[일상 속 뇌과학] 음식 먹을 때보다 몸에 흡수될 때 행복감 더 느낀다

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인간이 다른 동물들과 마찬가지로 생존을 위해 꼭 필요한 것들은 매우 많겠지만, 가장 기초적이고 원초적인 것들은 수분과 영양분이다. 원시시대부터 지금까지 인간은 생존을 위해 체내 적절한 수분량과 에너지를 유지하기 위하여 물을 마실 수 있거나 먹이가 있는 곳을 탐색하고 먹을 수 있는 것들과 먹지 못하는 것들 구분해 왔다.

숲이 우거진 정글을 헤매고 있던 초기 인류를 상상해보자. 마실 수 있는 물과 허기를 채우기 위한 먹을 수 있는 것들의 위치가 어디인지, 그 곳에 어떤 종류의 마실 것들과 먹을 것들이 있는지 기억하는 것은 생존에 절대적이었을 것이다. 

무엇이 물과 음식을 찾는 데 도움이 되는 기억을 만드는 데 중요할까. 때로는 가지 말아야 할 곳과 먹지 말아야할 것들을 나쁜 경험을 통해 배우기도 하겠지만, 내 생존에 도움이 되는 수분과 영양분을 섭취했을 때 드는 ‘긍정적 느낌’이 생존에 도움이 되는 정보들을 기억하는 데 도움이 되었을 것이다.

이렇게 학습된 정보들은 나중에 그 물과 음식을 섭취했던 기억과 연관된 외부 정보를 다시 맞닥뜨리면, 물과 음식들을 기대하게 만든다. 예를 들어 유년 시절에 좋아했던 부모님이 만들어 주신 돼지갈비찜 맛은 부모님만 만나면 생각날 수도 있고 비슷한 외관의 음식을 보거나 양념 냄새를 맡기만 해도 이미 그 맛이 느껴진다. 더운 여름 땀을 흘려 목이 마를 때 편의점 간판을 보면 나도 모르게 머릿 속에는 차가운 음료수를 마셨을 때 그 짜릿함과 갈증 해소의 느낌이 떠오른다. 

그렇다면 ‘긍정적 느낌’은 뇌 속에서 과연 어떤 일을 통해 얻어지는 것일까. 물이나 음식을 섭취하면 그 자체의 ‘질감’이나 ‘맛’이 있을텐데, 그것들이 우리 뇌에서 어떤 스위치를 켜서 ‘긍정적인 느낌’이 들게 하는 것일까 아니면 물이나 음식에 의한 다른 무엇인가가 뇌 속에서 어떤 변화를 주는 것은 아닐까. 

‘긍정적 느낌’ 또는 ‘좋은 느낌’이 들게 만들어주는 뇌 속 화학물질이 바로 도파민(dopamine)이다. 도파민은 흔히 ‘쾌락 물질’이라 불리기도 하며 어떤 자극에 의해 분비되면 그 자극이 주어졌을 때 연관되어 있는 모든 정보들을 더 잘 기억하게 만드는 역할을 수행하기도 한다.

심지어 마약과 같은 특정 약물도 도파민 분비를 통해 약물에 대한 기억을 강화시켜 다시 그 약물을 찾게 하는 ‘중독’에 이르게 하기도 하고 이러한 중독은 사람, 물건 등 종류를 가리지 않고 모든 것들이 대상이 될 수도 있다. 

그 중 섭식행위와 관련된 정보의 기억에 특히나 도파민이 중요한 역할을 담당한다는 사실은 이미 잘 알려져 있다. 뇌 속에서 도파민이 분비되는 부위는 크게 substantia Nigra (흑질)과 ventral tagmental area(VTA; 복측피개영역) 영역이다. 물과 음식을 섭취하면 그 질감과 맛 자체로도 뇌 속에서는 도파민이 복측피개영역에서 분비된다.

생쥐가 물을 섭취하는 과정 중 실시간 VTA 내 도파민 신경세포 활성 변화

며칠을 마시지도 못하고 굶어서 매우 갈증이 심하고 배가 고픈 상황이라면 물과 음식 섭취에 따라 도파민의 분비는 더욱 증가한다. ‘시장이 반찬이다’라는 말처럼, 이 때 마시고 먹는 것들은 더욱 시원하고 맛있게 느껴지며, 그로 인한 뇌에서 느끼는 쾌락은 도파민 분비량과 비례하게 된다. 그렇기 때문에 왠지 뇌 속 도파민은 내가 마시고 먹는 것들이 주는 자극이 뇌로 전달되어 분비가 유도되는 것으로 생각하기 쉽다.

그런데 최근 발표된 연구에 따르면 동물의 뇌 속에서 분비되는 도파민은 물과 음식을 먹을 때의 느낌에서 분비되는 것보다 그 이후에 충족되는 몸 속의 변화에 의해 분비되는 양이 더 많은 듯하다.

