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[연구뭐하지?] 뇌는 어떻게 정보를 처리하는가? 수학으로 서술하는 뇌인지연구 _곽지현 교수 | 서울대학교 “신경계산 연구실”

우리 뇌는 외부 환경에서 받아들이는 감각 정보와 공간 정보를 전기 신호로 변환하여 처리합니다. 수많은 신경세포가 생성하는 전기 신호들이 합산되고 정교하게 계산됨으로써 정보가 기억으로 저장되는 것입니다. 이러한 뇌의 계산 원리를 밝혀내는 연구는 새로운 정보처리 이론을 정립하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 특히 주변 환경을 인지하고 길을 탐색하며 학습하는 과정에서 다양한 뇌세포들이 어떻게 상호작용하는지 이해하는 것이 이 연구의 주요 목적입니다. 컴퓨터 환경에 작은 뇌를 구현하는 시뮬레이션 연구는 뇌의 복잡한 정보처리 과정을 이해하는 중요한 도구입니다. 뇌 신경세포와 회로를 모사하여 인공신경망을 구축함으로써, 왜 특정 방식으로 세포들이 연결되어야 하는지 그 필연성을 유추할 수 있습니다. 뇌는 1,000억 개의 신경세포가 시공간적으로 끊임없이 신호를 주고받는 생물학적 컴퓨터와 같습니다. 최근 측정 기술의 발달로 확보된 방대한 데이터를 효율적으로 분석하기 위해서는 수리 모델을 통한 검증이 필수적입니다. 신경과학의 역사에서 수학적 접근은 노벨 생리의학상 수상으로 그 가치를 증명한 바 있습니다. 호지킨과 헉슬리는 신경세포의 전기 신호 생성 기전을 미분 방정식으로 수식화하여 생명 현상을 가장 완벽하게 모사했다는 평가를 받습니다. 이러한 선구적인 연구는 인간의 마음이 작동하는 원리까지도 수학적으로 규명할 수 있다는 희망을 줍니다. 개별 세포의 작동 기전이 수식으로 표현될 수 있다면, 시냅스로 연결된 거대한 신경회로망의 정보처리 과정 역시 수리적으로 모델링하여 뇌의 이론적 토대를 마련할 수 있습니다. 뇌 연구는 단순히 이론에 그치지 않고 인지 기능 향상과 질병 치료를 위한 실질적인 방안을 제시합니다. 약물을 이용한 일시적인 처방보다는 특정 신경세포를 직접 조절하여 기억력을 회복시키는 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 예를 들어 알츠하이머 모델에서 특정 세포의 활성도를 조절함으로써 감소된 기억을 복원하는 성과를 거두기도 했습니다. 또한 실제 뇌의 복잡한 연결성을 모사하는 연구는 획일화된 구조를 가진 현재의 인공지능 알고리즘을 한 단계 진화시키는 데 중요한 영감을 제공합니다. 뇌의 공간 정보 계산 원리를 명확히 이해한다면 자율주행 자동차와 같은 첨단 산업 분야에도 혁신적인 기술을 적용할 수 있습니다. 과학 연구에서 가장 중요한 동력은 새로운 현상을 발견하고자 하는 재미와 열정입니다. 연구실은 다양한 테크닉과 연구 방법을 갖춘 뷔페와 같은 환경을 제공하여 학생들이 주도적으로 자신의 주제를 탐구할 수 있도록 돕습니다. 학부 과정에서 접하기 어려운 뇌과학의 특성상, 인턴십을 통해 실제 실험 기법을 익히고 학문적 적성을 확인하는 과정은 미래의 과학자로 성장하는 소중한 발판이 됩니다.

곽지현

카오스재단연구뭐하지

뇌인지과학

[티저] 2023 봄 카오스강연 ✨상대성이론✨

우리가 세상을 바라보는 방식은 언제나 완벽하게 객관적일까요? 사실 우리가 인지하는 현실은 감각 기관을 통해 들어온 정보를 뇌가 재해석한 결과물에 가깝습니다. 이 과정에서 필연적으로 발생하는 것이 바로 '왜곡'입니다. 빛이 굴절되어 사물의 위치가 달라 보이듯, 우리의 인식 또한 다양한 외부 요인과 내부적 편향에 의해 본래의 모습과는 다른 형태로 왜곡되곤 합니다. 이러한 왜곡은 단순히 오류라고 치부하기에는 우리 삶과 과학적 원리에 깊숙이 뿌리내리고 있으며, 우리가 세상을 이해하는 독특한 창구가 되어줍니다. 물리학의 관점에서 왜곡은 우주의 거대한 질서를 이해하는 중요한 열쇠가 되기도 합니다. 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 따르면, 거대한 질량을 가진 천체는 주변의 시공간을 휘게 만듭니다. 이로 인해 빛의 경로가 휘어지는 중력 렌즈 현상이 발생하며, 우리는 멀리 떨어진 은하의 모습을 왜곡된 형태로 관찰하게 됩니다. 이러한 현상은 우주의 신비를 밝혀내는 결정적인 증거가 되며, 보이지 않는 암흑 물질의 존재를 추론하는 데에도 핵심적인 역할을 수행하고 있습니다. 이는 왜곡이 진실을 찾는 도구가 될 수 있음을 시사합니다. 심리학적으로 볼 때 왜곡은 인간이 복잡한 세상을 효율적으로 살아가기 위한 생존 전략이기도 합니다. 뇌는 쏟아지는 방대한 정보 속에서 중요한 것만을 선택하고 나머지는 생략하거나 왜곡하여 받아들입니다. 비록 이 과정에서 기억의 왜곡이나 인지적 편향이 발생할 수 있지만, 이는 우리가 불필요한 정보 과부하로부터 스스로를 보호하고 신속한 판단을 내릴 수 있게 돕습니다. 결국 왜곡이란 진실을 가리는 장벽이 아니라, 세상을 나름의 방식으로 이해하려는 노력의 산물인 셈입니다. 우리는 이 불완전한 인식을 통해 비로소 자신만의 세계를 구축해 나갑니다.

