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[과학자가 쓴 과학책#21] 나는 뇌를 만들고 싶다 by 선웅

‘미니 뇌’라고 불리는 뇌 오가노이드는 실제 인간의 뇌를 아주 작은 크기로 재현한 생체 조직입니다. 비록 크기는 1~3mm에 불과하여 실제 뇌의 부피인 1,300cc에 비하면 매우 작지만, 그 안에는 뇌가 갖추어야 할 기본적인 요소들이 포함되어 있습니다. 이는 배아줄기세포를 활용하여 실제 태아가 자궁 내에서 발달하는 과정과 유사한 환경을 조성함으로써 만들어집니다. 과학자들은 이를 통해 복잡한 인간의 뇌 구조를 세포 수준에서 관찰하고 연구할 수 있는 소중한 기회를 얻게 됩니다. 뇌 오가노이드는 뇌 전체를 완벽하게 복제하기보다는 대뇌, 소뇌, 척수 등 특정 부위의 특성을 대변하는 방식으로 제작됩니다. 흥미로운 점은 동일한 줄기세포에서 출발한 ‘쌍둥이’ 같은 존재임에도 불구하고, 배양 환경이나 발생 과정 중의 우연한 요소에 따라 각기 다른 개성을 갖게 된다는 것입니다. 연구자들은 이러한 개체 차이를 ‘변이’라고 부르며, 유전적 요인과 환경적 요인이 복합적으로 작용하여 생명체가 형성되는 신비로운 과정을 미니 뇌를 통해 실시간으로 목격하고 있습니다. 미니 뇌를 키우는 과정은 마치 아이를 양육하는 것과 같은 정성과 인내를 필요로 합니다. 태아의 뇌부터 성인의 뇌에 가까운 특성을 관찰하기 위해서는 짧게는 수백 일에서 길게는 몇 년 동안 세포를 배양해야 하기 때문입니다. 연구자들은 오랜 시간 공을 들여 세포 덩어리가 점차 뇌의 형상을 갖추어 가는 모습을 보며 경이로움을 느끼기도 하지만, 동시에 원하는 결과를 얻기까지의 고단함과 책임감을 경험합니다. 이러한 긴 호흡의 연구는 인간 뇌의 발달 단계를 이해하는 데 필수적인 과정입니다. 현재의 미니 뇌는 인간 뇌의 ‘다운그레이드 버전’이라고 할 수 있지만, 그 실용적 가치는 매우 높습니다. 실제 인간을 대상으로 하기 어려운 신약 개발이나 독성 검사에서 윤리적 문제로부터 비교적 자유로운 대안이 될 수 있기 때문입니다. 또한, 이 다운그레이드된 모델을 어떻게 하면 실제 인간의 뇌에 더 가깝게 ‘업그레이드’할 수 있을지 고민하는 과정 자체가 곧 인간 뇌의 작동 원리를 규명하는 길과 맞닿아 있습니다. 이는 질병 치료를 위한 새로운 돌파구를 마련하는 중요한 기반이 됩니다. 미니 뇌 연구는 인공지능(AI) 및 기계 공학과의 결합을 통해 더욱 확장되고 있습니다. 뇌 오가노이드에 전극을 연결하여 전기적 신호를 측정하고 이를 기계와 연동하는 ‘뇌-기계 인터페이스(Brain-Machine Interface)’ 기술은 이미 현실화되고 있습니다. 인공지능이 논리적이고 통제 가능한 공학적 산물이라면, 미니 뇌는 생물학적 본질을 간직한 존재로서 서로 보완적인 관계를 맺습니다. 미래에는 이러한 기술들이 결합하여 손상된 뇌 기능을 재활하거나 인간의 인지 능력을 보조하는 혁신적인 수단으로 자리 잡을 것으로 기대됩니다. 신경과학은 1969년에 공식적인 용어가 채택되었을 만큼 과학사에서 비교적 젊은 학문에 속합니다. 아직 우리가 뇌에 대해 모르는 것이 많다는 사실은 역설적으로 이 분야가 ‘긁지 않은 복권’과 같은 무한한 가능성을 품고 있음을 의미합니다. 최첨단 기술을 동원하여 뇌의 복잡한 네트워크와 신호 체계를 분석하는 과정은 인류 지식의 최전선을 넓히는 작업입니다. 비록 뇌의 모든 신비를 풀기까지는 갈 길이 멀지만, 매 순간 이루어지는 새로운 발견들은 우리 자신을 이해하는 방식을 근본적으로 바꾸어 놓고 있습니다. 과학의 발전은 연구실 안에서만 머무는 것이 아니라 대중과의 소통을 통해 완성됩니다. 뇌과학의 복잡한 전문 용어 뒤에 숨겨진 본질적인 질문들을 쉬운 언어로 풀어내어 공유하는 것은 사회적 공감대를 형성하는 데 매우 중요합니다. 미니 뇌 기술이 가져올 미래의 변화에 대해 함께 고민하고 익숙해지는 과정은 과학이 인류의 삶에 올바르게 기여하도록 돕는 밑거름이 됩니다. 끊임없이 업데이트되는 연구 성과들이 우리 사회의 지적 지평을 넓히고, 더 나은 미래를 설계하는 영감이 되기를 희망합니다.

