뇌간(Brain stem) 그림은 브레인 공부의 50%이다. 이것을 기본으로 하고, 지난 시간 그림과 오늘 그리는 그림은 순서대로 공부해야 한다.

제2강의 1번은 집합관계이다. 감각입력의 하이라키를 보여준다. 대뇌피질로 올라오는 모든 감각을 뇌간 중심으로 그린 것이다. 레벨을 맞추어서 보면 된다. 여기서 시각과 청각은 일부이다. 시각보다 10배이상 중요한 감각이 혈액을 통해서 온다. 미각도 중요하다. 미묘하다. 청양고추의 매운 맛은 통각이다. 미각의 범위가 동물 전체에서 넓다.

2번은 PAG만 떼 낸 그림이다. 전전두엽의 스트레스를 관리한다. 감정적 스트레스가 핵심이다. DL-PAG와 I-PAG로 구분하고, 연수(Medulla)에 대부분 정보가 연결된다. 결론은 교감과 호흡을 따라간다는 것이다.

3번은 호흡을 따라간 것이다. 호흡을 거시적으로 보는 도표이다. 가슴의 움직임은 척수전각 여러개가 관여하고 호흡의 30%, 횡경막 움직임은 척수전각의 경추 3, 4, 5번이 관여하고 호흡의 70%이다. 피질과 시상하부, 뇌간이 다 들어가고, 경동맥체와 경동맥동이 실시간 정보를 준다.

4번은 혈액과 호흡이 어떤 관계가 있는지를 보여준다. 호흡은 마지막에 혈관사이즈로 바뀐다. 고립로핵(NTS)은 혈액중에 있는 모든 화학정보의 모임이다. 여기에 더하여 구강, 균형감각, 근방추, 피부 정보가 들어가는 수용기가 있다. 피부에는 피부혈관이 변화한다.

5번은 고립로핵만 따로 떼어냈다. 맛, 혈압, 호흡, 내장감각이 들어가고, 7,8,10번 뇌신경이 관여한다.

6번은 고립로를 보여준다. 9번신경의 petrosal gangalia가 있고, 10번 신경의 nodose gangalia 가지가 대동맥에 흩어져 있다. 고립로에서 핵이 2차~n차로 시냅스 된다. 또한 셀프-피드백도 된다. 척추의 뉴런 간에 주로 셀프-피드백을 하는데, 훈련과 관계된다. 그래서 박지성이 본능적으로 알고 공을 따라갈 수 있는 것이다. 이러한 셀프-피드백이 고립로핵에도 있다. 따라서 지난 목요특강에서 소개한 책 <호흡의 기술>이 나온다. 초보자와 훈련자의 수준이 하늘과 땅 차이다. <호흡의 기술>은 경동맥체와 편도체의 상호통신의 선을 끊어주는 것으로 보통 사람은 할 수 없다. 저자는 이산화탄소 농도가 8%만 되도 위험한데, 30%로 초죽음 되고서도 또 한번을 하였다. 위험신호 보내도 “나는 당황하지 않겠다”는 선택을 할 수 있는 것은 훈련에 관한 것이기 때문이다.

7번의 의문핵은 다미주이론의 핵심이다.

뇌간 그림 중 고립로핵과 의문핵의 난이도가 90%이다. 경동맥체에는 줄기세포가 있어 암이 많이 생긴다. 코로나19 걸리면 호흡이 급해지는 것에 대한 가설논문이 나왔는데 코로나19가 경동맥체를 침범했을 가능성이 있다고 한다. 왜 환자가 숨이 막히는가? 경동맥체를 침범하면 공포스럽게 호흡이 막혀 죽는다. 경동맥체가 구체적으로 산소농도와 이산화탄소농도를 어떻게 모니터링하는가는 다 밝혀지지 않았다.