카오스재단2023 카오스강연 '상대성 이론'

[인터뷰] 곽지현 _ 뇌에 정보를 입력시켜 바로 학습하는 게 가능!?🧠 ｜제30회 서울대 자연과학대학 공개강연

서울대학교 뇌인지과학과 신경계산연구실은 뇌가 정보를 처리하는 원리를 수학적으로 규명하는 데 집중하고 있습니다. 동물 실험을 통해 시냅스 신경회로의 신호를 측정하는 동시에, 이를 바탕으로 뇌를 묘사하는 인공신경망 모델을 구축합니다. 이러한 융합적 접근은 실험만으로는 파악하기 어려운 뇌의 정보처리 이론을 정립하고, 복잡한 신경계의 작동 기전을 심도 있게 이해하는 발판이 됩니다. 궁극적으로는 생물학적 뇌와 인공지능 사이의 가교 역할을 수행하며 새로운 과학적 지평을 열어가고 있습니다. 수학에 매료되었던 학부 시절을 거쳐 신경과학의 길로 들어선 과정은 매우 흥미롭습니다. 수학 문제를 풀 때의 쾌감은 뇌가 어떻게 복잡한 계산을 수행하는지에 대한 호기심으로 이어졌습니다. 특히 전기생리학적 신호에 담긴 정보를 해석하는 연구에 매료되어 박사 과정을 마쳤으며, 현재는 수학적 모델링과 뇌과학을 결합한 연구를 수행 중입니다. 과거의 학문적 배경들이 현재의 융합 연구를 지탱하는 강력한 자산이 된 셈이며, 이는 뇌의 신비를 수치화하여 풀어내는 핵심적인 동력이 되고 있습니다. 2014년 노벨 생리의학상을 통해 알려진 장소세포와 격자세포는 우리 뇌 속에 내장된 GPS와 같습니다. 장소세포는 특정 위치를 인식하고, 격자세포는 공간의 좌표를 파악하여 우리가 길을 찾을 수 있게 돕습니다. 이러한 뇌의 공간 정보 처리 회로를 연구하면 인간의 인지 과정을 과학적으로 밝힐 수 있을 뿐만 아니라, 이를 모사한 고도의 자율주행 로봇이나 인공지능 개발 등 4차 산업혁명의 핵심 기술로도 확장될 수 있습니다. 뇌의 센서 기능을 이해하는 것은 곧 미래 기술의 밑거름이 됩니다. 뇌의 길 찾기 메커니즘 연구는 알츠하이머 치매와 같은 질병의 진단과 치료에도 중요한 실마리를 제공합니다. 치매 환자들이 겪는 대표적인 증상 중 하나는 익숙한 길을 잃어버리는 공간 인지 능력의 저하입니다. 따라서 뇌의 공간 정보 처리 회로가 어떻게 손상되는지를 면밀히 분석한다면, 치매의 전조 증상을 조기에 발견하는 진단 기술을 개발할 수 있습니다. 이는 고령화 사회에서 뇌과학이 기여할 수 있는 매우 실질적이고 중요한 연구 분야이며, 많은 환자에게 새로운 희망을 줄 수 있는 기술적 토대가 될 것입니다. 미래의 뇌과학은 뇌 신호를 해석하고 재구성하는 기술을 통해 혁신적인 변화를 맞이할 것입니다. 외부 정보를 뇌 신호로 바꾸는 과정과 발생한 신호에서 정보를 추출하는 기법이 정교해지면, 인간의 인지 능력을 확장하는 새로운 지평이 열릴 것입니다. 이를 위해서는 수학, 인공지능, 심리학, 철학 등 다양한 학문이 하나로 연결되는 융합적 노력이 필수적입니다. 여러 분야의 시너지가 모일 때 비로소 인류는 뇌라는 거대한 신비를 정복할 수 있을 것이며, 이러한 연결은 과학적 발전을 가속화하는 핵심적인 열쇠가 됩니다.

