잡식 동물의 딜레마

인간은 잡식성 동물입니다. 코알라처럼 고도로 특화된 식단(코알라의 경우 유칼립투스 잎)을 가진 종과 달리, 인간은 다양한 음식을 먹고 생존할 수 있습니다. 인간의 놀라운 식습관에는 잡식성의 딜레마라는 문제가 있습니다(Pollan, 2006; Rozin & Rozin, 1981). 생존을 위해 우리는 건강한 음식을 식별하고 독을 피해야 합니다. 미각과 후각은 서로 협력하여 이러한 능력을 제공합니다. 후각은 포식자를 피하고 성 파트너를 식별하는 등 하등 동물에게 다른 중요한 기능도 하지만, 인간에게는 덜 중요한 기능입니다. 이 모듈에서는 잡식 동물의 딜레마를 해결하기 위해 인간의 미각과 후각이 상호 작용하는 방식에 초점을 맞출 것입니다.

미각과 후각 해부학

미각(미각)과 후각(후각)은 모두 화학적 감각입니다. 즉, 이러한 감각을 자극하는 것은 화학 물질입니다. 더 복잡한 감각은 후각입니다. 후각 수용체는 G단백질 결합 수용체(GPCR)라고 하는 복잡한 단백질입니다. 이 구조는 후각 세포막을 7번 앞뒤로 엮는 단백질로, 냄새 분자를 감지하는 세포 외부의 구조와 후각 뉴런이 뇌로 전달하는 신경 메시지를 활성화하는 세포 내부의 구조를 형성합니다. 냄새 물질을 감지하는 구조는 분자의 활성 부분(예: 탄소 사슬)에 반응하는 부위가 있는 작은 결합 주머니로 생각할 수 있습니다. 인간에게는 약 350개의 기능성 후각 유전자가 있으며, 각 유전자는 특정 종류의 후각 수용체를 발현합니다. 특정 종류의 후각 수용체는 모두 사구체(뇌의 양쪽에 있는 한 쌍의 세포 클러스터)라고 하는 구조에 투사됩니다. 단일 분자의 경우 사구체를 가로지르는 활성화 패턴을 통해 분자의 화학 구조를 파악할 수 있습니다. 따라서 후각 시스템은 환경에 존재하는 방대한 화학 물질을 식별할 수 있습니다. 우리가 접하는 대부분의 냄새는 실제로 화학 물질의 혼합물입니다(예: 베이컨 냄새). 후각 시스템은 단일 분자의 냄새와 마찬가지로 혼합물에 대한 이미지를 생성하여 메모리에 저장합니다(Shepherd, 2005).

미각은 후각보다 더 간단합니다. 쓴맛과 단맛은 후각과 마찬가지로 GPCR을 활용하지만 수용체의 수는 훨씬 적습니다. 쓴맛의 경우 25개의 수용체가 서로 다른 화학 구조에 맞춰 조정됩니다(Meyerhof et al., 2010). 이러한 시스템을 통해 우리는 다양한 독을 감지 할 수 있습니다.

단맛은 훨씬 더 간단합니다. 주요 단맛 수용체는 두 개의 서로 다른 G 단백질 결합 수용체로 구성되며, 이 두 단백질은 각각 금성 파리채를 연상시키는 큰 구조로 끝납니다. 이 복잡한 수용체는 서로 다른 구조와 결합할 수 있는 여러 부위를 가지고 있습니다. 금성 파리통의 말단은 개방되어 있어 매우 큰 분자도 내부에 들어가 수용체를 자극할 수 있습니다.