순서설계에 1주일이 걸렸다. 어떤 순서로 호흡이 되는가를 따라오면 된다. 순서는 첫 번째가 PAG를 장악하고 두 번째 고립로핵(고립로핵은 감각성, 의문핵은 운동성), 세 번째는 RVLM, 4번째는 척수의 IML, 5번째는 교감기둥이다. 하이라키 정확히 이해하면 안 어렵다. 오늘도 하이라키에 올인한다. 공부는 무작정 하면 안된다. 자기가 프레임을 만들어 보아야 한다. 호흡이 허파꾀리로 들어오고서 순서가 있다. PAG에서 교감과 호흡으로 가고, 호흡에서 NTS가 처리하는 감각이 화학으로 액체상태 혈액이다. 혈액에는 이산화탄소, 산소, 글루코스, 인슐린이 포함되고, 호흡에 직접적인 것은 이산화탄소와 산소이다. RVLM은 중간기착점이고, 최종은 근육움직임으로 신경은 척수의 IML에서 나온다.

이번 시간도 6개 그림의 하이라키를 기억해야 한다. 당나라 시인 장적(張籍)의 추사(秋思)라는 시에 “행인임발우개봉(行人臨發又開封)”이라고 하였다. 중국낙양의 가을 풍경이 너무 아름다워 혼자 즐기기가 아까워 글로 묘사한 편지를 절친에게 보내다가 다시 행인을 불러서 부족한 게 없나 다시 편지를 열어 확인한다는 가을을 묘사하는 절문이다. 오늘 내 심정이 그러하다. 오늘은 경동맥체(carotid body)를 확실히 알아보자. 최근에 밝혀지기 시작했다. 인간의 호흡을 이제야 알기 시작했다.

넘버원 지식이 있다. 처음 그림이 중요하다. 호흡의 허파꽈리와 조직에서 일어나는 산소와 이산화탄소의 교환그림이다. 산소는 헤모글로빈이 나르는데, 이산화탄소는 어떻게 실어 나르는가? 깊게 생각해보아야 한다.

조직세포(tissue)에서 이산화탄소가 조직의 모세혈관으로 빠져 나가는데, 3가지 길이 있다. 첫번째는 10%를 차지하며, 혈장으로 녹아들어가는 것이다. 두번째는 70%를 차지하는 것으로, 적혈구에 들어가서 물(H₂O)과 결합하여 탄산(H₂CO₃)이 되었다가, “곧장” 분해되어 양성자(H⁺)와 탄산수소이온(HCO₃^-)으로 된다. 여기서 “곧장” 분해된다는 것이 중요하다. 곧장 분해된 탄산수소이온은 염소전환(chloride shift)을 통해 혈장으로 들어가고 염소는 헤모글로빈으로 들어온다. 세번째 경로는 20%를 차지하고, 적혈구로 들어와서 헤모글로빈(Hb)과 결합하여(HbCO₂)가 되어 허파꽈리로 이동한다.

산소는 헤모글로빈과 결합하여(HbO₂) 조직의 모세혈관으로 와서 해리곡선에 따라 조직세포가 필요한 만큼만 산소를 내려준다. 그러면 남은 헤모글로빈(Hb)은 탄산이 탄산수소이온으로 분해될 때 나오는 양성자(H⁺)와 결합한다.

대륙과 대양과 대기에서 가장 중요한 수식이 CO₂+H₂O->H₂CO₃->H⁺+HCO₃^- 이다. HCO₃^- 는 중탄산염이 되는데, 불자는 “관세음보살”이라고 심어주어야 할 만큼 중요하다.

날숨에 대한 가정이 틀렸다. 이산화탄소(CO₂)에 대한 직관이 틀렸다. 이산화탄소는 내보내지 않는다. 이산화탄소가 포도씨라면 내가 먹은 포도씨는 바로 내뱉지 않고 99번 몸속을 돌다가 나간다. 그것이 HCO₃^- 이다. HCO₃^- 는 바로 뱉지 않고 혈장으로 보내서 일을 하는데 중화제 역할을 한다. 염소전환으로 적혈구로 들어온 염소(Cl)는 양성자와 만나서 염산(HCl)이 되어 위산의 성분이 된다.