곽지현

카오스재단서울대자연과학공개강연

뇌인지과학

[강연] 양자 세계와 인류의 동행 _by정현석｜2022 서울대 자연과학 공개강연 '과학 동행' | 2부 ①

빛의 본질에 대한 탐구는 물리학 역사의 핵심적인 줄기입니다. 과거 뉴턴은 빛을 작은 알갱이들의 흐름인 입자로 보았고, 호이겐스는 매질을 통해 에너지가 전파되는 파동설을 주장하며 대립했습니다. 19세기 맥스웰은 빛이 매질 없이도 전파되는 전자기파임을 밝혀내며 물리학의 위대한 발견을 이룩했습니다. 그러나 20세기 초 플랑크와 아인슈타인은 빛에도 쪼개질 수 없는 에너지의 최소 단위인 광자가 존재함을 증명하며 입자설을 다시 소환했습니다. 오늘날 우리는 빛이 입자와 파동의 성질을 동시에 지닌다는 사실을 알고 있으며, 이는 양자역학이라는 거대한 학문의 문을 여는 열쇠가 되었습니다. 단일 광자를 이용한 실험은 우리의 직관을 뛰어넘는 양자 세계의 신비로움을 보여줍니다. 빛의 절반은 투과시키고 절반은 반사하는 반거울에 광자 하나를 보내면, 광자는 위쪽이나 아래쪽 검출기 중 한 곳에서 정확히 50%의 확률로 발견됩니다. 하지만 두 개의 반거울을 이용해 경로를 정교하게 구성하면 상황이 달라집니다. 입자라면 당연히 반반의 확률로 나뉘어야 할 상황임에도 불구하고, 특정 검출기에서만 광자가 관측되는 현상이 발생합니다. 이는 쪼개질 수 없는 단일 광자가 마치 파동처럼 두 경로를 동시에 지나며 스스로와 간섭을 일으키고 있음을 시사하는 놀라운 결과입니다. 양자역학은 이러한 기묘한 현상을 설명하기 위해 '양자 중첩'이라는 개념을 도입합니다. 관측하기 전의 광자는 경로 A에 있는 상태와 경로 B에 있는 상태가 선형적으로 겹쳐진 상태로 존재합니다. 이는 단순히 '이쪽 아니면 저쪽'이라는 고전적인 논리로는 설명할 수 없는 새로운 존재론적 범주입니다. 과학자들은 이러한 중첩 상태를 추상적인 수학적 도구인 파동 함수로 기술하며, 우리가 직접 확인하지 않는 동안 입자가 가질 수 있는 모든 가능성을 동시에 품고 있다는 사실을 인정하게 되었습니다. 이러한 중첩은 파동의 중첩과는 또 다른 양자역학만의 고유한 특성이라 할 수 있습니다. 흥미로운 점은 우리가 광자가 어느 경로로 가는지 확인하려 드는 순간, 이 신비로운 간섭 효과가 즉시 사라진다는 것입니다. 검문소를 설치해 경로 정보를 알아내면 광자는 중첩 상태를 잃고 하나의 경로로만 움직이는 입자처럼 행동하기 시작합니다. 심지어 직접 건드리지 않고 간접적인 방식으로 정보를 얻으려 해도 결과는 마찬가지입니다. 자연은 우주의 그 누구도 경로 정보를 모르는 비밀스러운 상태일 때만 양자 간섭이라는 무늬를 허락합니다. 정보의 유무가 물리적 실재의 행동 방식을 결정한다는 이 사실은 관찰자와 대상 사이의 관계에 대한 근본적인 질문을 던집니다. 중첩의 원리를 여러 입자로 확장하면 '양자 얽힘'이라는 현상이 나타납니다. 두 입자가 얽히게 되면 아무리 멀리 떨어져 있어도 한쪽의 상태를 측정하는 순간 다른 쪽의 상태가 즉각적으로 결정됩니다. 아인슈타인은 이를 '유령 같은 원거리 상호작용'이라 부르며 현대 물리학의 완전성에 의문을 제기하기도 했습니다. 그러나 벨의 부등식 실험을 통해 이 현상은 실재함이 증명되었으며, 우리 우주가 국소적인 실재론에 갇혀 있지 않음을 보여주었습니다. 양자 얽힘은 이제 단순한 철학적 논쟁을 넘어 양자 통신과 양자 암호 등 미래 정보 기술을 구현하는 핵심적인 자원으로 활용되고 있습니다. 거시 세계에서 양자 현상을 보기 어려운 이유는 '결어긋남' 현상 때문입니다. 총알이나 고양이처럼 큰 물체는 주변 환경과 끊임없이 상호작용하며 자신의 경로 정보를 외부로 흘립니다. 이 과정에서 양자 중첩은 매우 빠르게 파괴되어 우리 눈에는 고전적인 상태로만 보이게 됩니다. 슈뢰딩거의 고양이가 생사의 중첩 상태에 있기 어려운 이유도 바로 이 때문입니다. 과학자들은 극저온 환경을 만들거나 진공 상태를 유지함으로써 이러한 결어긋남을 억제하고, 거시적 규모에서도 양자 효과를 유지하려는 도전을 계속하고 있습니다. 이는 양자역학의 적용 한계를 시험하는 중요한 연구 분야입니다. 양자 중첩과 얽힘은 이제 양자 컴퓨터라는 혁신적인 기술의 토대가 되고 있습니다. 0과 1의 중첩을 이용하는 큐비트는 특정 문제에서 고전 컴퓨터를 압도하는 병렬 처리 능력을 보여줄 잠재력을 지닙니다. 비록 현재는 소음과 결어긋남이 존재하는 'NISQ 시대'에 머물러 있지만, 오류 정정 기술과 제어 기술의 발전은 인류를 본격적인 양자 정보 시대로 인도할 것입니다. 인류가 불을 발견하고 길들여 문명을 발전시켰듯이, 이제는 양자 세계의 기묘한 현상들을 길들여 새로운 도약을 준비하고 있습니다. 우리는 양자역학의 궁극적인 검증과 기술적 완성을 눈앞에 둔 흥미로운 시대에 살고 있습니다.

정현석

카오스재단서울대자연과학공개강연

물리학

[강연] 에너지 소모 없는 정보전달과 처리는 가능한가? by 염한웅 ㅣ 기초과학연구원(IBS) x 카오스재단 기초과학 석학 강연 '새로운 발견을 위한 과학' | 1강