쓴맛은 포괄적입니다(즉, 매우 다른 화학 구조에 맞춰 조정된 여러 수용체가 공통 뉴런에 공급됩니다). 단맛은 배타적입니다. 비슷한 구조를 가진 당류는 많지만 이 중 인간에게 특히 중요한 당류는 단 세 가지(자당, 포도당, 과당)에 불과합니다. 따라서 우리의 단맛 수용체는 대부분의 당을 배제하고 가장 중요한 당만 남기고 단맛 수용체를 자극합니다. 그러나 단맛 수용체가 일부 비당류에 반응하는 능력은 미각의 위대한 미스터리 중 하나를 제시합니다. 몇몇 비당류 분자는 일차 단맛 수용체를 자극할 수 있습니다(예: 사카린, 아스파탐, 사이클라메이트). 이로 인해 인공 감미료 산업이 생겨났지만 생물학적 중요성은 알려지지 않았습니다. 이러한 비당류 분자가 주요 단맛 수용체를 자극함으로써 어떤 생물학적 목적을 달성할 수 있을까요?

어떤 사람들은 인공 감미료가 체중 감량을 원하는 사람들에게 도움이 된다고 믿게 만들기도 합니다. 당연한 이야기처럼 들리기도 합니다. 설탕에는 칼로리가 있지만 사카린에는 칼로리가 없습니다. 이론적으로 식단에서 설탕을 사카린으로 대체하면 체중이 감소할 것입니다. 실제로 최근 연구에 따르면 사카린을 포도당으로 대체했을 때 쥐의 체중이 실제로 증가한 것으로 나타났습니다(Swithers & Davidson, 2008). 사카린을 설탕으로 대체하면 식욕이 증가하여 나중에 더 많이 섭취할 수 있다는 것이 밝혀졌습니다. 또한 인공 감미료를 섭취하면 신진대사를 변화시켜 체중 감량을 더욱 어렵게 만드는 것으로 보입니다. 그렇다면 자연은 왜 인공 감미료를 우리에게 주었을까요? 우리도 모릅니다.

단맛에 대한 미스터리가 하나 더 있습니다. 단맛 수용체의 발견은 많은 연구자들이 수년 동안 찾아 헤매던 것이었기 때문에 큰 흥분을 불러일으켰습니다. 이 복잡한 수용체가 서로 다른 분자가 결합할 수 있는 여러 부위를 가지고 있다는 사실은 많은 다른 분자가 단맛을 느끼는 이유를 설명했습니다. 그러나 이것은 사실 심각한 문제입니다. 어떤 분자가 이 수용체를 자극하더라도 수용체에서 나오는 신경 출력은 동일합니다. 이는 모든 단맛 물질의 단맛이 동일해야 한다는 것을 의미합니다. 그러나 인공 감미료는 설탕과 똑같은 맛이 나지 않습니다. 그 이유는 수용체를 구성하는 두 단백질 중 하나가 단독으로 작용할 수 있지만, 강한 농도의 설탕만이 이 고립된 단백질 수용체를 자극하기 때문일 수 있습니다. 이를 통해 뇌는 설탕의 단맛과 설탕이 아닌 분자의 단맛을 구분할 수 있습니다.

짠맛과 신맛은 가장 단순한 맛으로, 이러한 자극은 이온화(양전하와 음전하를 띤 입자로 분해)됩니다. 전달 시리즈의 첫 번째 이벤트는 양전하를 띤 입자가 미각 세포막의 채널을 통해 이동하는 것입니다(Chaudhari & Roper, 2010).

잡식 동물의 딜레마 해결: 미각의 영향은 선천적입니다.

단맛과 짠맛과 관련된 즐거움과 신맛과 쓴맛과 관련된 불쾌감은 뇌에 단단히 연결되어 있습니다. 신생아는 단맛(모유의 맛)을 좋아하고 쓴맛(독)을 즉시 싫어합니다. 짠맛을 매개하는 수용체는 인간에서 태어날 때 성숙하지 않지만 생후 몇 주 후에 성숙하면 아기는 묽은 소금을 좋아합니다 (더 농축 된 소금은 피할 수있는 따끔 거림을 불러 일으킬 수 있지만). 신맛은 일반적으로 싫어하지만(산으로 인한 조직 손상을 방지하기 위해?), 놀랍게도 오늘날 시판되는 신맛이 나는 사탕을 실제로 좋아하는 어린 아이들도 있는데, 이는 과일에 대한 경험의 폭이 넓기 때문일 수 있습니다(Liem & Mennella, 2003). 이러한 선천적 영향은 맛의 가장 두드러진 특징이며, 이것이 바로 선천적 영향이 있는 맛의 특성만을 "기본 맛"으로 분류하는 이유입니다.

