뇌의 구조
뇌는 발생학적으로는 신경관의 앞쪽이 부풀어서 발달한 것으로, 대뇌, 간뇌, 중뇌, 소뇌, 연수 등 5 부분으로 되어 있다. 연수의 끝은 척수와 연결되어 있다. 호흡, 순환, 심장박동, 소화 등의 생명활동과 직결된 작용을 조절하는 부위인 중뇌, 뇌교, 연수를 묶어서 뇌간(brain stem)이라고 한다. 뇌의 각 부분의 발달 정도는 동물의 진화 정도에 따라 다를 뿐만 아니라, 서로 다른 행동을 하는 동물의 종에 따라서도 차이가 있다. 대뇌는 기억과 판단 등을 관장하는 정신활동의 중추이며 동시에 감각과 수의운동의 중추로, 대부분의 행동을 통합하고 조절하는 기능을 하는 고등 정신작용의 중추이다. 그 작용은 신경 세포체가 모인 회백질에서 일어나는데, 대뇌의 단면을 보면 바깥쪽 부분(피질)은 회백색, 속 부분(수질)은 백색을 띠고 있어서 회백색 부분은 ‘회백질’, 백색 부분은 ‘백질’이라고 한다. 회백질부에는 신경 세포체가 많이 모여 있고, 백질부는 축색 돌기가 많은 부분이다.
후뇌
후뇌(cerebellum)는 소뇌라고도 하며 연수의 후위에 위치하는데, 근육긴장의 조절과 운동 활동을 이끌어 내는 뇌의 중요한 부위이다. 피아니스트가 실수 없이 음악을 연주하거나, 투수가 공을 부드럽게 던질 수 있게 하는 뇌의 영역이다. 후뇌의 손상은 마비를 유발하지는 않지만 운동의 정확성을 방해하거나 균형과 평정을 혼란시킨다. 후뇌의 손상을 탐지하기 위해 신경학자들이 주로 사용하는 전통적인 검사가 피검사자의 코와 검사자의 코를 번갈아 만지도록 하는 것이다. 후뇌가 손상된 사람은 이것을 할 수 있더라도, 자신의 코에서 다른 이의 코로 손을 옮겨 가는 경로는 부정확하고 일정하지 않을 가능성이 높다.
후뇌가 손상되면 균형과 운동조절의 결핍도 생기게 된다. 머리에 큰 타격을 받았을 때 일시적으로 균형을 잃거나 근육운동을 제대로 하지 못하는 펀치 드링크 증후군(punch-drink syndrome)에서 후뇌의 일시적 혼란을 볼 수 있다. 일발적으로 후뇌의 특정 영역인 소뇌 측부(lateral verebellum)는 운동조절과 운동기술을 학습하는 뇌의 구조를 포함하고 있는 것으로 여겨진다. 최근 연구들에 의하면, 이 영역이 정신기능의 유연함과 정확함을 주는 인지과정의 특정 부분과 연관되어 있다(Akshoomoff & Courchesne, 1992). 또한 이 부위는 뇌의 내부 시계로 시간적인 정보를 주는 데도 중요한 기능을 하는 것으로 알려져 있다(Ivry, 1997).
중뇌
중뇌(midbrain)는 뇌교의 위쪽에 위치하는데, 뇌교나 연수와 비슷하게 몇몇 뇌신경의 핵이 있는 영역이다. 중뇌는 또한 두 가지 중요한 구조를 배측에 가지고 있는데, 하구(inferior colliculus)와 상구(superor colliculus)가 그것이다. 이것은 각각 청각과 시각 자극을 파악하는데 중요한 역할을 한다. 하구는 상올리브(superior olivary nucleus)와 같은 중계 핵에 포함되며 청각정보를 귀에서 피질로 전달하여 소리의 위치를 파악한다. 또한 소리가 나는 쪽으로 머리와 눈을 반사적으로 향하게 하는데, 이것이 청각 자극에 정향 하도록 하는 기본적 기능이다. 상구는 하구가 청각에서 하는 역할을 시각에서 한다. 상구는 주위에 움직이는 큰 물체를 정향 하거나 지각할 수 있도록 해준다. 그래서 만약 차가 빠르게 왼쪽에서부터 다가오면 상구는 무언가 가까이 오고 있다는 신호를 보낸다.