현재 우리가 누리고 있는 반도체 문명은 그 종말이 매우 가까워졌습니다. 트랜지스터를 더 작게 만드는 기술은 이제 3나노미터를 넘어 2나노미터급에 도달했지만, 원자 몇 개 수준인 1나노미터의 벽을 넘는 것은 과학적으로 매우 어렵습니다. 더 이상 작게 만드는 것이 불가능해지면 아파트처럼 위로 쌓아 올리는 방식을 택하게 되는데, 이는 근본적인 해결책이라기보다 물리적 한계를 회피하는 기술에 가깝습니다. 결국 기존 방식의 발전은 곧 멈추게 될 것입니다. 소자가 작아질수록 발생하는 더 큰 문제는 에너지 소모와 발열입니다. 전자가 흐르는 도선이 가늘어질수록 저항은 커지며, 이는 곧 엄청난 열 발생으로 이어집니다. 우리가 매일 휴대폰을 충전해야 하고 사용 중에 기기가 뜨거워지는 이유도 바로 이 저항 때문입니다. 따라서 미래의 정보 처리를 위해서는 단순히 크기를 줄이는 것을 넘어, 저항에 의한 에너지 손실이 전혀 없는 완전히 새로운 형태의 소자가 필요합니다. 이미 우리는 기술적 임계점에 도달해 있습니다. 반도체 소자의 혁명은 과거 물리학 실험실에서 시작되었습니다. 1948년 트랜지스터의 발명부터 한국인 강대원 박사가 개발한 CMOS 기술까지, 우리는 수십 년간 이 구조에 의존해 왔습니다. 하지만 이제는 기존의 틀을 깨는 '슈퍼히어로' 같은 소자 개념이 등장해야 할 시점입니다. 트랜지스터 구조 없이도 연산이 가능하고, 전자가 움직일 때 발생하는 저항 발열을 근본적으로 차단할 수 있는 혁신적인 대안이 요구됩니다. 이는 정보통신 역사를 새로 쓰는 일이 될 것입니다. 그 대안으로 주목받는 것이 바로 '솔리톤'입니다. 일반적인 파동은 진행하면서 에너지를 잃고 사라지지만, 솔리톤은 특수한 조건에서 모양과 에너지를 유지하며 아주 먼 거리까지 전달됩니다. 마치 쓰나미가 수천 킬로미터를 이동해도 그 위력을 잃지 않는 것과 같은 원리입니다. 이러한 파동의 성질을 전자 소자에 적용하면, 정보를 실은 입자가 에너지 손실 없이 이동하는 이상적인 정보 전달 체계를 구축할 수 있습니다. 이는 광섬유 통신에서 이미 증명된 바 있는 물리적 현상입니다. 전자의 솔리톤은 원자들의 '짝짓기' 구조에서 발생하는 결함을 이용합니다. 실리콘 기판 위에 원자들을 일렬로 배열하고, 이들이 둘씩 혹은 넷씩 짝을 짓게 만들면 그 사이에 짝을 찾지 못한 결함이 생깁니다. 이 결함이 바로 솔리톤 파동을 형성하는 핵심입니다. 연구진은 10년 이상의 추적 끝에 실리콘 원자선에서 이 짝짓기 결함을 실제로 관찰했으며, 이것이 수학적으로 완벽한 솔리톤의 형태를 띠고 있음을 증명해 냈습니다. 이는 원자 수준의 초미세 소자 가능성을 보여줍니다. 솔리톤 소자의 가장 큰 매력은 다진법 연산이 가능하다는 점입니다. 기존 2진법과 달리 솔리톤은 그 종류에 따라 3진법이나 4진법, 심지어 12진법까지 구현할 수 있습니다. 이는 소자 하나가 처리할 수 있는 정보량을 획기적으로 늘려주며, 결과적으로 필요한 소자의 수를 줄여 발열을 20분의 1 이하로 낮출 수 있게 합니다. 트랜지스터라는 복잡한 스위치 없이도 입자들의 충돌과 변환만으로 연산이 이루어지는 새로운 시대가 열리는 것입니다. 이는 컴퓨팅 아키텍처의 근본적 변화를 의미합니다. 이러한 혁신적인 개념을 '솔리토닉스'라고 부릅니다. 저항 없는 정보 전달과 다진법 연산이 결합된 이 기술이 상용화된다면, 우리는 전원 연결 없이 장시간 작동하는 컴퓨터를 가질 수 있게 될 것입니다. 비록 공학적인 난제들이 남아있지만, 한국의 연구진이 20년의 연구를 통해 이 가능성을 세계 최초로 열었다는 점은 미래 정보통신 기술의 주도권을 확보했다는 측면에서 매우 고무적입니다. 솔리토닉스는 반도체 문명의 위기를 구할 새로운 희망이 될 것입니다.

