후각의 원리
소개: 후각은 우리가 주변의 냄새를 감지하고 이해하는 데 핵심적인 역할을 하는 감각 중 하나입니다. 인간은 대략 10000개의 서로 다른 냄새를 감별할 수 있는 것으로 추정됩니다. 우리는 어떻게 냄새를 맡는것일까요? 사과에서 무언가가 빠져나와 그것이 코로 들어가고 코의 어떤 세포가 활성화 되는것일까요?
1. 후각의 기본 원리
- 후각은 우리가 주변에서 나는 냄새를 감지하고 이해하는 데 관여하는 감각 중 하나입니다. 후각의 기본 원리는 공기 중에 떠다니는 미립자로 이루어진 냄새 분자들이 우리의 코로 들어와 후각 세포와 상호 작용하는 과정으로 설명할 수 있습니다.
- 흡입 단계 (Inhalation): 냄새가 발생하는 물체에서 나오는 냄새 분자들은 공기 중으로 방출됩니다. 이 분자들은 주위 공기와 섞여 다양한 방향으로 퍼져 나갑니다.
- 인지 단계 (Detection): 흡입된 냄새 분자들은 코 내부에 있는 후각 세포로 도달합니다. 코 내부에는 특별한 냄새 수용체가 존재하며, 이 수용체는 특정한 종류의 냄새 분자에 반응합니다.
- 전달 단계 (Transmission): 후각 세포에서 감지된 냄새 신호는 특정한 뇌 영역인 루시드 올팩터리 뇌로 전달됩니다. 이곳에서 신경 활동이 발생하며, 이를 통해 우리는 냄새를 감지하고 인식합니다.
- 뇌의 냄새 해석 (Brain Interpretation): 뇌는 받아들인 냄새 신호를 해석하여 각각의 냄새가 무엇인지를 판단합니다. 뇌의 특정 부분은 이러한 냄새 정보를 기억과 연결시키며, 특정한 냄새에 대한 기억과 감정을 형성합니다.
- 기억과 감정의 연결 (Memory and Emotion): 후각은 기억과 감정과 밀접한 관련이 있습니다. 특정한 냄새는 어린 시절의 기억이나 특별한 순간을 떠올리게 할 수 있습니다. 후각은 다른 감각과는 다르게 뇌의 깊은 영역과 연결돼 있어 기억과 감정과 강력한 연결고리를 형성합니다.
2. 특이한 후각 세포
후각 세포는 코 내부에 위치한 세포로, 냄새를 감지하고 뇌로 전달하는 주요 역할을 담당합니다. 이 중에서도 특이한 후각 세포에는 두 가지 주요 종류가 있습니다: 폐쇄형 후각 세포 (ciliated olfactory receptor cells)와 호흡성 후각 세포 (olfactory supporting cells)입니다.
- 폐쇄형 후각 세포 (Ciliated Olfactory Receptor Cells):
- 이러한 후각 세포는 코 내부의 냄새 수용체에서 발견됩니다.
- 냄새 수용체는 후각 세포의 수용체 부분으로, 특정한 냄새 분자에 대해 선택적으로 반응합니다.
- 이러한 세포는 주로 실제로 냄새를 감지하고 신호를 생성하는 역할을 합니다.
- 각각의 후각 세포는 세포막(cilia)이라 불리는 짧은 소포로 덮여 있으며, 이것이 냄새 수용체에서 나오는 냄새 분자에 반응합니다.
2. 호흡성 후각 세포 (Olfactory Supporting Cells):
- 이러한 후각 세포는 폐쇄형 후각 세포를 지지하고 보호하는 역할을 합니다.
- 냄새 세포막에서 나오는 물질이나 먼지로부터 후각 세포를 보호하는데 기여합니다.
- 또한 후각 세포의 활동을 조절하고 유지하는 데 도움이 되는 역할을 합니다.
- 호흡성 후각 세포는 코 내부의 환경을 유지하고 최적의 조건에서 후각 세포가 정상적으로 작동할 수 있도록 지원합니다.