산소(O₂)는 손님이다. 왔다가는 존재이다. 이산화탄소(CO₂)가 주인이다. 산소는 손님이라 조심해야 한다. 잘 대우 안해주면 강도가 된다. 그것이 활성산소이다. 손님은 조용히 왔다 가든지 강도가 되든지 한다. 다세포생물만 산소를 손님으로 맞는다. 박테리아는 산소와 아예 상종을 안한다.

다음은 허파꽈리에서 적혈구로 이동된 이산화탄소를 내보내는 과정이다. 염소전환(chloride shift)으로 혈장으로 나간 탄산수소이온(HCO₃^-)은 다시 염소전환으로 염소가 나가고 탄산수소이온이 적혈구로 들어와서 반대과정으로 수소와 결합하여 탄산(H₂CO₃)이 되고, 다시 물과 이산화탄소로 분리되어 이산화탄소는 모세혈관을 통해 허파꽈리로 내보내진다. 또한 헤모글로빈과 결합한 이산화탄소(HbCO₂)는 헤모글로빈과 분리되고 허파꽈리로 나간다.

허파꽈리의 산소는 적혈구로 들어와서 헤모글로빈과 결합하여 HbO₂가 되는데, 이때 헤모글로빈은 양성자와 결합(HHb)하였다가 분리된 헤모글로빈이 사용된다. 또한 산소는 혈장에도 5% 녹아든다.

호흡이 왜 다층적인가? 혈액과 링크되어 있기 때문이다. 연수의 호흡핵을 살펴보자. 연수의 호흡핵은 배쪽호흡군(VRG, Ventro respiratory group)과 등쪽호흡군(DRG, dorsal respiratory group)으로 나뉜다.

배쪽호흡군에는 복외측연수(VLM, ventrolateral medulla)와 의문핵(NA, nucleus ambiguous)이 있다. VLM은 문측(Rostral)의 RVLM에 Bötzinger complex(BötC)와 가운데(intermediate)의 pre-Bötzinger complex(pre-BötC)와 꼬리(caudal) 부위로 나뉜다.

복외측연수(VLM)의 문측(rostral)에서 꼬리(Caudal)로 신경이 연결되고 꼬리에서 날숨(expiratory)과 늑간근(intercostal membrane), 복근(abdominal muscle)으로 신경이 나간다. 복외측연수(VLM)의 가운데(intermediate)에서는 2개의 신경이 나가는데, 하나는 경추 3, 4, 5번을 통해 횡경막 신경(Phrenic nerve)으로 가서 황경막(diaphragm)을 움직인다. 다른 하나는 들숨(inspiratory)과 늑간근(intercostal muscle)을 조절한다.

등쪽호흡군(DRG)에서도 2개의 신경이 나와서 하나는 횡경막 신경(Phrenic nerve)을, 하나는 들숨(inspiratory)과 늑간근(intercostal muscle)을 조절한다. 등쪽호흡군은 들숨만, 배쪽호흡군은 들숨과 날숨을 조절한다

의문핵(NA)에서는 5번 삼차신경(trigeminal), 7번 안면신경(facial), 9번 혀인두신경(glossopharyngeal), 10번 미주신경(vagus), 11번 부속신경(accessory)과 연결된다. 호흡하려면 의문핵의 배쪽운동성분(VMV, ventro motor vagus)과 연결되어 입을 벌리고(5번신경), 침이 나오고(7번신경) 해야 한다.  연수 가운데에는 12번 설하신경(hypoglossal)으로 연결된다.   

호흡과 혈액이 무슨 관계인가? 호흡을 하고 싶다는 것을 어떻게 알게 되나? 피를 통해서이다. 기계적인 호흡에 공기 따라 달라지고 감정 따라 달라진다. 경동맥체(carotid body)는 눈보다 더 중요하다. 혈액의 모든 화학물질 정보를 본다.

심장과 대동맥과 경동맥을 모식도로 그린다.

