뇌에 가장 충격을 주는 행동은?

두뇌 형질과 비슷한 달걀 활용해 뇌진탕 연구

운동선수는 물론이고 보통 사람들도 교통사고나 일상생활에서 쉽게 노출될 수 있는 사고가 뇌진탕이다. 뇌진탕을 예방하고 치료하려면, 어떤 경우에 뇌가 심하게 손상되는지 알아야 한다.

과학자들이 달걀노른자를 이용해서 어떤 충격이 뇌에 더 큰 손상을 입히는지 확인했다. 걸어 다닐 때 사람의 뇌는 두개골 안에서 척수액에 떠서 가볍게 흔들린다. 그 모습이 마치 달걀노른자가 달걀흰자에 둘러싸인 것과 유사하다.

그러다가 갑작스러운 충격이나 움직임이 있으면 사람의 뇌는 뇌를 둘러싼 두개골에 부딪히거나, 아니면 빠르게 회전한다. 부딪히든 빠르게 회전하든 간에, 심각한 뇌 손상이 일어날 수 있다.

달걀은 뇌진탕을 연구하기 좋은 재료이다. ⓒ 픽사베이

지금까지 뇌가 충격을 받는 순간에 어떤 현상이 벌어지는지 확인하기 위해 과학자들은 인체 모양의 인형을 활용해 자동차 충격 실험, 혹은 센서가 부착된 마우스가드나 헬멧을 쓴 운동선수 또는 가상의 뇌를 시뮬레이션했다.

미국 펜실베이니아에 있는 빌라노바 대학(Villanova University)의 생물의학 과학자인 우(Qianhong Wu) 교수는 유체물리학(Physics of Fluids) 저널 최신호를 통해 가정에서 달걀을 요리하는 모습을 보고 액체에 둘러싸인 부드러운 물질의 움직임을 기초물리학으로 해석한 연구 결과를 발표했다.

흰자 속의 노른자, 두뇌와 형질 비슷

접근 방식은 다소 특이했지만, 이 연구의 결과는 뇌 조직과 같은 부드러운 물질이 외부 힘에 노출될 때 어떻게 움직이고 변형되는지 이해하는 데 도움이 되었다.

연구팀은 신선한 달걀의 껍질을 깬 뒤, 달걀 흰자와 노른자를 모두 단단하고 투명한 원통형 용기에 넣고 두 가지 실험을 하면서 고속 카메라로 촬영했다.

연구팀은 먼저 달걀노른자와 달걀흰자 6개의 부피와 무게를 측정해서 밀도를 계산했다. 달걀노른자의 밀도는 1.045±0.020g/ml인 반면 달걀흰자의 밀도는 1.033±0.014g/ml이다. 달걀노른자와 달걀흰자의 밀도가 서로 매우 가깝다는 것을 확인했다.

달걀노른자는 얇고 깨지기 쉬우며 부드러운 막으로 둘러싸여 있다. 이 막이 늘어나는 것이 달걀노른자의 변형과 관련이 있다. 따라서 달걀의 변형 과정에서 발생하는 현상을 이해하기 위해서 연구팀은 막 계수를 측정하고 평가했다.

달걀노른자가 다양한 힘을 받을 때 변화하는 모습 사진. ⓒLang et al., Physics of Fluids, 2021

첫 번째 실험은 달걀이 들어있는 용기에 갑작스럽고 직선적인 타격을 해서 노른자에 대한 충격을 테스트했다.

두 번째 실험은 용기를 가속 회전 또는 감속 회전할 때 달걀노른자가 받는 충격을 측정했다.

그랬더니 달걀노른자가 회전할 때 충격에 매우 민감했다. 특히 회전하다가 급속히 속도가 줄어들 때 충격이 더 컸다. 이럴 때 달걀에 미치는 현상을 연구팀은 복잡한 유체역학으로 분석했다.

회전하는 달걀이 가득 담긴 용기를 급정거하자 노른자는 감속하는 회전 충격으로 ‘엄청나게’ 변형됐는데, 뒤틀린 노른자가 원래 둥근 모양을 다시 되돌아가는 데 1분가량 걸렸다.

결과적으로 회전하는 충격이 더 해로웠는데 특히 회전속도를 급속히 떨어뜨리면서 발생하는 충격이 뇌에 더 해롭다는 것을 발견했다고 과학자들은 발표했다.

연구팀은 “회전 및 급속 감속할 때, 뇌 물질의 큰 변형이 일어나 뉴런의 확장을 유도하고 손상을 유발한다”고 발표했다.

이것이 권투경기에서 선수가 턱을 맞으면 기절할 가능성이 가장 높은 이유를 설명한다. 머리 중에서도 턱은 뇌에서 가장 먼 곳이므로, 턱을 치면 머리가 가장 강하게 회전하기 때문이다.

이 같은 결과는 차량 충돌 테스트와 진자 머리 충격을 포함하는 이전 연구에서, 회전 머리 충격이 선형 가속보다 외상성 뇌 손상 위험이 높다는 이전 연구와 같은 것이다.

우 교수는 “액체 환경에 잠겨있는 부드러운 물질은 자연에 널리 존재한다. 뇌 외에도 알, 적혈구 또는 백혈구가 또 다른 예”라고 말했다.

회전 충격 뇌진탕은 세심하게 치료해야

뇌 부상을 일으키는 원인에 대한 메커니즘으로 머리 회전이 중요하다는 주장은 이미 1940년대에 나왔다. 그러나 살아있는 사람의 머리에서 일어나는 뇌의 움직임을 실시간으로 들여다볼 수 없기 때문에 뇌가 그런 충격을 받을 때 실제로 어떤 방향으로 어떤 모습으로 뒤틀릴지 가늠하기가 어렵다.

뇌가 위치한 환경과 유사한 달걀노른자를 이용한 이번 실험은 이런 어려움을 극복하는데 매우 큰 도움을 준다.

사람의 두개골 안에 있는 뇌는 뇌척수액이라고 불리는 충격을 흡수하는 액체에 안전하게 들어있다. 가장 흔하고 가벼운 형태의 외상성 뇌 손상이 뇌진탕이다. 뇌진탕이라는 용어 자체가 ‘격렬하게 흔든다’는 뜻의 라틴어에서 왔다.

턱을 때리면 회전 충격이 가해지기 때문에 뇌진탕 위험이 더 커진다. ⓒ 위키피디아

그러나 격렬하게 흔들지 않아도 머리에 크지 않은 충격을 한 번만 가해도 뇌세포가 기능하는 방식에 변화를 일으키기에 충분하다는 연구 결과도 나왔다.

뇌진탕에 영향을 미치는 충격에 대해 더 많이 알고 설명할수록, 엔지니어는 차량의 안전 시스템을 개선할 수 있고, 헤드기어를 더 잘 설계할 수 있으며, 스포츠 선수들이 부상을 예방하는 기술을 향상시킬 수 있다.

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