후각신경상피는 망막이나 와우(Cochlea)와 같은 후각 의 일차감각기관입니다. 후열(Olfactory Cleft)에 존재하며 상비갑개와 중비갑개의 상부에 분포합니다 후각신경상 피는 신경세포와 비신경세포로 구성됩니다. 신경세포는 후각신경세포(Olfactory Receptor Neurons)로 후각수용 체를 발현하며 냄새분자에 반응하는 후각의 일차 신경세포입니다
후각신경세포에는 대략 20~30개의 무 운동성 섬모(Non-Motile Cilia), 즉 후각섬모(Olfactory Cilia)가 존재한다. 후각섬모는 두께가 대략 0.1 μm이 고 길이는 5~20 μm이다. 후각수용체는 후각섬모에 분 포하여 냄새분자와 결합한다. 결과적으로 후각섬모는 후 각점막의 단면적을 극대화 시키는 역할을 한다. 후각점 막에는 후각 점액(Mucus)이 존재한다. 후각 점액은 두 께가 대략 5~30 μm로 물, 이온, 다양한 점액다당류와 단 백으로 구성된다. 냄새분자는 후각 점막에 녹아서 후각 수용체까지 이동하며 단백 중에서 냄새분자결합단백(Odorant Binding Protein)이 지용성(Lipophilic) 냄새분자 의 이동을 촉진시키는 것으로 알려져 있다 후각신경세 포는 후각상피에 존재하는 전구세포 혹은 줄기세포로부 터 끊임없이 재생되며 약 40~50일 간격으로 새로 생성되 는 것으로 알려져 있다. 비신경세포(Non-Neuronal) 로는 지지세포(Supporting Cell)와 미세융모세포(Microvillar Cell)가 존재하며 그 역할은 뚜렷하지 않지만, 해 독작용(Detoxification)과 이온환경의 조성에 기여하는 것으로 알려져 있다. 상피하 조직에는 Bowman’s gland와 후각신경세포의 축삭 다발, 그리고 축삭 다발을 둘 러싸는 Olfactory Ensheathing glial Cell이 분포한다
이러한 특이한 후각 세포들은 냄새를 감지하고 신경 신호로 변환하여 뇌로 전달함으로써 우리가 주변의 환경에서 나는 다양한 냄새를 감지하고 이해하는 데 기여합니다. 후각 세포는 냄새 감지의 핵심이며, 이를 통해 음식의 맛이나 주변의 환경에 대한 정보를 인식할 수 있습니다.
냄새의 특성을 결정짓는 요소
기능기를 포함하여 냄새분자의 구조와 냄새의 성상간 의 관계에 대해서 살펴보자. 첫째, 기능기를 갖는 냄새분 자는 더 강한 냄새를 발한다. 둘째, 골격(Backbone)이 되는 탄소 수는 적을수록 기능기 고유의 냄새가 강해져 자극적이고 탄소수가 8~13개일 때 가장 향기로운 냄새 가 강하다. 셋째, 탄소 사이의 이중결합 혹은 삼중결합의 수가 많아 불포화도가 커지면 더 강한 냄새를 갖는다. 넷째, 분자 구조 내에 Sulfur나 Nitrogen이 있으면 냄새 가 더 강하다. 다섯째, 알콜기는 하나 있을 때 냄새가 가 장 강하고, 많아질수록 약해져 무취가 된다. 여섯째, 에스 테르기는 산이나 알콜기보다 방향성이 더 크고, 케톤기 와 마찬가지로 탄소 고리가 길어지면 사향(Musk)과 같 은 냄새가 강해져 15~16일 때 가장 좋은 냄새가 된다. 냄새는 단순한 분자 구조에 의해서만 결정되지는 않는 다. Androstenone의 경우 (+) 광학이성질체일 때는 냄새가 없지만 (-) 광학이성질체가 되면 사향 냄새가 나므 로 후각신경세포는 이성질체의 구조적 차이까지도 감별 해 낼 수 있는 뛰어난 수용기인 셈이다. 냄새분자의 농도 도 영향을 미친다. 방귀냄새의 원인이 되는 Skatole이나 Indole의 경우 고농도에서는 분뇨 냄새가 나지만 희석 하면 상쾌한 향으로 바뀐다. 습도나 온도도 냄새에 영향 을 미칠 수있다. 이를 뒷받침할 수 있는 연구결과가 충 분하지는 않지만 습도가 증가할수록 냄새 세기도 조금 강하게 느껴지는 것으로 알려져 있다.