고립로핵(NTS)에서 10번 미주신경은 대동맥체(aorta body)에 뿌리를 내린다. 9번 혀인두신경은 추체신경절(petrosal ganglion)을 형성하고, 경동맥체(carotid body)와 경동맥동(carotid sinus)에 뿌리를 내린다.

의문핵(NA)에서 신경은 척수의 중간외측기둥(IML, intermediolateral column)으로 가서 하나는 혈관크기를 조절하고 다른 하나는 교감기둥(sympathetic trunk)으로 간다. 교감기둥에서는 교감신경이 나가서 동방결절(SA node)과 방실결절(AV node)을 자극한다. 의문핵에서 다른 신경은 부교감신경으로 가서 동방결절(SA node)과 방실결절(AV node)을 억제한다.

경동맥동(carotid sinus)을 자세히 그린 것이다. 엘라스틴 섬유(elastin fiber)로 되어 있고, 추체신경절(petrosal ganglion)을 형성한 9번 혀인두신경이 자유로운 말단(free ending)의 뿌리를 내리거나 캡슐로 쌓여진(encapsuled) 신경말단을 내리고 고립로핵(NTS)으로 보내져서 혈압을 느낀다.

공부는 계기를 만나야 한다. 계기를 만나면 어떤 학문도 어렵지 않다. 알고 싶은 욕망을 키우는데 실패해서 공부를 못하는 것이다. 죽고 사는 문제를 당해보면 확 달라진다. 용인에서 70-80대 노인들 대상으로 치매 강의를 했더니 눈물을 흘리고 강의한 것을 모두 노트에 그렸다. 자기가 당하는 문제이기 때문이다. 어려운 것은 없다. ‘알고 싶은 욕망’이 도달 못했을 뿐이다. 머리만 좋다고 해서 오래 공부 못한다. 다산 정약용이 유배 시 천자문도 모르는 노인이 찾아와서 배우고 싶다 하여 수제자를 삼았고 그 노인은 60대부터 공부하여 학자가 되었다.

호흡이 도대체 뭔가? 총괄적으로 다시 본다. 갈비뼈 들썩이고 횡경막 움직인다. 호흡에 결정적인 것은 이산화탄소이다. 중추화학수용기(Central chemoreceptor)에는 이산화탄소 밖에 없다.

호흡중추(respiratory center)의 중추패턴생성기(CPG, Central patter generator)는 교번작용을 하는 전압순서패턴을 만든다. CPG에서 척수(spinal cord)로 내려가고, 척수에서 호흡근육(respiratory muscle)으로 내려간다. 또한 CPG에서 직접 7번 안면, 9번 혀인두, 10번 미주, 11번 부속, 12번 설하신경을 통해 호흡근육으로 내려간다. 호흡근육에서 다시 척수로 올라오는 정보는 학습에 의한 것이다.

호흡근육은 늑간근(intercostal), 횡경막(diaphragm), 호흡관(trachea)으로 연결되어 기계적 운동을 한다. 여기서 산소와 이산화탄소를 환기(ventilation)시키고, 이산화탄소, 산소, PH정보는 주변화학수용기(peripheral chemoreceptor)로 들어가서 경동맥체는 9번 혀인두신경으로, 대동맥은 10번 미주신경을 통해 고립로핵(NTS)의 감각통합(Sensory integration)으로 들어간다. 고립로핵의 감각통합에서는 호흡중추의 CPG로 들어간다.

여기까지는 자동으로 돌아간다. 그래서 동물이다. 인간이 되려면 고차중추신경계(higher central nervous system)가 척수에 바로 붙어서 학습이 일어난다. 학습은 근육에서 척수로 들어간다. 왜 죽는가? 실재로 안 죽는다고 확신 가지면 안 죽는다. 근육에서 학습을 통해 바로 고립로핵(NTS)으로 들어가기 때문이다. 늑간근, 횡경막, 호흡관에서도 10번 미주신경을 타는데 학습하는 고립로핵(NTS)을 만들어준다. 그 사람의 경험에 따라 달라진다. 그래서 앎이 힘이다.