잡식 동물의 딜레마에 대한 또 다른 기여: 후각적 영향은 학습됩니다.

후각의 생물학적 기능은 냄새가 코로 들어오는 방식에 따라 달라집니다. 냄새를 맡으면 냄새 물질이 콧구멍을 통해 들어옵니다. 냄새 물질이 비갑개 뼈에 닿으면 냄새가 나는 공기가 비강 상단으로 올라가 좁은 구멍(후각 틈새)을 통과하여 후각 점막(후각 수용체가 있는 조직)에 도달합니다. 이를 엄밀히 말하면 "구강 후각"이라고 합니다. 구강 후각은 우리 몸 외부의 세계에 대해 알려줍니다.

음식을 씹고 삼킬 때 음식에서 방출되는 냄새 물질은 입천장(입천장) 뒤쪽으로 밀려 올라가 뒤쪽에서 코로 들어오는데, 이를 "후각적 후각"이라고 합니다. 구취와 후각은 동일한 냄새 분자와 동일한 후각 수용체를 포함하지만, 뇌는 이 둘의 차이를 구분할 수 있으며 동일한 영역으로 입력을 보내지 않습니다. 후각과 미각은 아마도 맛에 통합된 것으로 추정되는 몇 가지 공통 영역에 투사됩니다. 맛은 우리가 먹고 있는 음식에 대해 알려줍니다.

후각이 메스꺼움과 짝을 이루면 후각적 후각을 유발하는 음식은 혐오감을 느끼게 됩니다. 후각이 뇌가 가치 있다고 생각하는 상황(칼로리, 단맛, 다른 출처에서 오는 쾌감 등)과 짝을 이루면 그 감각을 불러일으키는 음식이 좋아집니다. 이를 조건부 혐오 및 선호라고 합니다(Rozin & Vollmecke, 1986).

조건부 혐오를 경험한 사람들은 어떤 맛이 메스꺼움과 결합될 때 유발되는 혐오감(심지어 혐오감까지)이 음식의 냄새만으로 일반화될 수 있다는 것을 알 수 있습니다(후각적 혐오감). 몇 년 전, 제레미 울프와 린다 바토슈크는 대학생과 교직원을 대상으로 메스꺼움과 관련된 음식/음료를 섭취한 후 발생한 조건부 혐오감을 조사했습니다(Bartoshuk & Wolfe, 1990). 혐오감의 29%에서 피험자들은 음식/음료의 냄새조차 혐오감을 느꼈다고 보고했습니다. 음식물의 다른 속성도 혐오감을 유발할 수 있습니다. 특이한 사례로는 치즈 크래커에 대한 혐오가 용기가 비슷하다는 이유로 바닐라 웨이퍼에 대한 혐오로 일반화된 경우가 있었습니다. 조건화된 혐오감은 우리 뇌가 질병과 연관된 음식을 섭취하지 않도록 보호하는 기능을 합니다. 조건화된 선호는 형성하기는 어렵지만, 안전한 음식이 무엇인지 학습하는 데 도움이 됩니다.

후각과 관련된 영향은 고정되어 있나요? 페로몬은 특정 행동을 유발하는 후각 분자로 알려져 있습니다. "인간 페로몬"을 검색하면 성적으로 더 매력적으로 보이게 하는 다양한 스프레이를 판매하는 웹사이트로 연결됩니다. 그러나 신중한 연구에 따르면 인간이나 다른 포유류에 대한 이러한 주장은 뒷받침되지 않습니다(Doty, 2010). 예를 들어, 한때 양수에는 새끼 쥐를 어미 쥐의 젖꼭지로 유인하여 젖을 빨게 하는 페로몬이 포함되어 있다고 믿었습니다. 페로몬 역할을 하는 분자를 규명하는 데 초기의 관심이 집중되면서 새로운 냄새 물질인 시트랄(레몬 냄새)이 양수를 쉽게 대체할 수 있을 때 이러한 행동이 학습된다는 사실이 이해되었습니다(Pedersen, Williams, & Blass, 1982).

