생물학은 대체로 사랑을 배고픔 또는 목마름과 같은 동물적 욕구의 일종으로 본다. 사랑에 관해 많은 연구를 한 인류학자 헬렌 피셔는 사랑을 크게 정념과 연심 및 애정의 세 단계로 나누는데, 각 단계는 명확히 구분되지 않고 서로 겹치는 부분이 있다고 한다. 그에 따르면 정념은 사람을 다른 사람에게로 이끌고, 연심은 사람들이 연애 관계에 자신들의 노력을 집중시키도록 하며, 애정을 통해 아기가 태어나 자라는 동안 배우자와의 관계를 지속하게 된다고 한다.
정념은 초기에 사람들을 이성관계로 이끄는 감정으로, 테스토스테론과 에스트로겐 등의 호르몬 분비량의 증가와 관계가 있다. 이 효과는 대체로 몇 주 내지는 몇 달 이내에 끝난다. 그 다음 단계인 연심은 연애의 대상을 특정한 개인으로 집중시키는 감정이다. 뇌과학의 최근 연구 결과에 따르면, 사람은 사랑에 빠질 때 뇌에서 페로몬, 도파민, 노르에피네프린 및 세로토닌 등의 호르몬이 분비되어 쾌락중추를 자극하고, 이로 인해 심박수의 증가와 식욕과 수면욕의 감퇴 및 강한 흥분 상태 등을 경험하게 된다고 한다. 연구는 이 상태가 대체로 1.5년에서 3년 가량 지속됨을 보여준다.
생화학적 관점 뿐만 아니라 뇌과학적 관점도 있다. 중뇌의 복측피개영역과 배쪽창백, 솔개핵을 주목할 필요가 있다. 복측피개영역은 보상체계이며, 쾌락중추이다. 동기부여와 보상에 관여하며, 쾌락에도 관여한다. 도파민을 분비하여 온몸으로 전달한다. 사랑에 빠진 연인들은 복측피개영역이 활성화 되었고, 이 영역이 활성화되면 코카인에 중독된 환자처럼 행복해진다고 한다. 한마디로, 실연은 마약을 끊는 행위나 다름 없다는 것이다. 이때는 중격측좌핵 영역이 활성화 된다. 복측피개영역 이외에도 사랑에 관여하는 영역인 배쪽창백은 바소프레신과 스트레스 감소 호르몬 코르티솔 분비, 솔개핵은 세로토닌을 분비한다고 한다.
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