 마취나 경막 외 마취는 각각 지주막하공간 또는 경질막 외강에 약물을 주입하여 이루어진다.

퇴행성 질환은 뉴런과 같은 중추신경계의 구성 세포가 점진적으로 손실되거나 기능이 저하되어 발생하는 질환군을 가리킨다. 이 과정은 주로 서서히 진행되며, 현재까지는 근본적인 치료법이 없는 경우가 대부분이다. 퇴행의 원인은 질환에 따라 다르며, 유전적 소인, 단백질 이상 응집, 산화 스트레스, 미토콘드리아 기능 장애 등 복합적인 기전이 관여하는 것으로 알려져 있다.

대표적인 퇴행성 질환으로는 알츠하이머병, 파킨슨병, 헌팅턴병, 근위축성 측삭 경화증 등이 있다. 각 질환은 주로 손상되는 뇌 부위와 증상이 뚜렷이 구분된다. 예를 들어, 알츠하이머병은 기억과 인지 기능을 담당하는 대뇌피질과 해마의 위축이 두드러지며, 파킨슨병은 운동 조절에 관여하는 흑질의 도파민 신경세포 소실이 특징이다.

이들 질환의 병리학적 특징을 비교하면 다음과 같다.

치료는 대부분 증상을 완화시키고 진행 속도를 늦추는 데 초점이 맞춰져 있다. 약물 치료 외에도 재활 치료, 인지 훈련, 생활 습관 교정 등이 병행된다. 최근 연구는 질환의 조기 진단 바이오마커 개발과 줄기세포 치료, 유전자 치료 등 새로운 치료법 탐구에 집중되고 있다[12].

혈관성 질환은 중추신경계에 혈액을 공급하는 혈관에 문제가 생겨 발생하는 질환군을 말한다. 주요 원인은 뇌졸중이며, 이는 다시 혈관이 막히는 허혈성 뇌졸중과 혈관이 터지는 출혈성 뇌졸중으로 구분된다. 허혈성 뇌졸중은 뇌경색을 일으켜 해당 부위의 뇌 조직이 손상되며, 출혈성 뇌졸중은 뇌내출혈이나 지주막하출혈과 같은 형태로 나타난다. 이러한 급성 사건 외에도 뇌혈관의 만성적인 손상이나 이상으로 인해 발생하는 혈관성 치매도 중요한 혈관성 질환에 속한다.

질환의 위험 요인은 크게 변경 가능 요인과 변경 불가능 요인으로 나눌 수 있다. 주요 위험 요인을 표로 정리하면 다음과 같다.

혈관성 질환의 증상은 손상 부위와 범위에 따라 다양하게 나타난다. 갑작스러운 반신 마비나 감각 이상, 언어 장애(말이 어눌해지거나 이해하지 못함), 시야 장애, 심한 어지러움과 보행 장애, 그리고 심한 두통 등이 대표적이다. 이러한 증상은 종종 갑작스럽게 발생하며, 일과성 뇌허혈증의 경우에는 수분에서 수시간 내에 증상이 완전히 소실되기도 한다.

치료와 예방은 원인에 따라 다르다. 허혈성 뇌졸중의 급성기 치료에는 혈전을 녹이는 혈전용해제 투여나 혈관 내에서 혈전을 제거하는 혈전제거술이 사용된다. 출혈성 뇌졸중의 경우 출혈의 원인과 위치에 따라 수술적 치료가 필요할 수 있다. 장기적인 예방을 위해서는 위험 요인 관리가 핵심이며, 항혈소판제나 항응고제 등의 약물 치료가 흔히 사용된다.

중추신경계의 감염성 질환은 세균, 바이러스, 진균, 기생충 등의 병원체가 뇌나 척수에 침입하여 염증을 일으키는 상태를 말한다. 이는 뇌수막염, 뇌염, 척수염, 뇌농양 등 다양한 형태로 나타난다. 감염 경로는 혈류를 통한 전파, 인접 부위(예: 중이염, 부비동염)에서의 직접 확산, 또는 두개골이나 척추의 외상성 개구부를 통한 침입 등이 있다[13].

주요 질환별 특징은 다음과 같다.

치료는 원인 병원체에 따라 달라진다. 세균성 감염은 항생제를, 바이러스성 감염(특히 헤르페스 뇌염)은 항바이러스제를 사용한다. 뇌농양이나 경막하 농양과 같이 농이 형성된 경우에는 배농을 위한 외과적 배액술이 필요할 수 있다. 예방은 백신 접종(예: 수막구균, 폐렴구균 백신)과 적절한 위생 관리가 중요하다. 감염성 질환은 진단과 치료가 지연될 경우 사망에 이를 수 있거나, 뇌경색, 뇌수종, 간질 등의 심각한 후유증을 남길 수 있다.