호흡이 기가 막히다. 미묘하게 정서가 가미된다. 한 사람이 울면 왜 옆에 사람이 울까? 기억, 공동체문화가 들어간다.

이산화탄소는 전기중성이다. 그래서 혈액뇌장벽(BBB, Blood-Brain Barrier)를 통과하여 중추화학수용기(central chemo receptor)인 SFO(subfornical organ), OVLT(organum vasculosum of the lamina terminalis), MnPO(median preoptic nucleus), AP(area postrema)와 만난다. 뇌척수액을 직접 접하는 테두리에 있다. 양성자는 혈액뇌장벽을 통과 못하지만 이산화탄소는 혈액뇌장벽을 통과하여 양성자를 즉각 내 보낼 수 있다(CO₂+H₂O->H₂CO₃->H⁺+HCO₃^-). 그래서 양성자 방출을 통해 이산화탄소 농도를 모니터링 할 수 있다. 이산화탄소 가는 길에 양성자가 간다.

중추화학수용기(central chemo receptor)는 호흡중추(respiratory center)의 중추패턴생성기(CPG, Central patter generator)를 조절한다.

경동맥체(carotid body)의 구조를 그려보자.

Type1의 glomus cell들은 서로 gap junction 되어 있고, type2 세포와 줄기세포성 신경아세포(neuroblast)가 주변에 있다. 모세혈관이 지나가고 뉴런이 type1세포에 시냅스를 한다. 뉴런이 아닌데, 뉴런의 시냅스가 나온다. 9번 혀인두신경의 추체신경절(petrosal ganglion)에서 온 것이다. 경동맥체는 생리작용이 질퍽한 곳이다.

경동맥체에서 화학작용이 어떻게 일어나는지 보여준다. Type2 세포에서 P2Y2 채널에 무언가 붙어서 신호를 받아 골지체에서 칼슘이온(Ca²⁺)이 나와서 panx1 채널을 활성화 시키면 분자가 나와서 type1의 K⁺-채널이 닫힌다. K⁺가 적게 들어오면 전압이 떨어져서 그것을 신호로 하여 Ca²⁺이 type1의 VDCC(Voltage dependent calcium channel)로 들어온다. 그러면 type1에서 ATP를 대량으로 방출한다. 경동맥체는 산소에 민감하다. 저산소상태(hypoxia)가 되면 ATP가 적어진 상태이니 산소농도를 측정하기 좋은 계측기로 ATP를 측정한다.  ATP가 9번신경 추체신경절(petrosal ganglion)의 말단에 붙는데, 그러면 신경말단의 P2X2/3채널로 Na⁺, Ca²⁺이 들어온다. 양이온이므로 전압펄스인 활동전위(Action-potential)가 생긴다..  

다른 쪽에 있는 type-1의 채널인 P2Y1에 ATP가 붙으면 신경말단 채널인 P2X2/3와 P2X4로 Ca²⁺이 들어온다. 그러면 신경세포에 Ca²⁺이 무지하게 많아진다. nNOS(Neuronal nitric oxide synthase)라는 신경세포에 있는 효소를 Ca²⁺이 자극하면 NO gas가 나와서 전체 작용을 억제해준다.

결정적인 것은 ATP이다. 많이 방출되면 ATP를 분해해주는 ATPase도 있다. 이제 호흡이 뭔지 알 것 같다. 저산소상태에서 내막 안에서 일어나는 일이 막 연구되고 있다.. 결론은 메신저를 ATP를 쓴다는 것으로 ATP 생산율을 보고 산소농도를 지문처럼 안다.

경동맥체에서 간, 심장, 콩팥 모든 장기를 모니터링 하고 있다는 증거이다.