선웅

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[석학인터뷰] 선웅_ 뇌 오가노이드, 말그대로 뇌를 만드는 거죠 | 2020 봄 카오스강연 '첨단기술의 과학'

신경발생학은 우리 몸의 가장 복잡한 기관인 뇌와 신경계가 형성되는 과정을 탐구하는 학문입니다. 과거 한스 슈페만이라는 과학자가 배아를 조작해 머리가 두 개인 도롱뇽을 만들어낸 실험은 생명체를 인위적으로 설계하고 만들 수 있다는 가능성을 보여주며 많은 이들에게 영감을 주었습니다. 이러한 연구의 연장선에서 등장한 것이 바로 '오가노이드'입니다. 오가노이드는 우리 몸의 장기를 뜻하는 '오간(Organ)'에서 유래한 용어로, 배양 접시 안에서 인위적으로 만들어낸 3차원 장기 유사체를 의미합니다. 특히 뇌 오가노이드는 실제 뇌와 유사한 구조를 재현함으로써 생명 탄생의 신비를 밝히는 핵심적인 도구로 주목받고 있습니다. 현대 인류는 과거보다 훨씬 더 다양한 기계와 장비를 활용하여 뇌의 기능을 보조받고 있습니다. 과거에 사용하던 주판이 사라지고 컴퓨터가 그 자리를 대신한 것처럼, 미래에는 인공지능이나 로봇 같은 외부 장치가 우리 뇌의 능력을 더욱 확장하는 시대가 올 것입니다. 이러한 변화를 주도하기 위해서는 우리 뇌가 어떤 부분에서 뛰어난지, 혹은 어떤 한계가 있는지를 명확히 파악하는 과정이 필수적입니다. 뇌의 작동 원리를 깊이 있게 이해할수록 우리는 더욱 정교한 보조 장비를 개발할 수 있으며, 이를 통해 모든 사람이 자신의 잠재력을 극대화하며 살아가는 새로운 세상을 맞이하게 될 것입니다. 생명체를 온전히 이해하기 위해서는 진화라는 관점을 빼놓을 수 없습니다. 스티븐 제이 굴드의 저서에서 강조하듯, 생명체가 어떻게 진화해 왔는지를 파악하는 것은 생명과학의 근간을 이루는 중요한 작업입니다. 우리가 뇌에 대해 얼마나 많은 정보를 알고 있는지를 판단하는 가장 확실한 기준 중 하나는 바로 '우리가 직접 만들 수 있는가'입니다. 아주 단순한 세포 하나로부터 실제 뇌와 유사한 조직을 만들어가는 과정은 뇌의 작동 방식을 이해하는 가장 직접적인 경로가 됩니다. 이러한 연구는 단순히 기술적인 성취를 넘어, 인간 지성의 본질이 무엇이며 우리가 뇌로부터 무엇을 배워야 하는지에 대한 깊은 통찰을 제공할 것입니다.