중심 상호작용: 미각 손상을 이해하는 열쇠

후각과 미각이 풍미에 통합되는 것만이 음식이 불러일으키는 감각의 유일한 중심적인 상호작용은 아닙니다. 대부분의 경우 이러한 통합은 중요한 생물학적 기능을 수행하지만 때때로 잘못되어 임상 병리로 이어지기도 합니다.

미각은 세 개의 뇌신경에 의해 매개되며, 이 신경은 양측 신경으로 각각 입의 한쪽을 자극합니다. 이들은 말초 신경계에서 연결되지 않기 때문에 중간 선을 가로지르는 상호 작용이 뇌에서 발생해야 합니다. 참고로, 정중선을 가로지르는 상호작용을 연구하는 것은 중추적 상호작용에 대한 추론을 이끌어내는 고전적인 방법입니다. 이러한 유형의 연구에서 얻은 통찰력은 뇌 기능을 직접 영상화하기 훨씬 이전부터 중추 과정을 이해하는 데 매우 중요했습니다.

혀의 앞쪽 3분의 2(혀를 내밀 수 있는 부분)의 미각은 성대 신경에 의해 매개되고, 뒤쪽 3분의 1(붙어 있는 부분)의 미각은 설인두 신경에 의해 매개됩니다. 미뢰는 혀를 울퉁불퉁하게 보이게 하는 구조인 일부 유두의 조직에 묻혀 있는 작은 세포 클러스터(오렌지 조각과 같은)입니다. 필라멘트 유두는 가장 작고 혀 전체에 분포하며 미뢰가 없습니다. 고양이와 같은 종에서 유두는 작은 숟가락 모양을 하고 있으며, 고양이가 혀를 굴리는 동안 액체를 혀에 담을 수 있도록 도와줍니다(접시에서 혀를 굴려보면 이 특별한 유두가 없으면 얼마나 힘든지 알 수 있을 것입니다). 곰팡이 모양의 유두(작은 단추 버섯을 닮았다고 해서 붙여진 이름)는 혀 앞쪽의 큰 원형 구조물(성대 신경이 분포하는)입니다. 각각 약 6개의 미뢰가 있습니다. 곰팡이 유두는 육안으로 볼 수 있지만 혀에 파란색 식용 색소를 묻혀보면 도움이 됩니다. 곰팡이 유두는 혀의 나머지 부분처럼 잘 착색되지 않으므로 파란색 배경에 분홍색 원처럼 보입니다. 일부 혀에서는 곰팡이 유두의 간격이 물방울 무늬처럼 보입니다. 다른 혀에는 곰팡이 모양의 유두가 10배나 많을 수 있으며, 그 간격이 너무 촘촘하여 혀 사이에 공간이 거의 없습니다. 곰팡이 유두의 밀도와 맛에 대한 인식 사이에는 연관성이 있습니다. 가장 강렬한 미각을 경험하는 사람들(우리는 그들을 슈퍼 마스터라고 부릅니다)은 곰팡이 유두를 가장 많이 가지고 있는 경향이 있습니다. 덧붙여 말하자면, 이것은 기능과 관련된 가시적인 해부학적 변화의 감각 과정에서 드문 예입니다. 우리는 다양한 사람의 혀를 관찰하여 어떤 사람이 가장 강렬한 미각 감각을 경험할지 예측할 수 있습니다.

설인두 신경에 의해 자극을 받는 미뢰를 수용하는 구조물을 구상유두라고 합니다. 이는 혀의 뒤쪽을 가로질러 역 V자 모양으로 배열된 비교적 큰 구조물입니다. 각각은 해자로 둘러싸인 작은 섬처럼 보입니다.

