제1강 (2021.10.17) 뇌와 혈액

 

#0

이번 뇌과학 강의는 그간 피질 위주로만 다루었다면 브레인의 시상하부와 자율중추, 혈액시스템으로 간다. 공부를 할 수록 분자식에 확신이 생긴다. 지난 정회원목요특강에서 “뇌는 실체를 보지 않도록 진화한다”라는 동영상을 보았다. 우리는 실체를 보지 못하지만 분자식은 실체이다.

 

사고실험을 했다. 새벽에 괴한이 들어와서 침실에 구멍을 뚫고 공기를 빼내면 어떻게 될까? 답은 질식해 죽는다. 그런데 황당하다. 산소는 냄새도 없고 보이지 않고 소리도 없다. 공기는 질소가 대부분이라 압력차도 거의 느끼지 못한다. 그러나 죽기 전에 몸부림칠 것이다. 답답함 느끼면서 두리번거리며 원인을 찾다가 기절할 것이다. 5분내에 일어난다. 온몸으로 반응할 정도로 아는 것은 무엇인가? 감각이 아닌데 현상은 명확하다. 어떻게 알까? 온몸이 처절하게 안다. “산소가 없어진 것을 온몸이 어떻게 알지?” 혈액에 관한 문제이다. 산소가 허파꾀리로 들어와서 피에 녹아 전신을 순환하는데 어떻게 알지? 모든 것이 혈액과 관련된다. 뇌혈관장벽(blood-brain barrier: BBB) 이야기이다. 보이지 않고 냄새나지 않는데 일어나는 반응 중 토하는 것도 놀라운 현상이다. 몽골초원 가서 8월에 야영하면 아침에 찬바람 노출되면 오돌돌 떤다. 왜 추우면 몸이 떨릴까? 체온 올리기 위한 것이라고 알고 있는데, 왜 그렇게 되는 것일까? 하품도 마찬가지다. 산소 없으면 발악하는 모든 현상, 모두 혈액과 관련된다.


#1

뇌 단면의 개념도를 변형해서 언제든지 그릴 수 있게 하였다. 개괄도지만 정확한 그림이다. 뇌량(corpus callosum) 밑에 제3뇌실(3rd ventricle)이 있다. 제1, 2뇌실은 구분하지 않고 좌우대칭으로 측뇌실(lateral ventricle)이라고 한다. 제4뇌실은 뇌간(Brain stem)에 있다. 제3뇌실 앞쪽에 SFO(subfornical organ), MPO(median preoptic), OVLT(organum vasculosum lamina terminalis) 영역이 있고, 가운데에 PVN(paraventricular nucleus) 영역이 있다. 뇌간으로 와서 뒤쪽에 PBN(parabrachial N.), AP(area postrema), DMV(dorsal motor nucleus of the vagus), NTS(nucleus tractus solitarii) 영역이 있고, 앞쪽에 RLVM(rostral ventrolateral medulla) 영역이 있다.

 

뇌간에 위치한 혈관에서 혈장이 빠져나오면 AP에서 검출한다. AP는 화학센터(Chemo-center)이다.  AP를 거친 혈장은 PBN을 거쳐 SFO로 전달된다. 제3뇌실 앞쪽을 흐르는 혈관에서 혈장이 또한 SFO와 OVLT로 들어간다. SFO에 들어온 혈장은 PVN을 거쳐 RVLM으로도 가고 다시 AP로 가서 순환루프를 만든다.

 

NTS(고립로핵)는 맛, 압력, 내부장기, 온도를 조절하는 미주신경의 감각핵이다. 내부장기에서 온 신호는 미주신경을 통해 NTS로 전달되고 다시 AP를 거쳐 호흡중추인 RLVM으로 전달된다.  SFO로 들어온 혈장은 MPO로 가서 열(fever)을 나게 한다. 열 받는 것도 혈류에서 체크한다. 얼굴 붉어지는 것은 혈압이 높아진 것이다. PVN의 혈장은 뇌하수체 후엽으로 가서 호르몬인 AVP(arginine vasopressin)를 분비하게 한다. 그러면 혈압이 높아지고, AVP는 혈류를 타고 콩팥의 집합세관(collecting tube)로 간다. DMV에서는 토함(vomit)을 일으킨다.

 

이번 8번 강의에서 이 구조가 핵심이다. 내 몸의 모든 정보는 혈장으로 들어가 유일하게 분자를 검문하는 곳으로 혈액을 브레인이 체크할 수 있는 영역이다. 살려고 몸부림 치는 센터이다.