염한웅

카오스재단카오스크로스

물리학

[강연] '새로운 발견을 위한 과학' by 염한웅, 현택환, 명경재 l IBS x KAOS 기초과학 석학 강연

기초과학연구원(IBS) 설립 10주년과 카오스 재단의 설립을 기념하는 이번 강연은 '새로운 발견을 위한 과학'이라는 주제로 진행되었습니다. 기초과학은 인류의 지식 지평을 넓히는 핵심적인 역할을 수행하며, 이번 행사는 세계적인 석학들이 모여 그간의 연구 성과와 미래 비전을 공유하는 뜻깊은 자리였습니다. 수학, 물리, 화학, 생명과학 등 다양한 분야의 융합을 통해 우리 삶을 변화시킬 새로운 가능성을 모색하는 과정은 과학이 단순한 지식의 나열이 아닌, 인류의 미래를 설계하는 도구임을 다시 한번 확인시켜 주었습니다. 생명체의 설계도인 DNA는 네 개의 염기서열로 구성되어 방대한 유전정보를 저장합니다. 하지만 이 정보는 외부 자극이나 복제 과정에서의 오류로 인해 끊임없이 손상될 위험에 처해 있습니다. 유전체 항상성 연구는 이러한 손상을 복구하고 유전정보를 안정적으로 유지하는 생명체의 노력을 탐구합니다. DNA 수선 기작이 제대로 작동하지 않으면 암이나 노화와 같은 심각한 질병으로 이어질 수 있기에, 이를 정밀하게 이해하는 것은 생명과학의 근본적인 과제이자 질병 정복을 위한 첫걸음이 됩니다. 암세포만을 선택적으로 제거하기 위한 혁신적인 기술인 '신델라(CINDELA)'는 유전자 가위를 활용하여 암세포 특유의 유전적 변이인 인델(Indel)을 타격합니다. 기존의 방사선이나 항암 치료가 정상 세포까지 손상시키는 한계를 극복하기 위해, 암세포에만 존재하는 특정 염기서열을 정밀하게 찾아내어 절단함으로써 암세포의 사멸을 유도합니다. 이는 환자 개개인의 유전정보를 분석하여 맞춤형 치료제를 제작하는 정밀 의료의 시대를 열어줄 것으로 기대되며, 기초과학의 발견이 어떻게 실질적인 의료 혁신으로 이어지는지를 보여주는 사례입니다. 현대 정보통신 문명의 핵심인 반도체 기술은 트랜지스터의 미세화가 한계에 다다르며 전력 소모와 발열이라는 거대한 장벽에 직면해 있습니다. 원자 수준의 크기에서는 기존의 물리법칙만으로는 소자를 제어하기 어려워지며, 이를 해결하기 위해 에너지 손실 없이 정보를 전달하고 처리할 수 있는 새로운 패러다임이 요구됩니다. 저항에 의한 에너지 낭비를 최소화하고 한 번의 충전으로 훨씬 오랜 시간 사용할 수 있는 차세대 소자 개발은 지속 가능한 미래 기술 사회를 구현하기 위한 물리학계의 핵심적인 도전 과제입니다. ‘솔리토닉스’는 에너지를 잃지 않고 모양을 유지하며 진행하는 특수한 파동인 솔리톤을 정보 처리의 매개체로 활용하는 기술입니다. 전자계 내에서 발생하는 솔리톤은 저항 없이 움직일 수 있을 뿐만 아니라, 입자 간의 상호작용을 통해 다진법 연산을 수행할 수 있는 잠재력을 지니고 있습니다. 이는 기존의 이진법 체계를 넘어선 획기적인 연산 방식을 가능하게 하며, 소자 구조의 복잡성을 줄이면서도 연산 효율을 극대화할 수 있는 길을 제시합니다. 한국 연구진이 주도하는 이 분야의 연구는 미래 반도체 시장의 판도를 바꿀 게임 체인저가 될 것입니다. 나노과학 분야에서는 입자의 크기를 균일하게 조절하는 것이 성능을 결정짓는 핵심 요소입니다. '승온법'과 같은 혁신적인 합성 기술은 복잡한 분리 과정 없이도 고품질의 나노입자를 대량으로 생산할 수 있는 길을 열었으며, 이는 디스플레이와 백신 등 다양한 산업 분야에 응용되고 있습니다. 세계적인 연구 성과는 단순히 천재적인 영감에서 오는 것이 아니라, 수많은 논문을 읽고 분석하며 기존 지식을 창의적으로 재조합하는 인내의 과정에서 탄생합니다. 또한, 다양한 분야의 전문가들이 협력하는 융합 연구는 현대과학의 복잡한 난제를 해결하는 열쇠가 됩니다. 새로운 발견을 향한 여정은 남들이 가지 않은 길을 두려워하지 않고 끈기 있게 탐구하는 자세에서 시작됩니다. 기초과학 연구는 당장의 가시적인 성과보다 인류의 근원적인 질문에 답하고 미래의 기술적 토대를 마련하는 데 중점을 둡니다. 과학자와 대중 사이의 활발한 소통은 과학적 사실에 기반한 합리적인 사회를 만드는 밑거름이 되며, 연구에 대한 국민적 지지는 과학 기술 발전을 지속시키는 원동력이 됩니다. 지난 10년의 성과를 바탕으로 앞으로의 기초과학은 인류의 삶을 더욱 풍요롭고 건강하게 만드는 새로운 발견의 시대를 열어갈 것입니다.

명경재, 염한웅, 현택환

카오스재단카오스크로스

물리학
화학
생명과학
융합

[과학원리체험]@HOME 시즌2 하이라이트

우리가 대화를 나눌 때 무심코 사용하는 '어'나 '음'과 같은 표현들을 언어학에서는 '충전어' 또는 '휴지'라고 부릅니다. 많은 사람들은 이러한 표현이 언어 습관의 결함이라고 생각하지만, 사실 이는 뇌가 정보를 처리하는 과정에서 발생하는 자연스러운 현상입니다. 우리가 다음 단어를 선택하거나 복잡한 생각을 정리할 때, 우리의 뇌는 잠시 휴지가 필요하며 이때 충전어가 그 빈자리를 채우게 됩니다. 이러한 충전어는 듣는 이에게도 중요한 역할을 합니다. 연구에 따르면 청자는 충전어를 들었을 때 이어질 내용이 더 복잡하거나 중요할 것이라고 예측하며 주의력을 높이는 경향이 있습니다. 즉, 화자의 뇌가 정보를 처리하는 동안 청자의 뇌 역시 새로운 정보를 받아들일 준비를 하는 셈입니다. 이는 단순한 소음이 아니라 효율적인 의사소통을 위한 고도의 심리적 장치라고 볼 수 있습니다. 또한 충전어는 대화의 흐름을 유지하는 사회적 기능을 수행합니다. 대화 도중 완전히 휴지가 생기면 상대방은 발언권이 넘어온 것으로 오해할 수 있습니다. 이때 충전어를 사용하는 것은 내가 아직 말을 끝내지 않았고, 생각을 정리 중이라는 신호를 보내는 것과 같습니다. 이를 통해 대화의 주도권을 유지하면서도 자연스러운 소통의 리듬을 만들어낼 수 있는 것입니다. 휴지보다 강력한 소통의 도구인 셈입니다. 흥미로운 점은 이러한 현상이 전 세계 모든 언어에서 공통적으로 나타난다는 사실입니다. 언어마다 그 소리는 다르지만, 생각을 정리할 때 특정 음절을 사용하는 패턴은 보편적입니다. 이는 인간의 인지 구조가 언어와 상관없이 유사하게 작동함을 시사합니다. 아이들이 언어를 배울 때도 이러한 충전어를 사용하며 문장 구조를 익히는 과정을 거치는데, 이는 뇌의 언어 처리 능력이 발달하고 있다는 증거이기도 합니다. 결론적으로 우리가 무심코 내뱉는 충전어는 인간 지성의 복잡성을 보여주는 흥미로운 사례입니다. 완벽하고 매끄러운 문장만이 훌륭한 대화는 아니며, 때로는 이러한 작은 충전어들이 인간적인 유대감을 형성하고 정보 전달의 효율성을 높여줍니다. 자신의 말하기 습관에 대해 너무 엄격해지기보다는, 우리 뇌가 열심히 일하고 있다는 신호로 받아들이는 여유가 필요할 것입니다.

