몸으로 배우는 신경해부학 5부 — 소뇌는 운동을 만드는가, 다듬는가
힘은 있는데 목표를 지나치고, 동작이 흔들린다. 소뇌의 문제는 운동의 양이 아니라 운동의 정확성이다.
5부. 소뇌는 운동을 만드는가, 다듬는가
— 움직임을 시작하는 곳이 아니라, 움직임을 끊임없이 수정하는 곳
소뇌를 처음 배울 때 가장 먼저 떠오르는 말은 대개 이것이다.
균형과 운동 조절.
틀린 말은 아니다. 하지만 너무 짧다.
소뇌는 단순히 넘어지지 않게 균형을 잡아 주는 기관이 아니다. 우리가 손을 뻗고, 걷고, 몸을 돌리고, 컵을 집고, 계단을 오르는 동안 소뇌는 끊임없이 한 가지 일을 하고 있다.
“내가 하려고 했던 움직임과 실제로 나온 움직임이 같은가?”
소뇌는 그 차이를 비교하고 수정한다. 그래서 나는 소뇌를 운동의 지휘자라기보다 운동의 교정자라고 이해하는 것이 더 쉽다고 생각한다.
그림 1. 기저핵(문을 여는 회로)과 소뇌(움직임 교정자)의 역할 비교, 그리고 파킨슨병에서의 우회로 전략
1. 움직임을 명령하는 곳과 수정하는 곳은 다르다
팔을 들어 올리겠다고 생각해 보자. 움직임의 계획은 대뇌피질에서 만들어진다. 운동피질은 척수로 명령을 내려보낸다. 근육은 그 명령을 받아 실제로 수축한다.
그렇다면 소뇌는 무엇을 하는가.
소뇌에는 두 종류의 정보가 거의 동시에 들어온다.
하나는 “나는 이렇게 움직이려고 한다” 라는 운동 계획의 복사본이다.
다른 하나는 “실제로 몸은 지금 이렇게 움직이고 있다” 라는 감각 정보다.
소뇌는 이 둘을 비교한다. 예정된 움직임과 실제 움직임 사이에 차이가 생기면 그것을 계산하고 수정한다.
그래서 소뇌가 손상되면 근력이 완전히 사라지는 것이 아니다. 힘은 있는데 목표를 지나치고, 동작이 흔들리고, 속도와 거리를 정확히 맞추지 못한다. 소뇌는 운동을 직접 만드는 기관이라기보다 이미 만들어진 운동을 정확하게 만드는 기관이다.
2. 소뇌는 오차를 계산한다
소뇌 기능을 이해하는 데 가장 중요한 단어 중 하나가 error correction, 오차 수정이다.
예를 들어 탁자 위의 컵을 집으려고 손을 뻗는다고 하자. 대뇌는 컵의 위치를 보고 손을 움직이는 계획을 세운다. 하지만 실제 움직임에는 항상 작은 오차가 생긴다.
소뇌는 이런 오차를 빠르게 계산한다. 그리고 다음 순간 운동 명령을 수정한다. 그래서 정상적인 동작은 하나의 명령으로 끝나는 것이 아니다.
계획 → 실행 → 비교 → 수정 → 다시 실행
이 과정이 매우 빠르게 반복된다. 우리가 하나의 부드러운 동작이라고 느끼는 순간에도 뇌에서는 수많은 수정이 계속 일어나고 있다.
3. 기저핵과 소뇌는 서로 다른 방식으로 운동을 조절한다
파킨슨병을 공부하다 보면 기저핵 이야기가 거의 모든 것을 차지한다. 그러다 보면 소뇌는 파킨슨병과 별 관계가 없는 것처럼 느껴진다. 하지만 실제 움직임은 그렇게 단순하지 않다.
기저핵과 소뇌는 모두 운동피질과 연결되어 있지만 역할이 다르다.
기저핵은 주로 어떤 운동을 선택할 것인가, 얼마나 쉽게 시작할 것인가에 관여한다.