 

혈액과 브레인이 무슨 관계인가? 브레인이 혈액성분을 어떻게 알까? 90%는 차단하는데 여기만 문을 열어놓았다. 얼굴이 벌개지는 것은 감정영역에서 시상하부로 보내면 혈류가 달라지기 때문이다. 화가 나면 땀이 나고, 숨이 가빠지고, 얼굴이 벌개진다. 혈류에 코르티졸(Cortisol)이 나오기 때문인데, PVN에서 모니터링 하고 호흡중추인 RLVM으로 보내니 숨이 가빠지고 땀이 난다. 루프를 그리며 24시간 돌아가며 모니터링한다. 기분 나빠지면 배가 아픈 이유도 혈류에서 온 신호가 미주신경을 통해 내부장기로 가기 때문이다. 혈류와 브레인의 밀접한 연결이다. 우리가 의식 못하는 자율중추, 기분이 안좋은 것, 속이 메스꺼운 것, 답답한 것, 이 모든 이야기가 혈류와 뇌의 상호작용이다.

 

혈액을 탄다는 것은 전신으로 간다는 것이다. 그러나 뇌에는 위험한 물질이 들어오면 안되기에 혈관과 브레인 사이에 못 들어오게 막아놓은 곳이 뇌혈관장벽(blood-brain barrier: BBB)이다. 항생제는 뇌가 몰라도 되지만 코르티졸은 뇌가 모르면 목석같이 되어서 놀라도 얼굴표정 바뀌지 않는다. 그래서 코르티졸, 인슐린, 산소, 이산화탄소 등 몇몇 물질은 농도를 실시간으로 모니터링해야 생존할 수 있기에 뇌 몇 군데만 BBB를 열어놓는다. 회로를 돌기에 자는 동안에도 모니터링되고 만일 산소농도가 떨어지면 답답함을 느끼며 일어나서 두리번거리는 것이다.


#2

이제 피가 뭔가? 궁금해진다.

 

피(Blood)는 혈장(Plasma)과 혈구(Formed element)로 나뉜다. 혈장이 55%, 혈구가 45%의 부피를 차지한다. 혈장은 단백질(protein)과 물(water), 용질(solute)로 나뉘고, 혈구는 혈소판(platelet), 백혈구(leukocyte), 적혈구(erythrocyte)로 나뉜다. 혈구는 적혈구가 99%이고, 백혈구는 0.2% 수준이다.

 

단백질은 알부민(albumin) 55%, 글로브린(globulin) 40%, 피브리노겐(fibrinogen) 4%, 프로스롬빈(prothrombin) 1%로 구성되어 있다.

 

용질은 이온(Ion), 가스(gas), 영양소(nutrient), 호르몬(Hormone), EPO(Erythropoietin), RAA(Renin-Angiotensin-Aldosterone) system이 있다. 이온에는 Na+, Cl-, HCO3-, H+, Ca2+가 있다. 가스는 CO2, O2가 있다. 영양소는 glucose, amino acids, fatty acids, vitamins, minerals가 있다. 호르몬은 혈액을 통해 전달되어 전신에 동작하는 물질로 Cortisol, insulin 등이고, 우리가 먹는 약물도 호르몬으로 작용한다. EPO는 적혈구를 생성해주는 물질이다. 초당 300만개를 생성하는데, 고산지대에 가면 하루 만에 적응하여 10배인 3000만개를 생성할 수 있다. 고산지대, 빈혈, 콩팥에서 혈압이 떨어질 때 EPO가 많이 나온다. RAA system은 항상 정상혈압을 유지해주는 시스템이다.

 

백혈구(leukocyte)에는 호중구(neutrophil)가 70%, 림프구(lymphocyte)가 20%, 단구(monocyte)가 5%, 호산구(eosinophil)가 4%, 호염구(basophil)가 1%를 차지한다. 백혈구의 평균수명은 6시간이다. 호중구는 혈관 빠져 나가면 다시 돌아오지 못하고 고름과 코딱지가 되어 장렬히 전사한다. 림프구를 연구하는 학문을 면역학이라고 한다. 림프구에는 T-cell, B-cell, NK-cell이 있다. T-cell 중 Tc는 자객, Th는 훈련조교이다. Th는 T1, T2, T17, Treg가 있다. B-cell은 naïve B와 memory B가 있는데, memory B가 만드는 단백질인 IgA, IgE, IgG를 항체(antibody)라고 한다. 단구는 Dendrocyte와 Macrophage가 있다. Dendrocyte는 훈련조교를 양성하는 훈련소장이다. 피부에서 림프절로 이동하여 T와 B-cell을 훈련시킨다. Macrophage는 혈류를 타고 순찰하는 경찰인데, 브레인에 상주하는 경찰을 Microglia, 간에 상주하는 경찰을 Kupper cell이라고 한다. Kupper cell은 변형된 적혈구도 부수어 오줌으로 배출하므로 오줌색깔이 노랗게 된다. 적혈구는 1초에 300만개 생성되는 만큼 부수어진다. 메인은 지라에서 파괴되고 Kupper cell에서는 보조적으로 파괴를 한다. 호산구는 알러지(allergy)를 일으키고, 항기생충(anti-parasite) 작용을 한다. 호염구는 히스타민(histamine)을 방출하고, 항응고제인 헤파린(heparin)을 분비한다.

