3부. 직접경로와 간접경로 — 움직임의 문은 어떻게 열리고 닫히는가

나는 처음 기저핵의 직접경로와 간접경로를 배울 때 가장 싫었던 것이 화살표였다.

화살표가 너무 많았다.

흥분성인지 억제성인지, D1인지 D2인지, GPe인지 GPi인지 외우다 보면 정작 중요한 질문을 잃어버렸다.

그래서 이 회로가 내 몸에서 무슨 일을 하는가.

파킨슨병을 겪고 나서 다시 보니 질문은 의외로 단순했다.

나는 걷고 싶다. 어디로 갈지도 안다. 다리에 힘도 있다.

그런데 왜 첫발이 나오지 않을까.

기저핵 회로를 이해하는 것은 결국 이 질문을 따라가는 일이었다.

17장. 움직임은 단순히 켜지는 것이 아니다

우리는 움직이려고 마음먹으면 근육에 바로 명령이 내려간다고 생각하기 쉽다.

하지만 실제 뇌에서는 그 전에 많은 선택이 일어난다.

일어날 것인가. 그대로 앉아 있을 것인가. 오른발부터 움직일 것인가. 왼발부터 움직일 것인가. 얼마나 큰 보폭으로 갈 것인가. 주변의 다른 움직임은 억제할 것인가.

기저핵은 이런 선택 과정의 한가운데에 있다.

그래서 나는 기저핵을 단순한 운동 스위치보다

여러 움직임 가운데 필요한 것을 통과시키는 선택 시스템

이라고 이해하는 편이 더 자연스러웠다.

18장. 먼저 전체 지도를 보자

직접경로와 간접경로를 보기 전에 구조를 다시 한 번 놓아보자.

대뇌피질에서 선조체(striatum, 특히 putamen)로 신호가 들어오고, 여기에서 길이 갈라진다.

직접경로

Cortex → Striatum(D1) → GPi/SNr → Thalamus → Motor cortex

필요한 움직임의 문을 열기 쉬운 방향.

간접경로

Cortex → Striatum(D2) → GPe → STN → GPi/SNr → Thalamus → Motor cortex

경쟁하는 움직임을 억제하는 데 기여하는 방향.

그리고 이 두 경로 위에 흑질 치밀부(substantia nigra pars compacta, SNc)에서 오는 도파민 신호가 작용한다.

그림의 각 화살표가 무슨 뜻인지는 아래에서 하나씩 따라간다.

19장. GPi와 SNr — 출구에 있는 브레이크

기저핵을 이해할 때 가장 중요한 구조 중 하나가 GPi와 SNr이다.

이 둘은 기저핵의 주요 출력핵이다. 그리고 평소에도 시상과 일부 뇌간 구조를 계속 억제하고 있다.

쉽게 표현하면 출구에 항상 어느 정도 브레이크가 걸려 있는 상태다. 그림에서 GPi/SNr에서 시상으로 내려가는 굵은 붉은 막대가 그것이다.

왜 이렇게 되어 있을까.

뇌는 가능한 모든 움직임을 동시에 실행하면 안 된다. 걸으면서 갑자기 앉고, 발을 들면서 동시에 다른 방향으로 돌고, 필요 없는 운동까지 모두 튀어나오면 움직임이 오히려 불가능해진다.

그래서 기본적으로 억제를 유지하다가

지금 필요한 운동에 대해서만 억제를 적절히 풀어주는 방식

이 효율적이다.

20장. 직접경로 — 필요한 움직임의 문을 연다

직접경로에서는 선조체의 D1 계열 뉴런이 중요한 역할을 한다.

선조체에서 GPi/SNr로 억제성 신호가 간다. 그런데 GPi/SNr 자체가 원래 시상을 억제하고 있다.

즉, 억제하는 구조를 다시 억제한다.

결과적으로 시상에 걸린 억제가 줄어든다. 이것을 흔히 disinhibition, 탈억제라고 한다.

말로 들으면 복잡하지만 실제 의미는 단순하다. 브레이크를 잠시 풀어주는 것이다. 그림 왼쪽 초록 구간이 이 길이다.

시상이 상대적으로 자유로워지면 운동피질로 돌아가는 신호가 강화되고, 선택된 움직임이 실행되기 쉬워진다.

21장. 간접경로 — 경쟁하는 움직임을 억제한다

직접경로만 있다면 필요한 움직임을 열 수는 있다. 하지만 다른 운동까지 같이 튀어나오면 안 된다.