후각 정보의 조합적 암호화
인간에서 후각수용체는 400개 안팎으로 예상된다.하지만 인간이 감별할 수 있는 냄새분자는 이보다 훨씬 많은 숫자이다. 현재까지의 연구로는 한 개의 냄새분자가 여러 개의 후각수용체를 동시에 자극할 수 있으며 한 개 의 후각수용체가 여러 개의 냄새분자에 의해서 동시에 자극될 수 있는 것으로 알려져 있다. 따라서 후각정보가 후각수용체 수준에서 조합에 의한 암호화 과정을 거친 다고 할 수 있다. 각각의 냄새분자가 인지되는 것은 한 개의 후각수용체에 의해서가 아니라 여러 후각수용체의 조합에 의해서 가능해진다. 각 냄새분자는 고유의 조합코드를 가지게 되는 것이다. 냄새분자의 구조가 조 금만 바뀌어도 다른 냄새로 인식되는 것은 조합코드가 달라지기 때문으로 이해된다.
3. 뇌의 냄새 해석
뇌의 냄새 해석은 복잡하고 정교한 프로세스로 이루어져 있습니다. 인체의 뇌는 후각을 통해 받아들인 냄새 정보를 해석하여 다양한 반응 및 경험을 유발하는데, 이는 기억, 감정, 식욕, 생존과 관련된 여러 기능에 연결됩니다.
뇌에서의 냄새 처리는 크게 두 단계로 나뉩니다.
- 후각 피질로의 신호 전달:
- 냄새 수용체에서 감지된 냄새 분자는 후각 세포를 통해 신호로 전환됩니다.
- 이 신호는 후각 불러오기를 담당하는 뇌의 일부인 뇌피질에 도착합니다.
- 뇌피질은 이 신호를 냄새의 특성으로 해석하고, 다양한 냄새를 식별하는 데 사용됩니다.
- 감정 및 기억과의 연결:
- 냄새 정보는 뇌의 리머 등의 부위에서 감정과 기억과 연결됩니다.
- 특정한 냄새는 과거의 기억과 감정과 연관되어 있을 수 있습니다. 예를 들어, 어떤 음식의 특별한 냄새는 어릴 적의 기억이나 특별한 순간을 떠올리게 할 수 있습니다.
- 냄새는 생존에 필요한 정보도 제공할 수 있습니다. 식물이나 음식의 부패 냄새는 유해한 물질의 존재를 알려주어, 인체가 위험에서 벗어날 수 있게 도와줍니다.
이와 같이, 뇌는 냄새를 통해 받아들인 정보를 다양한 측면에서 처리하여 우리의 경험과 행동에 영향을 미칩니다. 특히, 냄새는 감정과 강하게 연결되어 있어 특정한 냄새가 감정적인 반응이나 행동을 유발할 수 있습니다. 이러한 냄새 처리 메커니즘은 우리의 삶과 상호 작용하면서 다양한 환경에서 의미 있는 정보를 제공합니다.
4. 냄새와 기억
냄새와 기억 간의 강력한 연결은 우리 일상 경험에서 자주 볼 수 있는 현상 중 하나입니다. 냄새는 기억의 형성, 저장 및 회상에 큰 역할을 할 수 있으며, 특히 아래와 같은 몇 가지 이유로 이러한 연결이 강력하게 일어납니다.
- 뇌 구조:
- 냄새는 뇌의 주요 기억과 감정 처리 지역인 해마와 amygdala에 직접적으로 연결됩니다.
- 해마는 공간 기억을 담당하며, 냄새를 통해 받아들인 정보는 공간적으로 정확한 컨텍스트를 제공할 수 있습니다.
- Amygdala는 감정과 연관된 중요한 역할을 합니다. 냄새는 특히 감정과 강하게 연결되어 있어, 특정한 냄새가 감정적인 반응이나 기억을 유발할 수 있습니다.
- 진화적 측면:
- 인간이나 다른 동물이 생존에 필요한 정보를 얻기 위해 냄새를 사용했던 과거를 고려할 때, 냄새는 중요한 신호의 원천 중 하나였습니다.
- 특정한 냄새가 위험한 음식이나 환경을 가리키면, 해당 정보는 기억에 강하게 남아 동물이 더 나은 선택을 할 수 있도록 도왔습니다.