 

적혈구(erythrocyte)가 만들어지는데는 1주일이 걸린다. 혈구모세포(Hematoblast)는 골수줄기세포(myeloid stem cell)에서 적아세포(erythroblast)를 만든다. 이때는 핵도 있고 미토콘드리아도 있다. 다음으로 망상적혈구(reticulocyte)에서 헤모글로빈 80%를 생성하면서 2일을 머물고 성숙된 적혈구가 된다.

 

혈액 1cc당 적혈구는 500만개, 혈소판은 30만개, 백혈구는 8천개가 있다. 백혈구가 5천개 미만이면역력이 저하된다.


#3

적혈구(erythrocyte) 속의 구조를 알고 싶었다. 혈액학 교과서 수준에서 알 수가 없다. 혈액에 관한 제대로 된 과학 단행본이 없다. 혈액이 중요한데도 제대로 된 책을 찾을 수 없었다. 그래서 논문으로 찾은 내부구조를 소개한다. 정답은 의외로 간단하다. 모든 것을 비운 것이다. 직경은 7μm이고 적혈구 1개당 헤모글로빈은 2억8천만개가 있다.

 

적혈구 세포막에는 4개의 채널이 있는데, 분자레벨의 물이 드나드는 Aquaporin AQ1, 3K+가 들어가고 2Na+가 나오는 Na-K pump, H+가 들어가고 Ca2+가 나오는 Calcium pump, Cl-가 들어가고 HCO3-가 나오는 Chloride shift 가 있다.

 

적혈구의 인지질막에서 채널구조를 자세히 그려보면 인지질막 내부로 내린 다리에 Hb, Met Hb, aldolase, Phosphofructokinase, G3P dehydrogenase가 붙어 있다. G3P dehydrogenase는 해당작용의 핵심효소이다. Ankyrin이 다리를 감씨고 있고 그 아래 spectrin α, β dimer로 망상구조를 만들어 적혈구 모양을 유지한다. 또한 인지질막의 GluT1으로 글루코스가 들어와서 2ATP를 생성한다. 또한 당단백질(glycoprotein)이 박혀 있는데, 당사슬은 시알산(sialic acid)으로 되어 있다.

 

우뭇가사리에 전기를 띠는 입자를 넣고 전압을 걸어서 이동하는 속도의 차이로 초기 단백질분리 연구를 하였고 그 이름이 반영된 것이 Band3이다. 적혈구의 Band3는 spectrin이 ankyrin에 연결되어 만들어진다.

 

브레인이 에너지를 가장 많이 쓰는데 글루코스를 시간당 4g을 쓰므로, 하루 100g의 글루코스를 소모한다. 적혈구는 시간당 2g을 쓰므로 브레인의 절반이다. 적혈구는 미토콘드리아가 없는데도 이 정도를 쓴다는 것은 뇌보다도 더 많이 쓰는 것이다. 또한 적혈구가 우리 몸 세포의 절반이고 에너지도 TCA없이 해당작용으로만 쓴다. GluT1으로 글루코스 들어와서 2ATP를 생성하여 사용한다.

 

적혈구가 초당 300만개 생성되므로, 하루에는 3000억개가 생성된다. 적혈구 수명이 100일이므로 30조개가 우리 몸에 있다고 하면, 몸 세포 60조개 중 절반을 차지한다.


#4

적혈구는 어디서 어떻게 만들어지는가? 골수에서 만드나? 그럼 모든 뼈에서 만드나? 어느 뼈에서 만드나? 몇 달을 자료 찾아서 발견하여 알려주는 기쁨을 누린다. 이 도표 하나면 끝난다. 적혈구생성(Erythropoiesis) 도표이다.

