눈과 뇌의 구조와 기능

눈과 뇌의 구조, 기능을 통해 빛을 어떻게 받아들이는지 구조에 대해 알아본다.

 

사과는 왜 빨갛게 보일까?

태양 빛을 받는 사과가 빨갛게 보이는 것은 왜일까? 사과는 전자파 중에서 일정한 빛은 흡수하고, 나머지는 반사하고 있을 뿐이다. 태양 빛 자체에는 특정한 색이 없다. 그러므로 색을 보는 것은 우리 인간의 내부에서 일어나는 현상일 것이다. 태양 빛을 받은 사과는 그 빛의 일부를 표면에서 반사하지만, 나머지 일부는 사과 내부로 흡수한다. 그 파장의 일부가 흡수되고, 사과의 분광반사율에 따라 광원의 분광분포가 변화하여 표면으로 나오게 된다. 이렇게 표면으로 나온 빛이 사람의 눈에 들어가서 사과의 색이나 형태로서 빛의 상이 망막에 맺히게 된다. 이 상은 망막에 있는 시세포에 의해 사람의 내부에서 사용되는 신호로 변환되고, 시신경을 통해 대뇌로 전달되며, 대뇌에 기억되어 있는 정보와 결합하여 사과의 색으로 인식되는 것이다. 이것이 사람에게 색이나 형태가 보여지는 과정의 기본구조이다. 가시광선을 직접 대뇌에서 처리할 수는 없다. 그래서 빛의 정보를 생체 내부에서 사용될 수 있는 정보로 체내에 받아들이는 기관이 눈이며, 그것이 어떤 색을 띠고 있는가를 식별하는 대뇌의 시각중추이다. 눈에 도달한 빛은 크게 4단계를 거쳐 뇌에서 인식된다. 

① 밖에서 들어온 빛을 정확한 상으로 망막에 맺히게 하는 광학적 단계

② 그 상을 사람의 체내에서 사용할 수 있는 신호로 변환하는 망막에서의 단계

③ 그 신호를 뇌에 전달하는 단계

④ 색, 형태, 그 외의 정보로써 뇌에서 인식되는 단계

 

망막에 상이 맺히다

외부에서 들어온 빛은 안구에 도달한다. 안구는 직경 약 24mm의 원형에 가까운 형태로, 3겹의 막으로 둘러싸여 있다. 가장 바깥쪽에 있는 막이 백색의 불투명한 '강막(强膜)'으로 두께 약 1mm의 단단한 보호막이다. 이 막 중에서 밖에서 보여지는 부분이 소위 백안이라고 하는 부분이다. 강막의 앞쪽에 안구의 1/6을 뒤덮고 있는 무색투명한 '각막'이 있다. 가운데의 막은 또다시 세 부분으로 나뉘는데, 뒤쪽부터 '맥락막', '모양체' 그리고 가장 앞쪽에 위치한 '홍채'로 이루어져 있다. 맥락막은 혈관이 많아 눈에 영양을 보급하는 역할을 한다. 모양체는 수정체와 연결되어 있어서 모양체의 작용에 의해 수정체의 두께가 조절된다. 홍차는 원반 모양의 평활근 신축에 의해 동공의 크기를 변화시키고, 안구로 들어오는 빛의 양을 조절한다. 이는 카메라의 조리개에 해당하는 부분이다. 동공이 열렸을 때와 닫혔을 때의 면적비는 약 1:16이다. 그리고, 가장 안쪽에 있는 것이 '망막'이다. 망막은 (줄여서 시세포라고도 한다), 가시광선의 에너지를 생체 내에서 사용 가능한 전기신호로 변환시키는 역할을 하고 있으며, 이는 카메라에서 필름에 해당한다. 또한, 이 세 겹의 막에 둘러싸여 있는 '수정체', '유리체', '안방수'가 있다. 수정체는 홍채의 바로 뒤에 위치하며, 두께를 조절함으로써 망막 위에 상이 맺히도록 렌즈 역할을 하는 기관이다. (카메라에서 렌즈의 위치를 앞뒤로 이동시켜 초점을 조절하는 것이 눈과 다른 점이다). 대상물이 가까이 있을 경우에는 수정체를 두껍게 만들고, 대상물이 멀리 있는 경우에는 수정체를 얇게 만들어서 망막의 중심에 있는 중심와에 정확한 상을 맺히게 한다. 유리체는 수정체 뒤에 있는 젤리 상태의 물질로, 안구의 3/5을 차지하고 있다. 안방수는 전안방과 후안방을 가득 채운 액체로, 수정체나 각막에 영양을 보급하며 대사산물을 옮기는 역할을 한다. 그리고 안구의 모양은 유리체에 의해 생기는 안압에 따라 유지되고 있다. 여기까지가 외부로부터 빛을 받아들이는 눈의 구조이다. 망막에 상을 맺히게 하기 위해서 빛은 우선 사람의 체내에서 가장 바깥쪽에 있는 각막에 도달하여 차례로 안방수, 수정체, 유리체에 이르게 된다. 이들 각 기관은 서로 다른 굴절률을 갖고 있다. 굴절률의 차이가 가장 큰 굴절면은 각막으로 안구에서 빛이 가장 많이 굴절하는 부분이다.

