[논문 리뷰] Secrets of the Brain: An Introduction to the Brain Anatomical Structure and Biological Function

Jiawei Zhang|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 31.

Neuroscience, Education and Cognitive Function참고 문헌 3인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 체계적인 인간 뇌의 해부학적 구조와 생물학적 기능에 대한 포괄적인 소개를 제공하며, 중심신경계와 그 감각 시스템에 초점을 맞춘다. 뇌의 주요 영역인 뇌간, 소뇌, 시상, 대뇌를 설명하고, 환경 인식을 가능하게 하는 감각 시스템(시각, 청각, 촉각, 후각, 전정)의 기능을 기술함으로써, 향후 연구에서 신경 기제와 인지 기능에 대한 깊이 있는 탐구를 위한 기초를 마련한다.

ABSTRACT

In this paper, we will provide an introduction to the brain structure and function. Brain is an astonishing living organ inside our heads, weighing about 1.5kg, consisting of billions of tiny cells. The brain enables us to sense the world around us (to touch, to smell, to see and to hear, etc.), to think and to respond to the world as well. The main obstacles that prevent us from creating a machine which can behavior like real-world creatures are due to our limited knowledge about the brain in both its structure and its function. In this paper, we will focus introducing the brain anatomical structure and biological function, as well as its surrounding sensory systems. Many of the materials used in this paper are from wikipedia and several other neuroscience introductory articles, which will be properly cited in this article. This is the first of the three tutorial articles about the brain (the other two are [26] and [27]). In the follow-up two articles, we will further introduce the low-level composition basis structures (e.g., neuron, synapse and action potential) and the high-level cognitive functions (e.g., consciousness, attention, learning and memory) of the brain, respectively.

연구 동기 및 목표

• 인간 뇌의 해부학적 구조와 생물학적 기능에 대한 기초적 이해를 제공하기 위해.
• 뇌간, 소뇌, 시상, 대뇌와 같은 주요 뇌 영역과 그들이 신경 통합에 기여하는 역할을 기술하기 위해.
• 주요 감각 시스템(시각, 청각, 촉각, 후각, 전정)의 말초 및 중심 성분을 상세히 기술하기 위해.
• 신경 미세 구조(뉴런, 시냅스, 축삭 전위)와 고차원 인지 기능에 대한 후속 튜토리얼을 위한 개념적 프레임워크를 수립하기 위해.
• 기초 신경해부학과 기능적 시스템을 연결하여, 뇌가 인지, 인식, 운동 조절에 어떻게 기여하는지 강조하기 위해.

제안 방법

• 신경해부학 분야의 표준 교과서 및 공공 도메인 자료(예: 위키백과, 동료 심사 통과된 초급 논문)에서 확립된 신경해부학 지식을 체계적으로 검토하고 통합하기 위해.
• 배아기 발달 단계에서 뇌를 대뇌, 중뇌, 소뇌로 구조적으로 분류한 후, 성인의 뇌 영역으로의 재분류(대뇌반구, 시상, 중뇌, 소뇌, 브릿지, 연수)를 수행하기 위해.
• 감각 시스템의 기능적 맵핑을 통해 수용체 유형, 신경 경로(말초 및 중심), 신호 처리 메커니즘을 분석하기 위해.
• 반원형 도관과 온도 감지 기관 등의 도표적 설명을 활용하여, 모낭 세포의 기울임과 온도 감지 막의 이동을 통해 회전 및 선형 가속도를 감지하는 원리를 설명하기 위해.
• 반원형 도관에서의 푸시-풀 신호 전달 메커니즘과 온도 감지 기관에서의 거울 대칭 신호 전달 방식을 통해 방향 감지 기능을 설명하기 위해.
• 운동 신경을 통해 감각 자극과 운동 반사의 통합을 분석하고, 척수 및 뇌간 회로에서의 중심 통합과 반사 경로의 중요성을 강조하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 척추동물의 뇌는 배아기 발달 단계에서 어떻게 조직되어 있으며, 이는 성인 뇌의 구조와 어떻게 관련이 있는가?
• RQ2 뇌간, 소뇌, 시상, 대뇌는 감각 및 운동 통합에 있어 해부학적 및 기능적 역할을 어떻게 수행하는가?
• RQ3 시각, 청각, 촉각, 후각, 전정 감각 시스템은 환경 자극을 어떻게 신호로 전환하는가?
• RQ4 전정 시스템에서 두개부의 회전(반원형 도관)과 선형 가속도(온도 감지 기관) 감지는 어떤 메커니즘으로 이루어지는가?
• RQ5 뇌는 온도 감지 기관의 신호를 바탕으로 중력과 실제 선형 운동을 어떻게 구분하는가?

주요 결과

• 인간 뇌는 뇌간, 소뇌, 시상, 대뇌로 구성된 특수 기능을 가진 영역들로 이루어져 있으며, 각 영역은 감각 처리, 운동 조절, 내적 균형 유지에 기여한다.
• 특히 대뇌皮질이 가장 두드러진 구조를 차지하며, 주로 추론, 의식과 같은 고차원 인지 기능을 담당한다.
• 전정 시스템은 세 개의 반원형 도관(수평, 전면, 후면)을 통해 세 개의 수직 평면에서의 회전 운동을 내림물질의 이동으로 감지한다.
• 온도 감지 기관(유두부 및 캐플루어)은 칼슘 카보네이트로 구성된 온도 감지 물질이 모낭 세포의 스테레오실리아를 기울여 선형 가속도와 두개부 기울기를 감지한다.
• 반원형 도관의 푸시-풀 메커니즘은 각 회전 방향을 인코딩할 수 있도록 하며, 한 쪽 도관의 자극은 반대쪽 도관의 억제를 유도한다.
• 뇌는 온도 감지 기관의 신호, 눈의 움직임 반응, 체위 감각 정보를 비교 분석하여 중력과 운동을 구분하지만, 정확한 신경 분리 메커니즘은 아직 밝혀지지 않았다.