선웅

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뇌인지과학

[강연] 인간의 뇌는 과연 특별한가? (4) _ 김경진 교수 | 2016 봄 카오스 강연 '뇌 - Brain' 2강 | 2강 ④

우리 뇌의 신경 신호전달은 단순히 전선처럼 연결된 전기적 흐름이 아닙니다. 뉴런과 뉴런 사이의 시냅스를 통해 신호가 전달되는 과정은 일종의 릴레이 방식과 유사합니다. 이때 다음 뉴런을 흥분시키거나 억제하는 신경전달물질이 동시에 작용하며, 여러 신호가 합쳐져 발화 여부를 결정하는 '대의 민주주의적' 합의 과정을 거칩니다. 이러한 복잡성은 0과 1로만 이루어진 디지털 신호보다 훨씬 높은 유연성을 제공하며, 수만 개의 뉴런이 동시에 움직이는 정교한 동기화 기작을 가능하게 합니다. 특정 뇌 부위의 손상을 대체하기 위한 뇌 이식은 현대 과학이 꿈꾸는 기술이지만, 신경 회로를 다시 연결하는 것은 매우 어려운 과제입니다. 현재는 줄기세포를 이용한 접근보다는 전극을 삽입해 전기적 신호를 주고받는 '뇌-기계 인터페이스(BMI)' 기술이 더 활발히 연구되고 있습니다. 이는 손상된 신경망을 대신해 외부 기기나 로봇 팔을 제어하는 방식으로, 물리적인 뇌 조직의 이식을 넘어선 새로운 치료 가능성을 제시합니다. 기술의 발전은 인간의 의지를 기계적 신호로 변환하여 신체적 한계를 극복하는 시대로 우리를 안내하고 있습니다. 인간의 뇌와 컴퓨터의 결정적인 차이는 하드웨어의 가변성과 신경전달물질에 있습니다. 컴퓨터는 고정된 하드웨어 위에서 0과 1의 신호만 오가지만, 뇌는 도파민과 같은 다양한 신경전달물질을 사용하여 정보 전달의 다양성을 유지합니다. 또한 뇌는 외부 자극과 환경에 따라 구조 자체가 변화하는 가소성을 지니고 있어, 고정된 기계보다 훨씬 융통성 있게 상황에 대처할 수 있습니다. 이러한 생물학적 특징은 인간이 복잡한 감정과 사고를 처리하며 끊임없이 학습하고 적응할 수 있게 만드는 근본적인 힘이 됩니다. 인간의 뇌가 비약적으로 진화할 수 있었던 배경에는 에너지 효율과 사회적 상호작용이라는 중요한 요소가 자리 잡고 있습니다. 불의 발견과 요리 문화는 영양 섭취의 효율성을 높여 뇌가 필요로 하는 막대한 에너지를 공급할 수 있게 했으며, 이는 신피질의 급격한 발달로 이어졌습니다. 또한 타인과의 관계 속에서 속고 속이지 않으려는 사회적 압력과 지적 능력이 뛰어난 개체가 선택받는 성 선택 과정 역시 뇌의 고도화를 이끈 동력이 되었습니다. 이러한 진화적 선택은 인간을 단순한 생존을 넘어 고도의 정신 활동을 영위하는 존재로 탈바꿈시켰습니다. 예쁜꼬마선충의 커넥톰 해독은 신경과학 분야에서 콜럼버스의 신대륙 발견과도 같은 획기적인 사건입니다. 비록 1mm 크기의 작은 생명체일지라도 그 신경망 지도를 완성하는 데는 10년이라는 긴 시간이 소요되었으며, 이는 뇌의 복잡성을 단적으로 보여줍니다. 하지만 지도를 가졌다고 해서 그 안에서 일어나는 모든 정보의 흐름과 행동의 원리를 완벽히 이해한 것은 아닙니다. 이제 우리는 신경망의 구조를 넘어 그 속에서 신호가 어떻게 운영되고 군집을 이루는지 탐구하는 새로운 시작점에 서 있으며, 이는 인공지능과 로봇 공학의 미래에도 깊은 영감을 줄 것입니다.