외상성 손상은 외부의 물리적 힘에 의해 뇌나 척수에 손상이 발생하는 것을 의미한다. 이는 주로 교통사고, 낙상, 폭행, 스포츠 손상 등이 원인이 된다. 손상의 심각도는 충격의 강도, 부위, 기전에 따라 경증에서 중증까지 다양하게 나타난다.

뇌에 가해진 외상은 크게 두 가지 유형으로 나뉜다. 첫째는 충격이 가해진 부위에 직접적으로 발생하는 타박상과 같은 국소적 손상이다. 둘째는 뇌가 두개골 내부에서 빠르게 가속 또는 감속되면서 발생하는 확산성 축삭 손상과 같은 광범위한 손상이다. 척수의 외상성 손상은 척추의 골절이나 탈구로 인해 발생하며, 그 결과 마비나 감각 소실이 일어날 수 있다.

손상 후 초기에는 뇌부종과 두개내압 상승이 주요 합병증으로 나타난다. 이는 2차적인 뇌 손상을 유발하여 예후를 악화시킬 수 있다. 장기적으로는 인지 기능 저하, 기억력 문제, 행동 변화, 간질 발작 등 다양한 신경학적 후유증이 남을 수 있다.

치료는 손상의 정도에 따라 달라진다. 경증의 경우 휴식과 증상 관리가 주를 이루지만, 중증 손상에서는 두개내압을 낮추기 위한 약물 치료나 외과적 수술이 필요하다. 회복 과정은 긴 재활 기간을 필요로 하며, 물리치료, 작업치료, 언어치료 등이 종합적으로 이루어진다.

영상 진단은 중추신경계의 구조와 기능적 이상을 비침습적으로 가시화하는 핵심적인 방법이다. 이 기술은 질병의 진단, 치료 계획 수립, 경과 관찰에 필수적이다.

구조적 영상 기법으로는 컴퓨터단층촬영(CT)과 자기공명영상(MRI)이 가장 널리 사용된다. CT는 급성 뇌출혈이나 골절 평가에 빠르고 유용하다. MRI는 CT보다 더 높은 연조직 대비도를 제공하여 뇌경색, 다발성경화증, 뇌종양, 해마 위축 등의 미세한 병변을 잘 보여준다. 주요 MRI 기법은 다음과 같다.

기능적 및 분자 영상 기법도 중요하다. 양전자방출단층촬영(PET)은 뇌의 대사 활동이나 특정 수용체 분포를 보여주어 알츠하이머병이나 간질 초점의 진단에 도움을 준다. 기능적 MRI(fMRI)는 뇌 혈류 변화를 측정하여 특정 작업 시 활성화되는 뇌 영역을 실시간으로 매핑한다. 혈관조영술은 뇌동맥이나 정맥의 구조를 상세히 평가하여 동맥류나 혈관기형을 진단한다.

전기생리학적 검사는 중추신경계의 기능적 상태를 전기적 활동을 통해 평가하는 진단 방법이다. 이 검사들은 주로 뇌와 척수에서 발생하는 생체 전위를 기록하고 분석하여, 구조적 영상 검사만으로는 확인하기 어려운 기능적 이상을 발견하는 데 목적이 있다.

대표적인 검사로는 뇌파검사(EEG)가 있다. 두피에 부착한 전극을 통해 뇌의 신경세포 집단에서 발생하는 전기적 활동의 파형을 기록한다. 이는 간질의 진단 및 분류, 의식 장애 평가, 수면 장애 분석 등에 광범위하게 활용된다. 또 다른 주요 검사인 유발전위(EP) 검사는 특정 감각 자극(시각, 청각, 체성감각)을 주고 그에 대한 뇌의 전기적 반응을 기록한다. 이를 통해 시각경로, 청각경로, 감각신경로의 이상을 객관적으로 평가할 수 있다.

근육과 말초신경의 전기적 활동을 평가하는 근전도검사(EMG)와 신경전도검사(NCS)도 중추신경계 질환, 특히 척수 전신세포나 운동신경원의 병변을 평가하는 데 보조적으로 사용된다. 예를 들어, 근위축성 측삭경화증(ALS)과 같은 운동신경원 질환의 진단에 중요한 정보를 제공한다.

이러한 검사들은 종종 자기공명영상(MRI)이나 컴퓨터단층촬영(CT) 같은 구조적 영상 진단법과 상호 보완적으로 사용된다. 임상적으로는 질환의 진단, 병변의 위치 특정, 질병 진행 정도의 모니터링, 그리고 치료 효과의 평가에 기여한다.