소뇌는 그 운동이 계획대로 수행되고 있는가, 얼마나 정확하게 수정할 것인가에 관여한다.
아주 단순화하면, 기저핵은 문을 여는 회로이고 소뇌는 열린 문을 지나가는 움직임을 다듬는 회로라고 생각할 수 있다.
4. 파킨슨병에서는 소뇌가 더 중요해진다
파킨슨병에서는 기저핵 회로가 정상적으로 작동하지 않는다. 특히 자동적으로 이루어져야 할 움직임이 어려워진다.
흥미로운 것은 이때 다른 회로가 일부 기능을 대신할 수 있다는 점이다. 대표적인 것이 소뇌와 대뇌피질을 이용한 보상 회로다.
나는 이것을 몸으로 자주 느낀다.
평소에는 첫발이 잘 떨어지지 않는데, 바닥에 선을 그어 놓으면 그 선을 넘어갈 수 있다. 박자를 맞추면 발이 움직인다. 계단에서는 오히려 평지보다 걷기가 쉬울 때도 있다.
평소의 자동 보행은 기저핵의 도움을 많이 받는다. 하지만 눈앞의 선을 넘거나 계단을 밟는 행동은 외부 시각 정보와 의식적인 운동 계획을 더 많이 사용한다. 이때 소뇌-피질 회로가 상대적으로 더 적극적으로 동원될 수 있다.
5. 큐잉은 우회로를 만드는 것이다
파킨슨병에서 사용하는 큐잉(cueing)은 단순한 요령이 아니다.
“하나, 둘, 하나, 둘.” 하고 박자를 맞추거나, 바닥에 선을 표시하거나, 발을 크게 들어 올린다고 의식하면 갑자기 움직임이 쉬워지는 환자들이 있다.
이 현상은 매우 중요하다. 망가진 기저핵 회로를 억지로 정상화하는 것이 아니라 다른 신경회로를 이용해 움직임을 만들어 내는 것이기 때문이다.
평소 사용하던 고속도로가 막혀 있다. 그렇다고 목적지에 갈 수 없는 것은 아니다. 국도나 다른 길을 찾아가면 된다.
6. 소뇌는 예측도 한다
소뇌는 단순히 움직인 뒤 잘못된 것을 고치는 기관만은 아니다. 반복되는 경험을 통해 다음에 어떤 일이 일어날지를 예측한다.
컵을 들 때 우리는 매번 무게를 계산하고 시작하지 않는다. 예전에 들어 본 경험을 이용해 처음부터 적당한 힘을 준다. 이를 운동학습(motor learning)이라고 한다.
그래서 연습하면 동작이 부드러워진다. 자전거 타기, 악기 연주, 스포츠, 수술 동작처럼 반복해서 익히는 운동에는 이런 소뇌 학습이 중요하다.
몸으로 이해한 소뇌
나는 예전에는 파킨슨병을 거의 도파민의 문제로만 생각했다. 도파민이 떨어지면 못 움직이고, 약을 먹으면 움직이는 병.
하지만 직접 오랫동안 겪어 보니 그렇게 간단하지 않았다. 첫발이 떨어지지 않다가도 계단 앞에서는 움직인다. 박자를 주면 걷는다. 몸의 방향을 바꾸거나 다른 동작으로 시작하면 다시 움직일 때가 있다.
도파민 농도가 몇 초 사이에 갑자기 변한 것은 아닐 것이다. 달라진 것은 뇌가 사용하는 회로다.
파킨슨병에서 몸이 멈췄다는 것은 모든 운동 능력이 사라졌다는 뜻이 아니다. 때로는 단지 지금 사용하고 있는 길이 막혔다는 뜻일 수 있다. 막힌 문을 부수는 것이 아니라, 다른 문을 여는 것이다.
5부 한 줄 정리: 소뇌는 움직임을 처음 만드는 기관이라기보다, 내가 의도한 움직임과 실제 움직임의 차이를 비교하고 수정하며, 파킨슨병에서는 손상된 자동운동 회로를 보완하는 중요한 우회로가 될 수 있다.