국립과천과학관👩‍🔬과학원리체험@home

뇌인지과학

[과학자가 쓴 과학책 #15] 임창환_브레인3.0 ㅣ 뇌공학자가 그리는 뇌의 미래

현대 뇌공학의 최전선에서 활동하는 전문가들은 대중과의 소통을 통해 학문의 지평을 넓히고 있습니다. 특히 강연 현장에서 쏟아지는 날카롭고 흥미로운 질문들은 연구자에게 새로운 영감을 주는 원천이 되기도 합니다. 임창환 교수의 저서 '브레인 3.0'은 이러한 현장의 목소리를 담아내어, 일반인들이 뇌과학과 뇌공학에 대해 품고 있는 근본적인 궁금증을 해결해 줍니다. 복잡한 이론을 나열하기보다 질문과 답변 형식을 빌려 독자들이 뇌의 신비에 더 친숙하게 다가갈 수 있도록 돕는 것이 이 책의 특징입니다. 우리가 흔히 믿고 있는 뇌에 관한 상식 중에는 과학적 근거가 부족한 낭설이 많습니다. 대표적으로 좌뇌형 인간과 우뇌형 인간을 구분하여 성격을 규정하는 이분법적 사고는 현대 뇌과학의 관점에서 정설이 아닙니다. 인간은 양쪽 뇌를 유기적으로 동시에 활용하며, 특정 기능이 한쪽에 치우쳐 발달했다는 증거는 발견되지 않았습니다. 또한 인간이 뇌의 10%만 사용한다는 주장 역시 사실이 아닙니다. 뇌는 신체 에너지의 약 20%를 소비할 정도로 활동적이며, 모든 영역이 각자의 역할을 수행하며 쉼 없이 작동하고 있습니다. 나이가 들면 머리가 굳는다는 고정관념 또한 뇌의 가소성 원리에 의해 반박됩니다. 뇌는 훈련을 통해 구조적으로 변화할 수 있는 능력을 갖추고 있으며, 이를 통해 신경세포 사이의 연결인 시냅스가 강화되거나 신호 전달 속도를 높이는 수초가 발달하기도 합니다. 실제로 특정 게임 훈련을 통해 노년층의 멀티태스킹 능력이 청소년 수준으로 회복되었다는 연구 결과는 뇌가 평생에 걸쳐 발달할 수 있음을 시사합니다. 적절한 자극과 지속적인 학습은 뇌를 더 유연하고 건강하게 유지하는 핵심적인 열쇠가 됩니다. 최근 일론 머스크의 뉴럴링크는 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술에 대한 대중적 관심을 폭발시켰습니다. 뇌에 마이크로칩을 삽입하여 인간의 지능을 높이거나 질병을 치료하겠다는 야심 찬 계획은 공학적 도전인 동시에 윤리적 논쟁의 대상이기도 합니다. 뇌공학자들은 이러한 시도가 장애인이나 노약자의 감각 및 운동 기능을 회복시키는 데 혁신적인 기여를 할 것으로 기대합니다. 하지만 정상적인 인간의 지능을 인위적으로 향상시키는 문제는 사회적 불평등과 윤리적 가치관의 충돌을 야기할 수 있어 신중한 접근이 필요합니다. 영화 '매트릭스'처럼 뇌에 정보를 직접 주입하여 순식간에 새로운 기술을 습득하는 것은 아직 먼 미래의 이야기입니다. 뇌의 정보 처리 속도는 컴퓨터와 달리 생물학적 한계가 존재하며, 신경세포의 활동전위가 발생하는 시간적 제약 때문에 방대한 데이터를 단시간에 받아들이기 어렵습니다. 또한 진정한 학습이 이루어지기 위해서는 시냅스의 물리적 변화가 수반되어야 하는데, 이는 반복적인 자극과 시간이 필요한 과정입니다. 따라서 뇌의 언어인 '뉴럴 코드(Neural Code)'를 완벽히 해독하더라도 즉각적인 지식 습득에는 한계가 따를 수밖에 없습니다. 인공지능의 발전 방향은 반드시 인간의 진화 경로를 따를 필요는 없습니다. 인간의 뇌는 한정된 에너지와 하드웨어 안에서 생존에 최적화되도록 진화했지만, 인공지능은 자원과 확장의 제약이 거의 없기 때문입니다. 인공지능은 인간이 수행하기 어려운 복잡한 계산이나 데이터 처리에 특화되어 독자적인 방식으로 진화할 수 있습니다. 다만 인공지능이 인간 사회의 일원으로 공존하기 위해서는 인간의 감정과 의도를 이해하는 능력이 필수적입니다. 이는 기술적 완성도를 넘어 인간과 기계 사이의 정서적 교감을 가능하게 하는 중요한 지점이 됩니다. 뇌공학의 미래는 뇌의 전기적 신호뿐만 아니라 화학적 메커니즘까지 깊이 이해하는 방향으로 나아가고 있습니다. 호르몬과 신경전달물질이 인간의 감정과 행동에 미치는 영향을 정밀하게 파악하는 것은 뇌과학의 다음 단계로 도약하기 위한 필수 과제입니다. 기술이 발전할수록 우리는 인간다움의 본질이 무엇인지에 대해 더 깊은 질문을 던지게 될 것입니다. 뇌공학은 단순히 인간의 능력을 확장하는 도구를 넘어, 인간 스스로를 더 깊이 이해하고 삶의 질을 향상시키는 따뜻한 기술로 거듭나야 할 것입니다.

