의식은 틀림없이 가장 중요한 과학적 주제이다. 의식이 없다면 결국 과학도 없을 것이다. 그러나 우리는 모두 의식이 어떤 것인지 알고 있지만, 즉 우리는 개인적인 자각을 갖고 주변 세계에 반응한다. 의식이 뇌의 하드웨어에서 어떻게 발생하는지 정확히 설명하는 것은 거의 불가능하다. 이것을 의식의 "어려운" 문제라고 한다.  

어려운 문제를 해결하는 것은 대단한 과학적 호기심의 문제이다. 그러나 지금까지 우리는 인간이나 다른 동물에서 일반적으로 의식적 경험을 일으키는 뇌 시스템을 설명하는 "쉬운" 문제조차 해결하지 못했다. 이것은 임상적으로 매우 중요하다. 의식 장애는 심각한 뇌 손상의 일반적인 결과이며 혼수 상태와 식물 상태를 포함한다. 그리고 우리 모두는 수술 중 마취 상태에서 일시적인 의식 상실을 경험한다.

미국 국립 과학 아카데미 회보(Proceedings of the National Academies of Science)에 발표된 연구에서 우리는 의식적인 뇌 활동이 뇌의 "쾌락 화학 물질"인 도파민과 관련이 있는 것으로 보인다.

의식 장애를 뒷받침하는 신경 메커니즘이 특성화하기 어렵다는 사실은 이러한 상태를 진단하고 치료하기 어렵게 만든다. 뇌 영상은 기본 모드 네트워크로 알려진 상호 연결된 뇌 영역의 네트워크가 자기 인식에 관여한다는 것을 확인했다. 이 네트워크는 또한 의식 장애를 유발하는 뇌 손상 이후 및 마취 상태에서 손상된 것으로 나타났다. 중요한 것은 의식적 경험에 중요한 것 같다.

그러나 일부 환자는 실제로는 의식이 없는데도 의식이 없는 것처럼 보일 수 있다. 2006년의 획기적인 연구에서 연구원 팀은 심각한 뇌 손상을 입고 교통사고 후 식물인간 상태로 생각되었던 23세 여성이 의식의 징후를 보였다는 것을 보여주었다. 환자에게 뇌 스캔(fMRI) 중에 테니스를 치는 모습을 상상해보라고 했고 과학자들은 운동 과정과 관련된 뇌 영역이 반응하여 활성화되는 것을 보았다.

마찬가지로, 그녀가 집의 방을 걷는 것을 상상해 보라고 했을 때, 후두정피질과 같은 공간 탐색과 관련된 뇌 영역이 활성화되었다. 그녀가 보여준 활성화 패턴은 건강한 사람들과 유사했으며, 고전적인 임상 평가(뇌 스캔을 포함하지 않음)에서는 눈에 띄지 않았음에도 불구하고 인식이 있는 것으로 간주되었다.

다른 연구에서는 다른 식물인간 상태의 환자에서도 유사한 효과를 발견했다. 올해 한 과학자 그룹은 Brain 저널에 기고하면서 식물인간 상태의 환자 5명 중 1명은 실제로 뇌 스캔 중에 명령을 따를 만큼 충분히 의식이 있을 수 있다고 경고했지만 이에 대한 합의는 없다.

의식과 관련된 뇌 화학 물질

그렇다면 우리는 이 사람들을 어떻게 도울 수 있을까? 뇌는 단순히 서로 다른 영역의 집합체 그 이상이다. 뇌 세포는 또한 다른 세포와 통신하기 위해 수많은 화학 물질에 의존하여 많은 뇌 기능을 가능하게 한다. 우리가 연구하기 전에 보상에 대한 역할로 잘 알려진 도파민이 의식 장애에도 역할을 한다는 증거가 이미 있었다.

예를 들어, 한 연구에서는 의식이 거의 없는 환자에서 뇌의 도파민 방출이 손상되는 것으로 나타났다. 또한, 다수의 소규모 연구에서 도파민을 통해 작용하는 약물을 투여함으로써 환자의 의식이 개선될 수 있음을 보여주었다.

뇌의 도파민 공급원은 VTA(복측 피개 영역)라고 한다. 이 영역에서 도파민이 피질의 대부분의 영역으로 방출된다. 우리의 최근 연구에서 우리는 의식 장애가 있는 환자와 마취제 투여 후 건강한 사람에게서도 뇌의 도파민 공급원의 기능이 손상된다는 것을 보여주었다.

건강한 사람들의 경우 진정제 해제 후 VTA 기능이 회복되었음을 발견했다. 그리고 시간이 지남에 따라 개선된 의식 감소를 가진 사람들도 VTA 기능의 일부를 회복했다. 또한, 도파민의 기능 장애는 기본 모드 네트워크의 기능 장애와 관련이 있으며, 이는 이미 우리가 의식의 핵심이라고 알고 있다. 이것은 도파민이 실제로 우리의 의식을 유지하는 데 핵심적인 역할을 할 수 있음을 시사한다.

케임브리지대학의 마취과에서 수행된 연구는 또한 도파민에 작용하는 현재 및 미래 약물의 사용이 마취에 대한 우리의 이해를 향상시키는 데 도움이 될 것임을 보여준다. 놀랍게도 에테르를 사용한 마취가 1846년 매사추세츠 종합 병원의 외과 수술에 처음 사용되었지만 전신 마취제가 마취 작용을 일으키기 위해 여러 부위에서 어떻게 작용하는지에 대한 구체적인 과정은 여전히 미스터리로 남아 있다.

그러나 이 연구의 가장 흥미로운 측면은 궁극적으로 도파민에 작용하는 약물을 사용하여 의식 장애의 더 나은 치료에 대한 희망을 준다는 것이다.

이미지 출처:  Pixabay/Gerd Altmann