그 역할에 간접경로가 관여한다.

선조체의 D2 계열 뉴런이 GPe를 억제한다. 그러면 평소 GPe가 억제하고 있던 STN이 상대적으로 활성화될 수 있다. STN은 GPi/SNr를 흥분시키는 방향으로 작용한다. 그 결과 시상에 대한 억제가 강해진다.

그림 가운데 노란 구간에서 억제(−) 두 번 뒤에 흥분(+) 하나가 오는 것이 바로 이 순서다.

즉 간접경로는 단순히 몸 전체를 멈추는 회로라기보다

필요하지 않은 운동 프로그램을 억제하는 데 기여하는 시스템

으로 이해하는 것이 좋다.

22장. D1은 가속페달, D2는 브레이크인가

교과서에서는 흔히 이렇게 설명한다.

D1 = 운동 촉진. D2 = 운동 억제.

처음 배우기에는 편하다. 하지만 실제 회로는 그렇게 단순하지 않다.

직접경로와 간접경로는 서로 독립적으로 켜졌다 꺼지는 두 개의 스위치가 아니다. 정상적인 움직임에서는 두 경로가 함께 작동한다. 필요한 행동은 열어주고, 그 행동과 경쟁하는 다른 행동은 억제한다.

따라서 더 좋은 표현은

D1 경로는 선택된 행동의 통과를 돕고, D2 경로는 경쟁 행동을 정리하는 데 기여한다

정도라고 생각한다.

23장. 도파민은 어디에 들어오는가

이 회로에 도파민을 공급하는 중요한 구조가 흑질 치밀부, SNc다.

SNc에서 나온 도파민 신경섬유는 선조체로 간다. 그리고 D1 계열과 D2 계열 뉴런을 서로 다른 방식으로 조절한다.

고전적인 모델에서는 도파민이 D1 직접경로의 활동은 촉진하고, D2 간접경로의 영향은 상대적으로 줄이는 방향으로 작용한다고 설명한다. 그림의 초록 점선이 D1에는 화살표(+)로, D2에는 막대(−)로 들어가는 이유다.

전체적으로는 필요한 움직임이 더 쉽게 선택되고 실행될 수 있는 환경을 만든다.

그러므로 도파민은 단순히 “몸을 움직이게 하는 물질”이라기보다

기저핵 회로가 적절한 운동을 선택하도록 조정하는 신호

에 가깝다.

24장. 파킨슨병에서는 무엇이 달라지는가

파킨슨병에서는 SNc의 도파민 신경세포가 감소한다. 그 결과 선조체에서 도파민 조절이 약해진다.

고전적인 기저핵 모델로 보면 직접경로를 통한 운동 촉진 효과는 약해지고, 간접경로를 통한 억제 효과는 상대적으로 강해지는 방향으로 균형이 이동한다.

결과적으로 GPi/SNr의 출력이 시상을 지나치게 억제하는 방향으로 기울 수 있다. 그러면 운동피질이 움직임을 시작하고 유지하기가 어려워진다.

내 몸에서는 이것이 단순한 근력저하로 느껴지지 않았다.

힘은 있는데 움직임이 나오지 않는다.

그 차이가 중요했다.

25장. 그런데 이것만으로 파킨슨병을 다 설명할 수는 없다

여기서 한 가지 중요한 주의점이 있다.

직접경로와 간접경로 모델은 매우 유용하다. 하지만 현대의 기저핵 연구에서는 파킨슨병을 단순히 직접경로 ↓ / 간접경로 ↑ 만으로 설명하지 않는다.

신경세포가 얼마나 많이 발화하는가뿐 아니라 어떤 패턴으로 발화하는가도 중요하다.

특히 기저핵-시상-피질 회로에서 비정상적인 동기화와 beta 대역 활동이 증가하는 현상이 파킨슨병 운동증상과 관련되어 연구되고 있다.

즉 문제는 단순히 신호가 너무 많거나 적은 것만이 아니다. 회로 전체가 지나치게 같은 박자로 묶이는 것도 움직임의 유연성을 떨어뜨릴 수 있다.

26장. Hyperdirect pathway — 아주 빠른 브레이크

직접경로와 간접경로 외에 중요한 길이 하나 더 있다.