샌프란시스코 캘리포니아대(UC샌프란시스코) 재커리 나이트(Zachary Knight) 박사 그룹에서 2022년 네이처(Nature)에 발표한 논문(doi: 10.1038/s41586-022-04954-0 )에 따르면, 갈증 상태의 생쥐에게 물을 마시게 하면, 물을 마실 때보다 물이 위장관계를 통해 흡수되는 동안 도파민 분비를 담당하는 신경세포의 활성이 더욱 크고 오랫동안 지속되는 것을 발견할 수 있었다.

연구진이 갈증을 느끼던 생쥐가 물을 마시는 동안 복측피개영역에서 분비되는 도파민 신경세포 활성을 실시간 측정해본 결과, 물을 섭취할 때 일시적으로 도파민 신경세포 활성이 잠시 증가하고 사라지지만 물이 위장관에 도달하는 시간대에 도파민 신경세포 활성이 크게 증가하고 오래 지속되는 것을 관찰할 수 있었다. 도파민 신경세포 활성의 증가는 도파민 분비량의 증가로 이어지게 된다. 

연구진은 물이 위장관 내에서 흡수되는 것이 정말 뇌 속 도파민 분비를 발생시킬 수 있는지 확인하기 위하여, 입과 식도를 통해 물이 체내로 전달되는 경로를 뛰어넘고 물이 위장관 내에 직접 전달될 수 있도록 수술을 통해 장으로 물을 직접 투여하기도 했다. 그 결과 장에 물을 직접 주입하여도 도파민 분비가 크게 증가한 것을 관찰할 수 있었다. 이러한 결과들은 물을 마실 때의 맛이나 느낌에 반응하는 것 이외에도 탈수 이후 몸 속에 수분이 공급되어 수분이 충족되는 느낌에 의해서도 도파민 분비가 유도될 수 있다는 것을 의미한다.

수분충족감이 도파민 분비를 유도한다면 탈수 상태에는 오히려 도파민 분비가 일어나지 않아야 한다. 연구진이 실제로 소금물이나 삼투압이 높아 체내에 오히려 탈수를 유발하는 액체 등을 위장관에 직접 주입하기도 하였을 경우에는 예상한대로 복측피개영역 내 도파민 신경세포 활성이 오히려 감소하기도 했다.

그렇다면 음식을 섭취하는 경우는 어떨까. 물과 마찬가지로 배고픈 상태에서 맛있는 음식을 맛보는 순간에도 ‘쾌락 물질’인 도파민 분비는 당연히 이루어지겠지만, 음식이 위장관 내로 진입하여 흡수되고 그에 따른 에너지 충족감이 있을 수 있는데, 이러한 종류의 충족감도 도파민 분비 신경세포들의 활성을 증가시킨다.

물과 음식에 따라 서로 다르게 반응하는 도파민 신경세포의 활성. 음식의 경우 ‘Ensure’식사대용 액체를 넣어줌. IG: 위장에 직접 주입했다는 표시

흥미로운 점은 섭취한 물과 음식의 흡수에 따른 서로 다른 충족감은 서로 다른 복측피개영역 내 도파민 분비 신경세포들을 자극시킨다는 것이다. 복측피개영역 내에 존재하는 도파민 분비 신경세포들은 최소한 수분만족감과 에너지만족감을 구분해서 인식하고 반응하는 것이다. 이는 다양한 종류의 음식물 섭취에 따른 몸의 서로 다른 반응들이 독립적으로 도파민 분비를 일으킬 가능성도 내포한다. 

이것이 가능한 이유는 위장관에서 얻어진 수분충족감과 에너지충족감이 서로 다른 뇌부위를 통해 도파민 분비 신경세포들을 자극하기 때문이었다. 대부분의 갈증과 식욕 정보들은 뇌 속 외측시상하부(lateral hypothalamus; LH)를 통해 뇌 속으로 전달된다.

수분충족감의 경우는 뇌활밑기관(subfonical organ; SFO)이라 불리는 갈증감을 처리하는 뇌부위를 거치는데 체내 액체의 이온균형도를 감지하여 외측시상하부로 전달된다. 그래서 수분을 섭취하여 느껴지는 수분충족감은 뇌활밑기관-외측시상하부를 거쳐 복측피개영역 내 도파민 분비 신경세포 활성을 증가시키는 것으로 밝혀졌다.

다른 한편 에너지충족감은 배고픔을 감지하는 시상하부 내 AgRP 분비 신경세포들이 감지하여 식욕을 조절하게 되는데, 음식 섭취에 따른 에너지 충족감은 AgRP 신경세포-외측시상하부-복측피개영역의 경로로 전달되어 역시 도파민 분비를 증가시키게 되는 것이다.