김경진, 김재상, 선웅

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[강연] 인간의 뇌는 과연 특별한가? (3) _ 김경진 교수 | 2016 봄 카오스 강연 '뇌 - Brain' 2강 | 2강 ③

인간의 뇌는 오랫동안 접근 불가능한 신비의 영역으로 여겨져 왔으나, 현대 과학은 이를 하나씩 규명해야 할 탐구의 대상으로 바라보고 있습니다. 뇌를 구성하는 단백질이나 세포 자체는 동물과 큰 차이가 없지만, 인간의 뇌가 보여주는 고유한 특성은 그 구성 요소들의 복잡한 결합에서 기인합니다. 과학적 방법론을 통해 뇌의 진실을 알아가는 과정은 단순한 지식의 습득을 넘어, 인간 본연의 정체성을 이해하는 중요한 열쇠가 됩니다. 이제 뇌는 미스터리가 아닌, 체계적인 연구를 통해 그 메커니즘을 규명할 수 있는 실체로 자리 잡고 있습니다. 뇌의 기능은 개별 뉴런의 역할보다 그들이 어떻게 연결되어 있는가 하는 네트워크의 관점에서 이해해야 합니다. 과거에는 뇌를 중앙처리장치(CPU)에 비유하기도 했으나, 최근에는 수많은 정보가 유기적으로 얽혀 있는 인터넷망과 유사한 구조로 파악하는 추세입니다. 이러한 연결망, 즉 커넥톰의 복잡성이 임계점을 넘으면서 인간 특유의 마음이나 창발적인 지능이 형성되는 것으로 보입니다. 따라서 뇌 지도를 정밀하게 그려내는 연구는 인간의 고등 인지 능력이 어디에서 비롯되는지 밝히는 결정적인 단서가 될 것입니다. 인공지능의 딥러닝 기술은 뇌의 신경망을 모사하여 발전했지만, 효율성 측면에서 인간의 뇌와는 여전히 큰 차이를 보입니다. 인공지능이 사물을 인식하기 위해 수만 장의 데이터를 학습해야 하는 반면, 인간은 단 몇 번의 경험만으로도 핵심을 파악하는 놀라운 직관력을 발휘합니다. 또한 거대한 서버와 냉각 장치가 필요한 인공지능과 달리, 인간의 뇌는 커피 한 잔 정도의 적은 에너지로도 고도의 사고를 수행합니다. 이러한 압도적인 에너지 효율과 사회적 교감 능력은 기계 뇌가 쉽게 따라올 수 없는 인간 뇌만의 고유한 강점입니다. 최근 줄기세포 기술의 발전으로 실험실에서 1~2mm 크기의 작은 뇌 조직인 뇌 오가노이드를 만드는 것이 가능해졌습니다. 비록 크기는 작지만, 이 조직 내부에서는 실제 뇌처럼 신경 신호가 발화하며 역동적인 활동이 일어납니다. 이는 질병 치료를 위한 획기적인 연구 수단이 되기도 하지만, 동시에 생각하는 조직에 대한 윤리적 논쟁을 불러일으킵니다. 배아를 생명으로 볼 것인지에 대한 과거의 논의처럼, 인공적으로 배양된 뇌 조직을 어디까지 생명체로 존중해야 할지에 대한 사회적 기준 마련이 시급한 시점입니다. 뇌 과학의 진보는 인류에게 새로운 가능성을 열어주지만, 그에 따른 책임과 윤리적 문제도 함께 던져줍니다. 뇌 정보의 프라이버시 보호나 인공지능과의 공존 등은 과학자들만의 고민이 아닌, 철학, 법학, 사회학 등 다양한 분야가 머리를 맞대야 할 공통의 과제입니다. 기술의 발전 속도를 늦추기보다, 다가올 미래의 변화를 미리 예측하고 사회적 합의를 이끌어내는 과정이 필요합니다. 다양한 전문가와 대중이 참여하는 심도 있는 담론을 통해, 우리는 기술의 진보를 인간의 존엄성을 지키는 방향으로 제어할 수 있을 것입니다.

김경진, 김재상, 선웅

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