- 감각 통합:
- 냄새는 다른 감각과도 관련성이 있어 감각 통합에 기여합니다. 특히 시각적인 장면이나 소리와 연결되어 냄새가 기억에 더 강한 인상을 남길 수 있습니다.
- 이는 완전한 경험의 일환으로 냄새가 기억과 결합될 때 감각적 풍부성을 증가시킵니다.
- 감정과의 결합:
- 냄새는 감정적인 경험과 강하게 연결되어 있습니다. 특히 특정한 냄새가 특정한 순간이나 인물과 연결되어 있으면, 해당 냄새는 그 순간이나 인물과 관련된 감정을 자극할 수 있습니다.
- 이로 인해 냄새는 특별한 순간이나 사람에 대한 감정적인 기억을 활성화시키는 데 사용될 수 있습니다.
이러한 이유로, 냄새와 기억은 뇌의 여러 부분과의 복잡한 상호 작용을 통해 강력하게 연결되어 있습니다. 냄새를 통해 활성화된 기억은 우리의 삶과 경험에 깊은 감정적 흔적을 남기며, 때로는 강한 회상과 연결된 특별한 순간을 만들어냅니다.
5. 후각의 중요성
후각은 인간의 다섯 감각 중 하나로, 냄새를 감지하고 해석하는 능력을 나타냅니다. 후각은 여러 가지 측면에서 중요한 역할을 합니다.
- 음식과 맛의 감지:
- 후각은 음식과 음료물의 맛을 인식하는 데 중요한 역할을 합니다. 우리가 먹는 음식의 다양한 맛 중 일부는 실제로 특정 물질들의 냄새로 이루어져 있습니다. 식품과 음료물의 향기를 감지함으로써 맛을 완성시키고, 식욕을 일으키거나 어떤 음식이 신선하고 안전한지 판단하는 데 도움을 줍니다.
- 안전 및 환경 감지:
- 후각은 환경에서의 냄새를 감지하여 안전하게 살아갈 수 있도록 도와줍니다. 화재, 가스 누출, 신선한 음식의 상태 등을 냄새로 감지하여 우리에게 경고하고, 위험을 피할 수 있도록 도와줍니다.
- 감정과 기억과의 연관성:
- 후각은 감정과 강하게 연결되어 있습니다. 특정한 냄새가 특정한 감정을 일으키거나, 특정한 순간이나 장소와 연관된 기억을 활성화할 수 있습니다. 이는 특별한 순간을 기억하고, 감정적인 경험에 깊은 흔적을 남기는 데 도움을 줍니다.
- 사회적 상호작용:
- 후각은 다른 개인이나 동물과의 상호작용에서도 중요한 역할을 합니다. 인간은 후각을 통해 다른 개인의 냄새를 감지하여 가족, 친구, 동료, 식물, 동물 등과의 상호작용에 참여하고, 소통하게 됩니다.
- 생체 리듬과의 연결:
- 후각은 심리적인 부분뿐만 아니라 생체 리듬과도 연결되어 있습니다. 특정한 냄새가 우리의 기분이나 활동 수준에 영향을 미칠 수 있으며, 편안하거나 활기찬 환경을 조성하는 데 도움을 줄 수 있습니다.
- 인지 능력 향상:
- 일부 연구에 따르면, 특정한 향기나 냄새가 인지 능력 향상에 도움을 줄 수 있다는 것이 제안되고 있습니다. 특히 로즈마리나 피의 향기는 기억력을 향상시키는 데 긍정적인 영향을 미칠 수 있다고 보고되고 있습니다.
총체적으로, 후각은 우리의 삶과 안녕에 중요한 역할을 하는 감각 중 하나로, 음식의 맛을 느끼는 데서부터 감정과 기억의 형성, 안전 감지, 사회적 상호작용까지 다양한 측면에서 영향을 미칩니다.
결론:
후각은 냄새를 감지하고 해석함으로써 우리의 일상 생활에 큰 기여를 하는 감각 중 하나입니다. 이러한 후각의 작용 원리를 이해함으로써 냄새가 우리에게 미치는 영향과 후각의 중요성을 더 깊이 이해할 수 있습니다.
– 후각 수용체의 후각 기전(김정훈, 2007)