임창환

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[연구뭐하지?] 이상훈 교수_서울대학교 '인지 및 시스템 신경과학 연구실' | 신경과학을 연구하는 융합인재들의 플랫폼!(찡긋)

서울대학교 인지 및 시스템 신경과학 연구실은 인간의 마음과 뇌의 메커니즘을 잇는 '연결'을 핵심 가치로 삼고 있습니다. 마음은 행동을 통해 관찰되는 현상적인 영역이며, 뇌는 생물학적인 현상이 발생하는 물리적 영역입니다. 서로 다른 차원에서 기술되는 이 두 도메인을 하나로 통합하여 이해하는 것이 연구의 본질입니다. 이를 통해 보이지 않는 마음의 작용이 어떻게 구체적인 뇌 활동으로 발현되는지를 심도 있게 탐구하며 인간 이해의 지평을 넓히고 있습니다. 불확실한 정보와 제한된 시간 속에서 인간이 내리는 합리적인 의사결정 과정을 연구하기 위해 수리 모델을 적극적으로 활용합니다. 마음의 활동을 수학적으로 정립하여 뇌 활동을 설명하고, 반대로 뇌의 신호를 통해 마음의 작용을 역추적하는 방식입니다. 이러한 수리 모델링은 서로 다른 언어를 사용하는 심리학과 생물학 사이의 가교 역할을 합니다. 단순한 관찰을 넘어 시스템적인 이해를 가능하게 함으로써 복잡한 인지 과정을 정교하게 분석해 냅니다. 연구실에서는 시각 자극에 따른 행동과 뇌 현상을 측정하기 위해 다양한 최첨단 기술을 동원합니다. 뇌파(EEG) 측정 장비부터 안구 추적 데이터, 뇌 영상 분석, 그리고 인과 관계 파악을 위한 전기적 자극까지 폭폭넓은 방법론을 사용합니다. 다양한 전공 배경을 가진 연구자들이 모여 수평적인 분위기 속에서 협력하며, 인공지능과 신경과학의 접점을 찾는 융합 연구도 활발히 진행 중입니다. 이는 인간의 지각과 심리 정보처리를 다각도에서 조명하는 토대가 됩니다. 뇌인지과학 분야를 깊이 있게 연구하기 위해서는 탄탄한 기초 역량이 필수적입니다. 통계학이나 수학과 같은 양적인 방법론에 대한 이해는 물론, 매트랩(MATLAB)이나 파이썬(Python) 같은 프로그래밍 언어를 다루는 능력도 중요하게 요구됩니다. 또한 최신 연구 동향을 파악하고 국제적인 학술 교류를 원활히 하기 위해 영어 의사소통 능력도 갖추어야 합니다. 인턴십 과정을 통해 실제 연구 현장을 미리 경험해 보는 것은 자신의 적성을 확인하고 연구자로서의 길을 준비하는 데 큰 도움이 됩니다. 훌륭한 연구자가 되기 위해서는 열정과 역량, 그리고 확고한 직업 윤리가 조화를 이루어야 합니다. 특히 스스로 문제를 정의하고 해결책을 찾아야 하는 신생 학문의 특성상, 어려움에 직면했을 때 더욱 몰입하는 태도가 중요합니다. 자신의 연구가 왜 중요한지 타인을 설득하고 정립되지 않은 길을 개척해 나가는 과정은 결코 쉽지 않습니다. 하지만 인간의 행동과 신경 과정의 관계를 밝혀내겠다는 강한 의지가 있다면, 뇌과학의 미래를 이끄는 주역으로 성장할 수 있을 것입니다.

이상훈

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[연구뭐하지?] 이인아 교수_서울대학교 '학습과 기억 연구실' | 학습과 기억의 세계, 그 너머에 존재하는 것은?

인간은 누구나 자신의 기억 속으로 타임머신을 타고 여행하듯 과거를 회상하곤 합니다. 서울대학교 뇌인지과학과 학습과 기억 연구실은 이러한 인간의 '일화 기억'이 뇌라는 생물학적 조직에서 어떻게 형성되고 인출되는지를 과학적으로 탐구합니다. 우리가 매일 겪는 다양한 경험은 곧 개인의 정체성을 형성하는 근간이 되며, 연구실은 세포 수준의 뇌 활동이 어떻게 우리의 삶과 마음을 구성하는지 그 비밀을 풀기 위해 노력하고 있습니다. 이곳 연구실은 마치 다양한 악기가 모여 하나의 화음을 만들어내는 밴드와 같습니다. 생물학, 뇌인지과학뿐만 아니라 전기공학, 컴퓨터공학, 심리학, 심지어 음악과 스포츠를 전공한 인재들이 모여 각자의 전문성을 발휘합니다. 서로 다른 배경을 가진 연구자들이 협력하여 하나의 연구 주제를 다각도에서 조명하는 융합적 환경은 이 연구실만의 큰 강점입니다. 이러한 다양성은 복잡한 뇌의 신비를 풀어나가는 데 필수적인 창의적 사고의 원천이 됩니다. 연구의 핵심은 기억의 중추로 알려진 해마와 측두엽의 기능을 밝히는 데 있습니다. 연구진은 살아있는 쥐에게 가상현실(VR) 환경을 제공하고, 특정 장소나 상황에 따라 보상을 얻는 기억 과제를 수행하게 합니다. 쥐가 가상현실(VR) 세계에서 문제를 해결하는 동안 뇌세포의 활동을 실시간으로 측정하며, 전기생리학이나 광유전학 기술을 동원해 뇌 영역 간의 상호작용을 분석합니다. 이는 실제 환경과 유사한 실험 설계를 통해 기억의 메커니즘을 정교하게 파악하기 위함입니다. 뇌인지과학 연구는 단순히 이론에 그치지 않고 생명체를 다루는 막중한 책임감을 동반합니다. 실험에 참여하는 동물을 매일 세심하게 보살피는 것은 기본이며, 연구 과정에서 예상치 못한 다양한 기술적 문제들을 해결해야 합니다. 컴퓨터 코딩부터 회로 설계, 심지어 실험 장비 설치에 이르기까지 폭넓은 실무 능력이 요구됩니다. 따라서 유연한 사고방식을 가지고 새로운 분야를 배우는 과정을 즐길 수 있는 태도가 연구자로서 성장하는 데 매우 중요한 요소로 작용합니다. 뇌인지과학은 생물학적 세포가 어떻게 전기적 신호를 주고받으며 마음과 심리를 만들어내는지 연구하는 학문으로, 전통적인 단일 학문의 경계를 넘어섭니다. 특히 인공지능이나 가상현실(VR) 기술의 발전은 뇌인지과학적 이해 없이는 한계에 부딪힐 수밖에 없습니다. 현재 전 세계적으로 활발한 연구가 진행되고 있으며, 우리나라도 이 흐름에 발맞춰 빠르게 성장하고 있습니다. 뇌의 신비를 탐구하는 이 분야는 미래 과학을 이끌어갈 청소년들에게 무한한 가능성을 제시합니다.

