인간의 뇌가 신체의 다른 장기들에 비해 체중에서 차지하는 비율은 아주 적은데 왜 온몸이 쓰는 에너지의 20퍼센트를 혼자 쓸까요

Question

성인 기준으로 뇌의 무게는 체중의 2퍼센트 정도밖에 되지 않는데, 가만히 앉아서 생각만 하고 있어도 온몸에서 소비되는 전체 포도당과 산소의 무려 5분의 1을 뇌 혼자서 다 가져다 쓴다고 하더라고요. 뇌 속의 수많은 신경 세포들이 휴식 상태일 때나 활발하게 정보를 처리할 때 왜 그렇게 엄청난 양의 에너지를 끊임없이 필요로 하는지 생리학적 이유가 알고 싶습니다.

Answer 1

가장 큰 이유는 수백억 개의 신경세포인 뉴런이 24시간 내내 신호를 주고받으며 에너지를 소모하기 때문입니다.

뉴런이 전기 신호를 내려면 세포 안팎의 전위차를 유지해야 하는데, 이런 전위차 유지를 위한 세포막의 나트륨-칼륨 펌프를 계속 돌리는 데 뇌 에너지의 절반 이상이 쓰입니다.

또한 뉴런 사이에서 신경전달물질을 분비하고 다시 수거하고 합성하는 데에도 지속적으로 에너지가 듭니다.

이러한 활동 때문에 심장이나 폐처럼 뇌는 멍하게 있거나 잠을 잘 때도 대기 전력을 대량 소모하고, 온몸의 감각을 처리하고 장기를 제어하는 중추 통제실 역할 자체의 유지비도 높은 편이죠.

결국 뇌는 가만히 있기만 해도 막대한 기본 유지비가 들어가는 일종의 슈퍼컴퓨터와 같은 것입니다.

Answer 2

안녕하세요. 말씀해주신 것처럼 성인의 뇌는 체중의 약 2%에 불과하지만 몸 전체가 소비하는 에너지의 약 20%를 사용하는 것으로 알려져 있습니다. 이처럼 뇌가 많은 에너지를 필요로 하는 이유는 단순히 생각을 많이 하기 때문이 아니라 수많은 신경세포가 생존하고 전기적 신호를 유지하며 끊임없이 정보를 주고받기 때문입니다.

신경세포는 세포막 안팎의 나트륨과 칼륨 이온 농도 차이를 이용해 전기 신호를 전달하는데, 이 과정에서 흐트러진 이온 균형을 회복하려면 나트륨-칼륨 펌프가 ATP를 사용해야 하는데요, 또한 신경세포 사이의 연결 부위인 시냅스에서는 신경전달물질을 분비하고 회수하는 과정이 지속적으로 일어나며, 이 역시 상당한 에너지를 필요로 합니다. 뇌는 우리가 공부하거나 복잡한 문제를 풀 때뿐만 아니라 잠을 자거나 가만히 앉아 있을 때도 에너지를 소비합니다. 호흡과 심장박동, 체온 조절 등 생명 유지에 관여하는 기능을 조절하고, 감각 정보와 기억을 처리하며, 세포막과 단백질을 유지하는 활동이 계속되기 때문입니다. 따라서 뇌의 에너지 소비는 의식적인 사고의 양만으로 결정되지 않으며, 특정 과제를 수행하면 관련된 뇌 영역의 활동과 에너지 사용이 달라질 수 있지만, 휴식 상태에서도 이미 상당한 에너지가 기본적인 신경 활동과 세포 유지에 사용됩니다. 정리해보자면 뇌는 크기는 작지만 전기 신호 전달과 신경세포 유지에 높은 대사 활동을 지속적으로 요구하는 기관이며, 체중 대비 에너지 소비량이 큰 것은 이러한 복잡한 생리학적 기능을 유지하기 위한 결과라고 보시면 되겠습니다. 감사합니다.

Answer 3

안녕하세요. 임형준 수의사입니다.

뇌는 체중의 약 2% 지만 신경세포가 막전위를 유지하고 신호를 주고 받기 위해 ATP를 계속 사용합니다. 특히 나트륨, 칼륨 펌프가 이온 농도를 유지하는 데 많은 에너지가 필요하고 , 시냅스 전달과 신경전달물질 재활용에도 포도당 과 산소가 소비됩니다. 그래서 쉬는 동안에도 뇌는 높은 대사율을 유지합니다.