물과 영양분의 흡수가 서로 다른 통로를 통해 도파민 신경세포에 영향을 주는 모식도

이처럼 물과 음식을 섭취하면 서로 다른 경로를 통해 서로 다른 종류의 도파민 분비 신경세포를 자극함에 따라 도파민 분비가 이루어진다. 그렇다면 도파민 분비에 의해 어떤 뇌부위들이 영향을 받을까. 물과 음식에 의한 충족감이 다르기 때문에 영향받는 뇌부위도 다르지 않을까.

복측피개영역 내 도파민 분비 신경세포들은 뇌의 여러 부위들에 길게 가지를 뻗어 있으므로, 이를 확인하기 위해서는 물 또는 음식이 체내에 흡수되는 동안 생쥐 뇌영역 중 복측피개영역 세포들의 타깃이 되는 부위들에서의 도파민 분비량을 직접 측정하는 수 밖에 없다.

측정 결과, 물이 체내에 흡수가 되면 등측선조체(dorsal striatum) 및 변연계전두엽피질(infralimbic prefrontal cortex) 내 도파민 농도가 증가하는 한편, 음식이 흡수될 때에는 기저측편도체(basolateral amygdala) 등에 도파민 농도가 선택적으로 증가했다.

각 뇌부위에 도파민 농도가 증가하는 것이 정확히 어떻게 수분 및 에너지 만족감에 작용하는지는 아직 명확하지는 않지만, 최소한 각각 서로 다른 충족감에 의한 도파민 분비가 증가하는 영역은 확실히 차이가 있었다.

따라서, 섭취하는 음식 종류에 따라 몸에서는 다른 종류의 만족감이 생겨나는 이유는 서로 다른 종류의 도파민 분비 세포가 활성화 됨에 따라 특정 뇌부위에 선택적으로 도파민이 분비되고 그에 따른 활성 변화에 의한 것이라 추측할 수 있겠다.

그렇다면 다시 정글 속에서 갈증에 허덕이며 마실 물을 찾아 헤매는 원시 인류로 돌아가보자. 한참을 헤메다가 깨끗한 물을 마실 수 있는 곳을 찾아 갈증을 해소하고 원래 자리로 돌아간 후 다시 갈증을 느낀다면, 같은 장소를 떠올리며 마실 물을 구하러 이동할 것이다.

물을 마실 수 있는 곳에 대한 정보를 기억한 이유는 물을 마실 때 느꼈던 물 자체의 좋은 느낌 때문인가, 아니면 물을 마신 이후 얻어진 수분충족감 때문인가. 둘 다 뇌 속 도파민의 증가에 따른 ‘쾌락’이 관여할 것으로 예상되지만, 어느 상황에서 분비된 도파민이 물 마실 장소에 대한 정보를 기억하는 데 더 중요할까.

이를 직접적으로 시험하기 위하여, 연구진은 다음과 같은 실험을 수행하였다. 두 그룹의 생쥐들에게 두 가지 중립적인 맛이 담긴 액체를 먹도록 훈련시키면, 생쥐들은 동일한 빈도로 서로 다른 맛의 액체들을 섭취하게 된다.

그 뒤 3일 동안 한 그룹의 생쥐에게는 특정 맛의 액체를 먹게 하면서 위장관 내에 ‘식수’를 주입하여 체내 수분량을 증가시키고, 다른 그룹의 생쥐에게는 다른 맛의 액체를 먹게 하면서 ‘소금물’을 주입하여 체내 수분량을 감소시켰다.

그 후 위장관 내 액체 주입 없이 다시 두 가지 맛의 액체를 섭취하는 빈도를 측정함으로써, 수분만족감에 의한 도파민 분비 증가가 맛을 기억할 수 있는지 시험한 것이다. 그 결과, 생쥐들은 위장관 내에 ‘식수’를 주입했을 때 맛본 액체를 더 선호하게 되고 ‘소금물’을 주입했을 때 액체는 피하게 된다.

수분 흡수에 따른 도파민 분비가 기억 형성을 촉진함. a, b. 중립적인 서로 다른 맛의 액체와 수분 흡수, 탈수를 각각 연동하여 수분 흡수와 연동된 맛을 선호하는 기억이 형성된 결과 e. 위에 수분이 흡수되는 동안 복측피개영역(VTA) 내 도파민 신경세포의 활성을 광유전학적 기법을 통해 억제하게 되면 수분 흡수에 의해 도파민 분비가 감소하고 따라서 수분 만족감과 연동된 맛에 대한 기억이 사라짐

생쥐들은 액체의 ‘맛’에 의해 예전에 좋은 느낌을 주었던 액체를 기억하는 것이 아니라, 체내 수분량이 차오르는 ‘느낌’을 기억하고 특정 맛과 이를 연동시켜 기억을 형성하게 된 것이다.