Hyperdirect pathway다. 대뇌피질에서 선조체를 거치지 않고 바로 STN으로 가는 경로다.

Cortex → STN → GPi/SNr

이 경로는 매우 빠르게 전체 운동 출력을 억제하는 데 관여할 수 있다. 그림 오른쪽 보라 구간이 이 길이다. 선조체를 건너뛰기 때문에 세 경로 중 가장 짧다.

쉽게 표현하면 직접경로가 선택된 문을 열고, 간접경로가 경쟁하는 문을 닫는 동안, hyperdirect pathway는

“잠깐, 일단 모두 멈춰.”

라고 하는 빠른 제동 시스템과 비슷하게 이해할 수 있다.

하지만 이것 역시 단순한 비유다. 실제 운동 선택과 억제는 세 경로가 서로 상호작용하면서 만들어진다.

27장. 왜 첫발이 특히 어려울까

나는 가만히 서 있을 수 있다. 다리에 힘도 있다. 그런데 앞으로 한 발을 내딛으려고 하면 몸이 멈춘다.

이 현상은 기저핵의 선택 기능을 생각하면 조금 이해가 된다.

걷기 시작한다는 것은 단순히 다리 근육을 수축하는 일이 아니다. 지금까지의 자세를 끝내고, 체중을 한쪽으로 이동하고, 반대쪽 발을 들어 올리고, 앞으로 이동하면서 균형을 다시 잡아야 한다.

즉 여러 운동 프로그램을 짧은 순간 안에 전환해야 한다.

기저핵은 이런 운동 선택과 전환에 관여한다. 따라서 내부에서 움직임을 시작하는 신호가 약해지면 첫발이 특히 어려워질 수 있다.

28장. 약이 들면 왜 갑자기 발이 나오는가

레보도파가 효과를 나타내기 시작하면 나는 종종 아주 작은 변화를 먼저 느낀다.

몸이 조금 풀린다. 발을 움직이는 저항이 줄어든다. 그리고 어느 순간 걷기가 갑자기 자연스러워진다.

그 순간 근력이 갑자기 생긴 것은 아니다. 도파민이 회로의 작동 상태를 바꾸면서

필요한 운동 프로그램을 선택하고 실행할 수 있는 조건이 다시 만들어진 것

으로 이해할 수 있다.

그래서 ON과 OFF의 차이는 단순히 힘의 차이가 아니다. 운동 프로그램을 얼마나 쉽게 꺼낼 수 있는가의 차이이기도 하다.

29장. 직접·간접경로를 외우지 않고 기억하는 법

나는 이제 이 회로를 화살표로 외우지 않는다. 세 문장으로 기억한다.

1. 기저핵의 출구에는 기본적으로 브레이크가 걸려 있다.
2. 필요한 움직임에는 브레이크를 풀어준다.
3. 경쟁하는 움직임에는 브레이크를 유지하거나 더 건다.

도파민은 이 선택이 자연스럽게 일어나도록 조정한다. 파킨슨병에서는 그 조정이 흔들린다. 그러면 움직임의 선택, 시작, 크기와 전환이 어려워질 수 있다.

3부를 마치며

기저핵의 직접경로와 간접경로를 처음 배울 때 나는 화살표를 외웠다.

하지만 내 몸을 겪고 나서 다시 보니 중요한 것은 화살표의 방향이 아니었다.

왜 나는 움직이고 싶어도 움직임을 꺼내지 못하는가.

그 질문이었다.

기저핵은 근육에 직접 명령을 내리는 마지막 운동신경이 아니다. 무엇을 할 것인가. 무엇을 하지 않을 것인가. 언제 시작할 것인가. 얼마나 크게 움직일 것인가. 그 선택을 계속 조정하는 회로다.

그래서 파킨슨병의 움직임을 이해하려면 단순히 근력이나 도파민 양만 보는 것으로는 부족하다. 도파민이 어떤 회로에서, 어떤 선택을 바꾸고 있는지를 봐야 한다.

그리고 다음 질문이 남는다.

기저핵이 움직임을 선택하는 시스템이라면, 왜 어떤 순간에는 발이 정말 바닥에 붙은 것처럼 움직이지 않는가.

다음 4부에서는 그 질문을 따라가려고 한다.

이 글은 파킨슨병의 움직임을 이해하기 위한 교육용 글입니다. 개인의 약 종류·용량·복용 시간 변경은 담당 치료진과 상의해야 합니다.