이인아

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[강연] 첨단의학 _ by김상우, 박종화 | 2020 봄 카오스강연 '첨단기술의 과학'

DNA는 우리 생명 활동의 모든 정보를 담고 있는 설계도와 같습니다. 세포 핵 속에 존재하는 23쌍의 염색체에는 아데닌, 시토신, 구아닌, 티민이라는 네 가지 염기가 특정 순서로 배열되어 있으며, 이 염기서열이 곧 단백질을 만드는 정보가 됩니다. 부모로부터 물려받은 이 유전 정보는 우리의 외형뿐만 아니라 체내에서 일어나는 복잡한 생명 현상을 정밀하게 관장합니다. 따라서 염기서열의 미세한 차이는 개개인의 고유한 특성을 결정짓는 근본적인 요소가 됩니다. 돌연변이란 물질로서의 염기서열이 변하는 현상을 의미합니다. 이는 방사선, 자외선, 담배와 같은 외부 요인에 의해 발생하기도 하지만, 세포가 분열하며 DNA를 복제하는 과정에서 일어나는 자연스러운 복제 오류에 의해서도 생겨납니다. 우리 몸은 이러한 오류를 스스로 수정하는 정교한 기작을 갖추고 있으나, 완벽하게 복구되지 못한 일부 변화는 흉터처럼 남아 축적됩니다. 이러한 변화는 때로 치명적인 질병의 원인이 되기도 하지만, 생태계 전체의 관점에서는 종의 다양성을 유지하는 핵심 동력이 됩니다. 최근 연구에 따르면 인간의 몸은 단 하나의 유전 정보로만 이루어진 고정된 존재가 아닙니다. 수정란이 수천억 개의 세포로 분열하는 과정에서 각 세포에는 서로 다른 변이가 누적되며, 결과적으로 우리 몸은 조금씩 다른 DNA를 가진 세포들이 모인 '체세포 모자이크'와 같은 상태가 됩니다. 이는 나이가 들수록 정상 조직 내에서도 유전적 다양성이 증가함을 의미하며, 특정 부위에 발생한 변이가 뇌전증이나 암과 같은 질환의 직접적인 원인이 되기도 한다는 사실을 시사합니다. 인류는 이러한 유전 정보를 해독하기 위해 비약적인 기술 발전을 이루어 왔습니다. 과거 13년의 시간과 천문학적인 비용이 소요되었던 인간 게놈 프로젝트 이후, 차세대 유전체 분석 기술(NGS)의 등장으로 이제는 단 하루 만에 저렴한 비용으로 개인의 전체 유전체를 분석할 수 있게 되었습니다. 수많은 DNA 조각을 동시에 읽어 들여 컴퓨터로 재구성하는 이 기술은 유전체 분석의 대중화를 이끌었으며, 이제 개인이 자신의 유전자 지도를 휴대하며 건강 관리에 활용하는 시대를 열어가고 있습니다. 유전체 분석 기술은 현대 의학을 '정밀 의학'의 시대로 인도하고 있습니다. 특정 유전자 변이가 암 발생 위험을 높인다는 사실을 미리 파악하여 예방적 조치를 취하거나, 환자가 가진 고유한 변이에 최적화된 표적 치료제를 선택함으로써 치료 효율을 극대화할 수 있게 되었습니다. 또한 혈액 속에 떠다니는 미세한 DNA를 분석하여 암을 조기에 발견하거나 태아의 건강 상태를 확인하는 비침습적 검사 방식은 환자의 부담을 줄이면서도 정확한 진단을 가능하게 합니다. 유전체는 단순한 화학 물질의 나열을 넘어, 생명체가 소통하고 정보를 처리하는 정교한 '언어'와 같습니다. 바이러스가 인간 세포에 감염되는 과정 역시 바이러스의 언어 체계가 인간의 언어와 상호작용하며 정보를 교환하는 일종의 소통 과정으로 이해할 수 있습니다. 우리가 지구상의 다양한 생명체와 바이러스의 유전체 언어를 깊이 이해할수록, 예상치 못한 감염병의 확산을 미리 예측하고 대응할 수 있는 능력을 갖추게 됩니다. 이는 생명의 본질을 파악하는 가장 강력한 도구가 됩니다. 미래의 유전학은 질병의 치료를 넘어 인간의 수명과 삶의 질을 근본적으로 변화시킬 잠재력을 지니고 있습니다. 유전체 빅데이터와 환경 정보를 결합한 정밀한 예측 시스템은 인류가 무병장수의 길로 나아가는 데 결정적인 역할을 할 것입니다. 자신의 유전 정보를 스스로 관리하고 활용하는 디지털 헬스케어의 확산은 개인이 건강의 주체가 되는 시대를 의미합니다. 끊임없이 변화하는 DNA의 특성을 이해하고 이를 과학적으로 활용함으로써, 인류는 생명의 신비를 풀고 더 나은 미래를 설계해 나갈 것입니다.