상구는 또한 다른 뇌 영역들과 협동하여 물체의 방향으로 눈을 돌리게 함으로써 그 물체의 상이 망막의 중심과(fovea)에 맻히게 한다. 이런 과정을 '포비에이션(foveation)'이라고 한다. 그러나 중뇌의 시각계는 대상을 명확하게 구별하지 못한다. 즉, 위의 예에서 그 물체가 차인 지는 정확하게는 모른다. 따라서 시야의 중심에 대상이 위치한 후에야 그 대상의 인지를 특별히 관여하는 다른 뇌 영역이 그것을 명확하게 파악할 수 있게 해 준다.
간뇌
시상(thalamus)은 시상하부와 함께 간뇌(diencephalon)의 한 부분이다. 시상은 피질로 들어오는 대부분의 감각정보와 피질로부터 나가는 대부분의 운동정보들을 연결하는 중추이다. 중계센터(relay center)는 뇌의 어떤 영역으로부터 들어온 뉴런들이 시냅스를 맺고 뇌의 다른 영역으로 나아가는 뇌 영역이다. 종종 중계센터 뉴런들 사이의 연결은 정보를 다른 신경계로 보내기 전에 다시 조직화된다.
예를 들어, 시각계에서는 망막으로부터 들어온 정보가 시삭(optic tract)을 경유하여 시상의 외측슬상핵(lateral geniculate cucleus)에서 시냅스를 맺는다. 외측슬상핵의 한 층인 거대세포층(magnocellular layer)은 희미한 빛에 대해서도 극도로 민감하지만 색깔에는 민감하지 않은 세포로부터 입력을 받는다. 반면에 소세포층(parvocellular)은 색깔에는 민감하지만 높은 수준의 밝기가 필요한 세포로부터 입력을 받는다. 따라서 이 연결 지점에서 정보들은 뇌로 전달되는 동안 다시 조직화되고, 색깔이나 밝기에 대한 정보들이 분리된다(Zeki & Shipp, 1988). 정보들이 망막으로부터 나갈 때 한 망막 세포의 망막상의 위치 정보는 반영되지만, 색깔이나 밝기에 대한 세포의 민감도 등을 그 위치에 반영하지는 않는다. 그러나 거대 세포와 소세포층에서 정보들의 구분이 이루어지고 시각정보가 시상을 떠날 때는 밝기, 색깔, 망막상의 위치 등의 정보가 처리되어 있다.
시상하부(hypothalamus)의 일반적인 역할은 신체욕구를 만족시켜 행동을 조절하고 균형을 유지할 수 있도록 하는 것이다. 생명체에 특정 욕구가 발생하면, 일반적으로 시상하부는 신체를 안정된 상태로 되돌릴 수 있도록 고안된 행동을 방출한다. 예를 들어 배가 고프거나 목이 마를 때 사람은 음식이나 음료수를 섭취하는 행동을 한다. 시상하부는 필요한 일련의 행동을 뇌에 전달하는 신호를 발생시킨다. 그래서 시상하부의 주요한 기능 중 하나는 섭식과 마시는 행동에 도움을 주는 것이다. 예를 들어 동물연구에서 시상하부의 복내 측 영역의 손상은 동물로 하여금 정상 체중을 유지하는 데 필요한 양 이상으로 먹게 하고, 이런 행동들은 결과적으로 비만을 일으킨다. 비슷하게 시상하부의 배측과 외측부를 손상시키면 물을 마시는데 문제가 생긴다.
시상하부의 또 다른 중요한 기능은 체온조절을 돕는 일이다. 전측부와 후측부에 있는 뉴런들은 피부나 혈액의 온도가 변화하는 것을 감지하고 이를 통해 자동온도 조절장치와 비슷한 기능을 한다. 또한 시상하부는 혈류를 통해 신체로 전달되는 화학적 전달자들을 제어하는 체계인 호르몬계(hormonal system)와 밀접한 관련이 있다. 그래서 호르몬이 생성되는 지점으로부터 멀리 떨어진 목표기관에 호르몬에 영향을 줄 수 있도록 한다. 시상하부는 또한 직접 호르몬을 분비하거나 호르몬을 분비하는 뇌 영역의 활동을 조절하는 요소들을 생산한다. 시상하부와 호르몬계의 관련성은 생식행동, 주간 리듬(daily rhythms) 그리고 공격 또는 도주반응(fight-or-flight response)을 설명하는데 도움이 된다.