심장(heart), 간(liver), 장(intestine), 신장(kidney), 다리(leg)의 신경은 교감사슬(sympathetic chain)의 교감신경절(sympathetic gangalion)과 연결되고, 다시 척수의 교감신경 부착지인 중간외측기둥(IML, intermediolateral column)과 연결된다. IML은 문측복외측연수(RVLM)와 연결되는데, 연결되는 신경다발은 광케이블처럼 심장, 장간막, 간, 신장, 근골격, 피부, 뇌신경이 들어있다. RVLM과 교감신경으로 연결된 고립로핵(NTS)에서는 호흡과 심장, 고차중추신경과 연결되고 추체신경절(petrosal ganglion)을 거쳐서 경동맥체(carotid body)와 연결된다.

경동맥체(carotid body) 시스템이 면역관점의 진화이다. 균을 직접 주사하고도 안 죽는 사람, 얼음깨고 들어가도 안 죽는 사람, 인생파탄 나고도 안 죽는 사람, 이들은 면역시스템을 억제하여 살아남는다.

고립로핵(NTS)과 등쪽운동미주(DMV)는 등쪽미주복합체(dorsal vegal complex)의 구성원으로 본다.

대식세포(macrophage)가 염증유발성 사이토카인(pro-inflammatory cytokines)을 분비하면 경동맥체에서 감지하여 고립로핵으로 신호를 보낸다.

고립로핵(NTS)은 AP(area postrema)에서 정보를 받는다. 고립로핵에서 문측복외측연수(RVLM)와 시냅스하고 RVLM에서는 청반핵(LC, locus coeruleus)으로 보내진다. 청반핵에서는 시상하부의 실방핵(PVN, paraventricular nucleus of the hypothalamus)으로 올려보내면, 뇌하수체(pituitary)로 가고, 뇌하수체에서는 부신피질로 시냅스 하고, 부신피질에서는 코티솔(cortisol)을 분비하여 대식세포(macrophage)의 사이토카인 생성세포(Cytokine producing cell)를 억제한다.

또한 청반핵(LC)에서 척수의 중간외측기둥(IML)으로 내려보내지면, IML은 부신수질핵과 시냅스하고 부신수질에서는 아드레날린(adrenalin)을 대식세포(macrophage)로 보내서 사이토카인 생성세포(Cytokine producing cell)를 억제한다.

또한 등쪽운동미주(DMV)와 척수의 중간외측기둥(IML)에서 복강신경절(celiac ganglia)로 시냅스하면 복강신경절에서는 아세틸콜린(Ach)과 노르에피네프린(NE)을 분비하여 대식세포(macrophage)의 사이토카인 생성세포(Cytokine producing cell)를 억제한다.

경동맥체가 모든 장기에 1:1 매칭을 하고, 염증유발성 사이토카인을 직접 모니터링해서 고립로핵(NTS)으로 보내주면 억제해주는 물질이 단계적으로 방출된다. 면역을 직접 잡아주는 시스템이다. 면역과 신경계는 따로 공부하면 안된다.

첫번째 그래프 X축은 이산화탄소 분압(PCO₂, mmHg)이고 Y축은 날숨의 분당 환기량(L/min)이다. 산소분압에 따른 곡선으로 산소분압이 50일때는 이산화탄소 분압에 따른 기울기가 급격하여 조금만 올라가도 분당환기량이 급속히 증가한다. 산소분압이 100과 200으로 높아지면 이산화탄소 분압에 따른 기울기가 낮아진다.  

두번째 그래프는 X축은 이산화탄소 분압(PCO₂, mmHg)이고 Y축은 기본상태가 1에서 호흡량이 달라지는 정도이다. 이산화탄소 분압이 조직에서 46, 허파꽈리에서는 40이다. 40이 기본이고 이때 PH 7.4이다. 우리가 뛰고 하여 양성자농도가 많아지면 호흡은 최대 4배까지 많아질 수 있다. PCO₂, 곡선은 이산화탄소 분압이 높아지면 11배까지 올라간다. 중추화학수용기에서 전체시스템을 동원해서 호흡량을 급격히 증가시킨다.

호흡은 인간의 기억, 감정 시스템까지 들어오고 고차두뇌와 연결된다. 인간은 고차두뇌로 경동맥체도 조절이 가능하다는 증거이다.