 

적혈구는 임신하자마자 난황(York sac)에서 100% 만들어져서 3개월 동안 급격히 감소하여 0%가 된다. 이를 대체하는 것이 간(liver)인데, 1개월째부터 생성이 증가하다가 5-6개월에 70% 정도로 최고치를 보이다가 10개월인 출산 전까지 감소한다. 비장(spleen)에서도 2개월~7개월 사이에 생성한다. 림프절(Lymph node)에서는 4개월째부터 만들기 시작하여 평생 30% 정도의 생성을 지속한다. 또한 4개월째부터 경골(tibia)과 비골(fibula), 갈비뼈(rib), 흉골(Sternum), 척추(vertebra)와 골반(Pelvis)에서 만들어지기 시작하여 점점 증가하다가 출생 후에 경골은 20살때까지 감소하여 0%가 되고, 비골은 30살까지 감소하여 0%가 되고, 갈비뼈는 감소하다가 30%를 유지하고, 흉골은 감소하다 50%를 유지하고, 골반과 척추는 70%를 유지한다.


#5

헤모글로빈(Hb) 포화곡선이다. X축은 산소의 분압(O2 mmHg)이고 Y축은 산소포화친화도(O2 saturation affinity)이다. 미오글로빈(Myoglobin)은 산소포화친화도가 높다. PH가 증가하거나 이산화탄소가 증가하거나 2,3-BPG(Bisphosphoglyceric acid)가 증가하면 그래프가 오른쪽으로 이동하여 산소가 쉽게 분리된다. 일을 많이 하면 TCA회로가 빠르게 돌아가서 H+와 CO2가 많이 생성되고 그러면 산소가 헤모글로빈에서 잘 분리되어 세포로 많이 들어온다. 해당과정의 1,3-BPG는 효소작용으로 2,3-BPG가 되면 산소방출능력이 26배 증가한다. 이것이 고산지방에서 살 수 있는 이유이다.

 

대기중에 산소분압은 760mmHg의 21%인 150mmHg이다. 허파꽈리에서는 산소분압이100~95mmHg이고, 조직으로 가면 40mmHg가 되어 약 60mmHg의 분압차로 산소가 조직으로 확산되고, 이산화탄소는 허파꽈리에서 40mmHg, 조직에서 46mmHg 이므로 6mmHg의 분압차로 이산화탄소가 허파과리로 확산되어 가스교환이 일어난다.

 


#6

다음은 모세혈관이다. 모세혈관의 70%가 다리에 있다. 그래서 체력에는 하체관리가 중요하다.

 

대동맥은 가장 큰 것이 25mm이다. 작은 창자 단면만 하다. 대동맥(aorta)은 직경이 25mm~10mm이다. 동맥(artery)은 10mm~0.1mm, 세동맥(arteriolar)은 0.1~0.009mm이다. 모세혈관을 거쳐 정맥으로 가면 세정맥은 0.005~0.1mm, 정맥은 0.1~10mm, 대정맥은 10~15mm이다. 동맥에서 혈류속도는 500mm/s이고 정맥에서는 250mm/s이다. 모세혈관에서 10% 혈류는 림프시스템으로 빠져 나간다.

 

모세혈관 가지친 것은 70억개이다. 모세혈관의 가지 길이는 0.5mm이다. 모세혈관의 가지 70%는인 50억개가 다리에 있다. 모세혈관 혈류속도는 0.28mm/s이다. 모세혈관 통과시간은 0.5/0.28 = 약 2초이다. 2초가 모세혈관과 세포 간에 가스교환이 일어나는 시간이다.


#7

호흡을 관장하는 신경핵을 그려보자. 소뇌각 아래의 등쪽 연수(medulla)부분이다.

 

연수 등쪽 양쪽에 1개씩 등쪽호흡군(respiratory dorsal group)이 있고, 가운데에 중추화학수용체(Central chemoreceptor)가 있다. 배쪽에 양쪽에 2개씩 배쪽호흡군(respiratory ventral group)이 있다. 또한 배쪽호흡군에는 주변화학수용체(peripheral chemoreceptor)인 pre-Bötzinger complex (preBötC)가 있다.

 

뇌교(Pons) 영역 위쪽에 호흡조정중추(Pneumotaxic center)가, 아랫쪽에 지속흡식중추(Apneustic center)가 있어 배쪽호흡군과 함께 들숨과 날숨의 호흡리듬을 조절한다.

 

요약하면, 호흡은 간단치 않다. 전달하고 싶은 것은 호흡이든, 당뇨든, 고혈압이든, 감정이든 인체에서 일어나는 90%는 피와 관계된다. 적혈구 안에서 일어나는 해당작용의 차이는 2,3-BPG로, 조직에서 산소방출능력이 26배나 뛰어나다. 산소호흡은 60mmHg 산소분압 만큼의 여지가 있다. 답은 운동이다.


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