미각 신경은 뇌로 전달되어 서로에게 억제 신호를 보냅니다. 이러한 억제의 생물학적 결과 중 하나는 미각의 불변성입니다. 한 신경이 손상되면 미각 입력이 감소하지만 다른 신경에 대한 억제도 감소합니다(Bartoshuk 외 2005). 이러한 억제 방출은 손상되지 않은 신경의 중추 신경 신호를 강화하여 입 전체의 기능을 유지합니다. 흥미롭게도 이러한 억제 방출은 매우 강력하여 실제로 입 전체의 미각을 증가시킬 수 있습니다. 제한된 미각 손상의 작은 효과는 가장 초기의 임상 관찰 중 하나입니다. 1825년 브릴라트-사바린은 그의 저서 '미각의 생리학'에서 혀 절단이라는 끔찍한 형벌을 받은 전직 죄수와의 인터뷰를 기술했습니다. "암스테르담에서 심부름을 하며 생계를 유지하던 그는 어느 정도 교육을 받았기 때문에 글을 통해 의사소통이 쉬웠습니다. 혀의 앞부분이 인대까지 깨끗하게 잘려나간 것을 관찰한 후, 나는 그에게 음식에서 여전히 맛을 느낄 수 있는지, 그리고 그가 겪은 잔인함 속에서도 미각이 살아남았는지 물었습니다. 그는 대답했다... 그는 여전히 상당히 잘 맛볼 수있는 능력을 가지고 있습니다."(Brillat-Savarin, 1971, 35 페이지). 이 부상으로 인해 시신경은 손상되었지만 설인두 신경은 살릴 수 있었습니다.

이제 우리는 미각 신경이 서로를 억제할 뿐만 아니라 다른 구강 감각도 억제한다는 것을 알고 있습니다. 따라서 미각 손상은 구강 촉각(지방)과 구강 화상(고추)을 강화할 수 있습니다. 실제로 미각 손상은 일반적으로 통증과 관련이 있는 것으로 보입니다. 야생에서 부상을 입은 동물을 생각해 보세요. 통증으로 인해 먹이가 줄어들면 생존 가능성이 줄어들 것입니다. 그러나 자연은 미각 입력이 통증을 억제하도록 뇌에 배선되어 있는 것으로 보입니다. 먹이 섭취가 강화되고 동물의 생존 확률이 높아집니다.

미각 손상 및 체중 증가

미각 손상의 영향은 손상 정도에 따라 다릅니다. 미각 신경이 하나만 손상되면 억제 기능이 해제됩니다. 손상이 충분히 광범위하면 한 가지 가능한 예외를 제외하고는 기능이 상실됩니다. 예비 데이터에 따르면 미각 손상이 광범위할수록 통증이 더 심해지며, 이는 분명히 임상적 관심사입니다.

하나의 미각 신경이 손상되면 구강 촉각(예: 지방에 의해 유발되는 크리미하고 점성이 있는 감각)이 강화될 수 있습니다. 가장 놀라운 사실은 미각 신경 하나가 손상되면 후각이 강화될 수 있으며, 이는 입 전체의 미각 강화로 인한 부차적인 결과로 발생할 수 있다는 것입니다.

이러한 감각 변화는 음식의 기호성을 변화시킬 수 있으며, 특히 고지방 음식이 더 맛있게 느껴질 수 있습니다. 따라서 저희가 가장 먼저 조사한 분야 중 하나는 가벼운 미각 손상이 체질량 지수 증가로 이어질 수 있다는 가능성이었습니다. 중이 감염(중이염)은 고막 신경을 손상시킬 수 있으며 편도선 절제술은 설인두 신경을 손상시킬 수 있습니다. 두부 외상은 두 신경 모두에 손상을 주지만, 특히 고실신경에 가장 큰 타격을 입히는 경향이 있습니다. 이러한 모든 임상 조건은 일부 개인의 체질량 지수를 증가시킵니다. 더 많은 연구가 필요하지만 지방 감각의 강화, 고지방 음식의 기호성 향상, 체중 증가 사이의 연관성이 의심됩니다.