전뇌
전뇌의 대뇌피질은 우리가 뇌를 생각할 때 쉽게 떠오르는 부분이다. 피질은 대상인식, 공간처리, 주의 같은 우리가 앞으로 논의할 부분과 관련하여 주요한 역할을 하는 곳이다. 피질은 두 부분으로 나눌 수 있는데, 각각을 대뇌 반구(cerebral hemisphere)라고 부른다. 각 뇌의 회선(convolution) 즉, 융기(bump)는 회(이랑, gyrus)라고 부른다. 이건은 거대한 뉴런 덮개로, 앞에 말한 뇌의 다른 구조들을 덮고 있다. 이 회들로 말미암아 뇌 조직들이 작은 공간에 빽빽하게 들어갈 수 있다.
이것은 옷을 돌돌 말아 넣음으로써 옷가방 속에 더 많은 옷을 넣을 수 있는 것과 같다. 융기 사이의 각 골짜기들은 구(고랑, sulcus)라고 부른다. 만약 골짜기가 매우 깊다면 열(fissure)이라고 부른다. 모든 뇌에는 동일한 기본적인 회의 패턴(gyral pattern)이 있는데, 모든 얼굴이 동일한 기본 형식으로 되어 있는 것과 같다. 그러나 개인의 얼굴 간에 미묘한 차이가 있듯이 그런 차이가 회의 패턴에도 있다. 이는 마치 얼굴상에 이목구비의 배치가 다양한 것과 같다(어떤 사람은 두 눈 사이의 거리가 넓고, 반면에 어떤 이들은 그 거리가 좁을 수 있다).
세 가지 주요 열은 뇌에서 중요한 이정표 역할을 하는데, 이들이 주요 뇌 영역들 간의 기능적 차이를 나타내기 때문이다. 먼저, 중심열(central fissure)은 각 대뇌반구를 전후 차원으로 분리해 준다. 일반적으로 중심열 앞부분은 운동처리와 관련되고, 뒷부분은 감각처리와 관련된다. 두 번째 주요 열은 외측열(lateral fissure)인데, 이 열은 각 대뇌반구를 복측과 배측 차원으로 분리해 준다. 이 구분은 중요한데, 외측열 아래쪽의 뇌 영역인 측두엽은 기억, 정서, 청각처리에서 중요한 역할을 하기 때문이다. 세 번째 주요 열은 세로열(longitudinal fissure)이다. 이 열은 오른쪽과 왼쪽의 대뇌 반구를 구분해 준다. 이 구분이 중요한 것은 각 대뇌 반구가 인지와 정서기능이라는 독특한 전문성을 가지고 있기 때문이다.
이 세열은 또한 각각의 대뇌 반구를 네 개의 주요 영역 또는 엽으로 구분해 준다. 중심열 앞의 영역은 전두엽(frontal lobe)이며, 외측열 아래의 영역은 측두엽(temporal lobe)이다. 중심열 바로 뒷부분과 외측열의 윗부분에 해당하는 영역은 두정엽(parietal lobe)이며, 나머지 두정과 후두고랑의 뒷분분은 후두엽(occipital lobe)이다.
대뇌피질 중에는 좌반구에만 있는 언어적 기관이 존재하는데, 그것을 베르니케와 브로카 영역이라고 명명하고 있다. 베르니케 영역(Wernicke's area)은 뇌의 좌반구에 위치하는 특정부위로, 청각피질과 시각피질로부터 전달된 언어정보의 해석을 담당한다. 이는 독일의 신경정신과의사인 Carl Wernicke가 발견하였다. 일반적으로 소음을 들을 때는 일차청각영역이 활성화되지만, 단어와 같은 의미를 가진 소리를 들으면 뇌 좌측에 위치한 베르니케 영역이 더 활성화된다(Zatorre et., 1992, 1995). 반면, 브로카 영역(Broca's area)은 프랑스의 인류학자, 외과의사이자 신경해부학자인 Paul Pierre Broca가 밝힌 영역이다. 이 영역은 좌반구 전두엽에 존재하는 뇌의 특정 부위로 말을 하는 기능을 담당하고 있다. 브로카 영역은 인류가 호모 하빌리스일 때부터 발달해 온 것으로 추측된다.