뇌의 물리적 구조로 인해 뇌는 일정한 방식으로 기능하는데 이는 마치 어떤 건물이 그 물리적 구조가 허용하는 특정한 기능, 즉 문, 창문, 복도, 방 등의 기능을 하는 것과 같다. 뇌의 경우, 물리적 특성이 정신 내용 그리고 정신 과정을 일으킨다. 정신 내용은 지식, 신념, 욕망, 그리고 감정으로 구성된다. 반면 정신 과정은 어떤 기능을 수행하기 위해 함께 작동하는 조작들의 집합체이다.
뇌는 우리가 아는 한 세계에서 가장 복잡한 대상이며, 뇌의 일반적 구조와 기능에 대한 이해를 위해 우리는 그 근본적인 구성 요소에서 시작하여 그것들이 어떻게 특정 기능들을 수행하는 구조들로 조직화하는지 살펴보겠다. 뇌가 어떻게 작동하는지 이해하기 위해서는 먼저 뇌를 구성하는 세포의 핵심 성질을 이해해야 한다. 모든 뇌 활동은 뉴런이라 불리는 특수 세포들의 작용에 달려 있는데, 뉴런은 감각 기관이나 다른 뉴런으로부터 신호를 받고, 그 신호를 처리하고, 신호를 근육이나 기관, 다른 뉴런으로 보내는 세포이다. 뉴런은 신경계의 기본 단위이며 뇌와 신경계 전반에 위치한다. 신경계는 뉴런, 그리고 뉴런과 함께 작용하는 다른 세포로 이루어진 조직화한 연결망이다. 뉴런은 많은 면에서 컴퓨터와 같다. 뉴런은 입력받고, 이를 조작하고, 출력을 생산한다. 뇌에는 대략 천억 개의 뉴런이 있다. 뉴런은 그 기능에 따라 세 가지 종류로 나뉜다. 감각 뉴런은 감각 기관으로부터의 신호에 반응하고 그 신호를 뇌와 척수의 다른 뉴런으로 전달하도록 특화되었다. 반면 운동 뉴런은 뇌와 척수로부터 운동을 통제하기 위해 근육으로 신호를 보내도록 특화되었고, 중간 뉴런은 감각 뉴런과 운동 뉴런을 연결하거나 다른 중간 뉴런들을 연결한다. 뇌에 있는 뉴런은 대부분 중간 뉴런이며 대부분의 중간 뉴런은 또 다른 중간 뉴런에 연결되어 있다. 뉴런은 뇌 회로로 조직화하여 있는데, 이것은 다른 뉴런이나 감각 기관으로부터 입력받고 입력받은 정보를 어떤 식으로든 조작하고, 특수한 출력을 생산하기 위해 함께 작동하는 뉴런들의 집합을 말한다. 심리적 사건들과 그 사건들이 뇌 손상 후에 어떻게 방해받을 수 있는지를 이해하기 위해서는 뉴런의 구조에 대한 몇 가지 사실들을 알 필요가 있다. 뉴런의 중심 부위는 세포체라 불린다. 여느 세포와 마찬가지로 뉴런은 세포의 기능을 조절하는 핵과 세포를 둘러싸고 있는 피부인 세포막을 가지고 있다. 뉴런에서 신호를 내보내는 쪽을 축삭이라 하는데, 이는 세포체로부터 뻗어 나온 긴 전선과 같은 구조로써 축삭을 따라 신호가 다른 뉴런, 근육, 신체 기관으로 이동하게 된다. 비록 각 뉴런은 축삭을 하나씩만 가지고 있지만 대부분의 축삭은 많은 가지로 나뉘며 그 끝을 종말이라 부른다. 이러한 가지치기 덕분에 각 뉴런은 여러 장소로 한 번에 정보를 보낼 수 있다. 종말 끝에는 뉴런 사이의 공간으로 화학 물질을 분비하는 혹 같은 구조인 종말 단추가 있다. 뉴런은 액체로 둘러싸여 있으며 그 안의 화학 물질에 의해 영향을 받는다. 뉴런은 하나의 축삭을 가지고 있지만 일반적으로 많은 수신 통로를 가지고 있다. 신호를 받는 쪽은 수상돌기로 이루어져 있다. 이 명칭은 나무를 뜻하는 그리스어에서 유래하는데 수상돌기의 모양을 보면 말이 된다. 수상돌기는 다른 뉴런의 축삭으로부터 정보를 받는다. 비록 축삭이 다른 뉴런의 세포체로 직접 연결되기도 하지만 보통 이러한 연결은 한 뉴런의 축삭으로부터 다른 뉴런의 수상돌기로 이루어진다. 뉴런은 휴지 중이거나 다른 뉴런으로 신호, 즉 출력을 보내는 상태에 있다. 휴지 중일 때 뉴런의 내부는 음전하를 띤다. 이러한 음전하를 안정 전위라고 부른다. 이 전위는 세포 내외의 이온 분포 때문에 일어난다. 이온은 양전하 또는 음전하를 띄는 원자이다. 휴지기에 양전하를 띈 이온은 뉴런 내부보다 외부에 더 많고, 음전하를 띤 이온은 뉴런을 둘러싼 액체보다 내부에 더 많다. 뉴런은 수상돌기가 다른 뉴런으로부터 적절한 입력을 받을 때 발화한다. 이때 축삭을 둘러싼 세포막에 있는 채널이라 불리는 매우 작은 구멍들이 열린다. 이 채널들이 열리면 이온이 복잡하게 오고 가는데 어떤 이온은 주위의 액체에서 세포 안으로 흘러 들어가고 어떤 이온은 세포 내부로부터 주위의 액체로 흘러나온다. 이러한 이온의 교환은 축삭 내부의 전위를 변화시킨다. 이 교환 과정은 세포체에 연결된 축삭 부위로부터 시작해서 마치 도미노가 무너지듯 축삭의 끝을 향해 이동하며 결국 종말 단추가 화학 물질을 분비하게 한다. 일반적으로 이 화학 물질은 다른 뉴런의 입력 신호 기능을 한다. 축삭을 타고 내려가는 저위의 변화를 활동 전위라고 한다. 활동 전위는 실무 규율을 따른다. 만약 뉴런이 충분한 입력을 받으면 뉴런이 발화하고 종말 단추로부터 화학 물질이 분비된다. 활동 전위는 일어나거나 일어나지 않는다. 많은 뉴런은 화학반응 뉴런이 초기화되어 충분한 입력을 받으면 다시 발화할 수 있으므로 초당 부 백 번 발화할 수 있다. 그런데도 뉴런이 활동 전위를 생산하고 신경전달물질을 분비하고, 결국 다는 뉴런에 영향을 주기 위해서는 어느 정도의 시간이 필요하다. 대부분의 축삭은 축삭을 따라 충동이 효율적으로 이동하는 것을 돕는 지방질인 수초로 덮여 있다. 수초는 구리 선을 감싸고 있는 절연제 같은 것으로 전기 흐름이 더 효과적으로 전달될 수 있게 한다. 다발성 경화증은 수초의 중요성을 보여주는 여러 장애 중 하나이다. 다발성 경화증에서 수초는 약화하였으며 이는 그 뉴런에서 활동 전위가 축삭을 따라 내려갈 때 비틀거리게 한다. 다발성 경화증이 있는 사람들은 사지 감각의 손상, 시력 상실, 마비 등을 경험할 수 있다. 이는 아마도 자가면역의 문제일 것이다.
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