 

빛을 신호로 변환하다

망막 위에 맺힌 상은 아직 가시광선 상태이므로 그대로 뇌에 전달될 수 없다. 이 빛을 사람의 몸속에서 사용 가능한 전기신호로 변환하는 것이 망막에 있는 시세포의 역할이다. 시세포는 그 생김새와 역할에 따라 '간상체 rod'와 '추상체 cone'으로 나뉜다. 간상체는 물체의 명암이 희미하게 느껴질 정도로 어두운 곳에서 명암의 감각에만 관여한다. 한편, 추상체는 세 종류가 있으며 밝은 곳에서 작용하며 밝기, 색상, 선명도의 감각에 관여한다. 각 파장에서 같은 강도의 에너지가 눈으로 들어왔을 경우, 파장별로 어느 정도의 흥분 (출력)이 있는지를 나타낸 수치를 분강괌도 (또는 감도)라고 한다. 명암에 관여하는 간상체는 507nm 근처에서 가장 민감하게 반응하는 범종형의 감도를 갖고 있다. 또한 추상체에는 주로 단파장에 반응하는 S추상체 (S는 short의 의미로, 청추상체라고도 한다), 중파장에 주로 반응하는 M추상체 (M은 middle의 의미로, 녹추상체라고도 한다), 장파장에 주로 반응하는 L추상체 (L은 long의 의미로, 적추상체라고도 한다)가 있다. 이 3가지의 추상체의 흥분 방식의 차이로, 다양한 색을 식별할 수 있다. 이와 같은 사실에서 색각의 3색설을 이해할 수 있다. 간상체와 추상체는 망막 위에 균일하게 분포하는 것이 아니다. 추상체는 대부분 망막의 중심부에 모여 있고, 간상체는 중심부에는 거의 없고 그 이외의 부분에 존재하고 있다. 추상체가 모여있는 망막 중심부에 움푹 들어간 부분이 있는데, 그 부분을 중심와 라고 한다. 바로 그 부분이 추상체로만 구성되어, 시각이 가장 민감한 부분이다. 사람이 색을 확실하게 보기 위해 얼굴이나 눈을 움직여서 그 물체를 바라보면, 수정체의 작용으로 상이 망막의 중심와에 맺힌다. 이 중심와를 중심으로 지름 약 2mm의 타원형 모양의 노란 색소를 가진 부분이 있는데, 이 부분을 황반이라고 한다. 이 노란 색소는 빛이 시세포에 도달하기 전에 단파장을 차단하는 일종의 필터와 같은 것으로, 자외선이 망막에 도달하는 것을 막는 것으로 여겨진다.

 

신호를 뇌에 전달한다

시세포에서 변환된 신호는 뇌로 전달되어 색으로써 인식된다. 이 신호를 전달하는 것이 시신경의 역할이다. 신호는 수평세포, 쌍극세포, 아마클린세포를 거쳐 최종적으로는 신경절 세포에서 통합되어 시신경 섬유로 이어진다. 이 시신경이 뇌에 신호를 전달하기 위해서는 일단 눈에서 나갈 필요가 있으며, 그 출구에 해당하는 것이 시신경 유두이다. 시신경유가 시신경의 출구이기 때문에 이 부분에는 시세포가 없으므로 빛이 들어와도 뇌로 전달할 수 있는 신호로 변환이 되지 않아 보이지 않게 된다. 이 시신경유두를 맹점이라고도 한다. 시신경유드를 통해 양쪽 눈으로부터 뇌로 향한 시신경 신호는 시교차(시신경교차)를 경유하여 외측슬상체에 전달된다. 그때 좌우의 눈의 좌측으로 들어온 정보는 대뇌의 좌반구에 우측으로 들어온 정보는 우반구에 전해진다. 그 후, 외측슬상체로부터 시방선을 거쳐 대뇌의 후두엽에 있는 시각야로 전해지면 뇌 안쪽으로 전달된 신호는 시각야에서 색과 그 외의 정보로 처리된다.

 

정보를 뇌에서 인식하다

시각야에서 지금까지 각각 전달되어온 색, 형태, 운동 등의 정보가 최종적으로 통합된다. 더욱이 그 통합된 정보에 기억정보가 더해짐으로써 물체로서의 인식이 가능해진다. 예를 들면, 빨갛고 둥근 모양의 음식물이라는 정보가 이 단계에서 처음으로 사과로써 인식되는 것이다. 하지만 신호의 처리법, 처리가 행해지는 위치 등에 대해서는 아직 밝혀지지 않고 있다. 앞으로 뇌 연구의 성과가 기다려지는 이유이다.