장내에 전달된 수분이 체내 흡수되는 시간 동안 복측피개영역 도파민 분비 신경세포들의 활성이 증가하므로, 인위적으로 도파민 분비 신경세포들의 활성을 억제하여 도파민 분비를 줄이면 물 섭취와 관련된 기억도 방해받지 않을까.

이를 시험하기 위하여, 위에서 기술한 학습 실험(특정 맛과 위장관 내 식수 주입을 동시에 하는 것)에 기반하여, 생쥐들이 특정 맛의 액체를 맛보고 식수가 위장관내 전달될 때 장내에 전달된 수분이 체내 흡수되는 시간 동안만 광유전학적 기법으로 도파민 분비 신경세포들의 활성을 억제하였다.

그 결과, 놀랍게도 이 생쥐들은 ‘식수’ 주입에 따른 특정 맛의 액체 선호도가 생겨나지 않았다. 이는 액체를 섭취하는 순간이 아닌 수분이 체내에 흡수되는 동안 도파민 분비 신경세포가 활성화 되고, 그 때 분비된 도파민은 갈증을 해소하기 위한 필요한 정보를 저장하는 데 활용될 수 있음을 명확히 보여주는 증거라 할 수 있다.

 
이번에 소개한 연구에서 새롭게 밝힌 사실은, 섭식에 관련된 기억은 섭취물의 선호도에서 오는 신호보다는 섭취 이후 체내 변화에 따른 ‘충족감’ 신호의 여부에 따라 결정될 수 있다는 것이다.

물과 음식을 먹으면 느껴지는 신체 내 생물학적 충족감은 뇌 속에 다양한 쾌락신호를 발생시키고, 이는 서로 다른 종류의 기억을 형성하는데 중요한 역할을 수행하는 것으로 보인다.

그러므로 뇌 속에서는 서로 다른 종류의 음식들을 섭취 이후 신체 반응에 따라 독립적으로 처리하고 이를 기억 형성 과정에 반영하는 것으로 생각할 수 있다. 예를 들어 갈증 해소와 에너지 충족 모두를 만족시키기 위해 당분이 높은 음료를 마신다고 하면, 마신 이후 갈증은 해소되지 않지만 에너지 충족감만 올라갈 가능성이 높으므로 다음 번 갈증을 느낄 때에는 그 음료와 관련된 정보를 덜 떠올릴 수도 있다. 

수분 및 에너지 충족감을 뇌에서 따로 처리하고 이를 통해 독립적인 기억을 만들지만 도파민이라는 물질이 뇌에 절대적으로 부족하다면 하나의 부족함을 다른 것으로라도 채우려는 보상 기전이 작동할 가능성도 물론 있다.

우리 몸의 70% 이상이 물로 구성되어 있고 약간의 수분 부족으로도 갈증으로 이어진다. 갈증을 느끼지만 수분 보충을 제대로 하지 않아 만성적인 수분 부족상태가 되면 수분충족감을 인식하는 뇌활밑기관 등과 같은 신체 부위가 이에 적응하여 더 이상 갈증 신호를 낼 수 없을 수도 있다고 한다.

수분 흡수를 통해 확보할 수 있는 일정량의 도파민이 채워지지 않는다면, 우리 몸은 다른 수단을 통해 이를 충족하려는 경향이 발생할 것이고, 가장 쉬운 방법은 음식을 먹으면서 에너지 충족감을 통해 얻는 것이다. 

하지만 쉽게 추측할 수 있듯이, 음식을 먹어서 부족한 도파민을 채우려 해도 수분이 보충될 리도 없고 과잉 영양상태가 되기 쉬울 것이다. 만성 탈수증 상태면 비만 위험도가 높아지는 것도 뇌 속 도파민 부족을 보상받으려는 생물학적 기전이 작동하지만, 이를 착각하여 수분이 아닌 다른 것으로 채우기 때문일 수도 있겠다.   

박형주 한국뇌연구원 한국뇌연구원 신경혈관단위체 연구그룹장

※필자소개

박형주. 한국뇌연구원 신경혈관단위체 연구그룹에서 근무 중이며 대구경북과학기술원(DGIST) 뇌인지과학전공 겸임교수다. 현재 생쥐 모델을 활용해 학습과 기억을 조절하는 세포간 상호작용의 분자 기전을 연구하고 있으며, 뇌 속 기억 형성 및 변화에 대한 흥미로운 연구결과를 일반인들에게 소개하는 저술 작업도 같이하고 있다.

[박형주 한국뇌연구원 한국뇌연구원 신경혈관단위체 연구그룹장 ]