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뇌, 그 너머로!👏👏 뉴럴 링크 강연, PART 3ㅣ선을 넘는 과학자들

영화 '트랜센던스'는 인간의 지능을 초월하여 뇌 정보를 컴퓨터에 업로드하는 미래를 그립니다. 이것이 허구처럼 보일 수 있지만, 과학자들은 이미 '예쁜꼬마선충'이라는 작은 생명체를 통해 그 가능성을 엿보고 있습니다. 이 선충은 몸길이가 1mm에 불과하지만, 모든 개체가 동일하게 302개의 신경세포를 가지고 있다는 독특한 특징이 있습니다. 연구자들은 이 세포들이 맺고 있는 약 8,000개의 연결망을 파악하여 '커넥톰'이라 불리는 뇌 지도를 완성했습니다. 이는 생명체의 신경 구조를 데이터화하는 중요한 첫걸음이 되었습니다. 연구자들은 예쁜꼬마선충의 커넥톰 정보를 활용해 놀라운 실험을 진행했습니다. 선충의 신경망 데이터를 레고 로봇에 이식한 뒤, 별도의 프로그래밍 없이 로봇이 어떻게 움직이는지 관찰한 것입니다. 결과는 놀라웠습니다. 로봇은 마치 살아있는 선충처럼 장애물을 피하고 먹이를 찾는 본능적인 움직임을 보였습니다. 이는 특정 생명체의 연결성 정보를 완벽히 알 수 있다면, 그 개체를 컴퓨터나 기계 안에서 구현하는 것이 이론적으로 가능하다는 사실을 시사합니다. 즉, 뇌의 디지털 복제가 더 이상 상상 속의 일만은 아님을 보여줍니다. 최근에는 줄기세포를 배양해 만든 인공 신경망인 '오가노이드'를 컴퓨터와 연결하는 연구가 활발히 진행 중입니다. 연구진은 오가노이드에게 '퐁(Pong)'이라는 탁구 게임을 학습시켰는데, 공을 놓칠 때마다 '예측 불가능한 전기 자극'이라는 벌칙을 주어 스스로 학습하게 유도했습니다. 그 결과 오가노이드는 놀라운 속도로 게임 방식을 익혀 능숙하게 공을 맞히기 시작했습니다. 이러한 '오가노이드 지능'은 인공지능과는 또 다른 생물학적 지능의 가능성을 보여며, 향후 자율주행 자동차 제어 등 다양한 실무 분야에 실제 신경망이 활용될 수 있는 길을 열었습니다. 하지만 뇌공학의 발전은 심각한 윤리적 고민을 동반합니다. 뇌 자극 기술은 외상 후 스트레스 장애 치료에 기여할 수 있지만, 공포를 관장하는 편도체를 마비시켜 '슈퍼 솔저'를 만드는 데 악용될 위험도 존재합니다. 또한 인위적으로 인지 능력을 높여주는 브레인 칩이 보편화된다면, 노력의 가치가 훼손되고 기술을 소유한 자와 그렇지 못한 자 사이의 사회적 불평등이 극심해질 것입니다. 경쟁에서 살아남기 위해 원치 않게 뇌를 수술해야 하는 상황은 우리가 경계해야 할 암울한 미래의 단면이기도 합니다. 과거 신발 치수를 재기 위해 강력한 엑스레이를 쏘았던 사례처럼, 새로운 기술은 예상치 못한 부작용을 동반하곤 합니다. 따라서 기술을 개발하는 연구자뿐만 아니라 대중의 지속적인 관심과 감시가 필수적입니다. 라이트 형제가 비행에 성공하기 직전까지도 많은 이들이 비행은 불가능하다고 믿었듯이, 뇌공학 기술 역시 우리가 생각하는 것보다 훨씬 빠르게 현실로 다가올 것입니다. 다가올 미래를 올바른 방향으로 이끌기 위해서는 지금부터 기술의 가치와 윤리에 대해 깊이 고민하고 대비하는 자세가 필요합니다.

국립과천과학관선을 넘는 과학자들🔬

생명과학
뇌인지과학
융합

[석학 인터뷰] 의식의 탄생과 인간의 진화의 관계🧬 | 2022 카오스강연 '진화'

우리는 우주를 날거나 스카이다이빙을 할 때도 중력의 영향권 아래 있듯이, 인간의 의식 또한 생물학적 진화라는 거대한 법칙 안에서 움직입니다. 의식은 어느 날 갑자기 완성된 형태로 나타난 신비로운 현상이 아니라, 아주 미세한 단계들을 거쳐 점진적으로 발달해 온 진화의 산물입니다. 마치 초기 생명체의 시각 장치가 단순히 빛과 그림자를 구분하는 수준에서 시작해 오늘날의 정교한 눈으로 발전했듯, 의식 또한 생존에 유리한 아주 작은 이득들이 쌓여 만들어진 결과물이라고 볼 수 있습니다. 많은 이들이 '퀄리아'를 과학으로 설명할 수 없는 미스터리로 여기곤 합니다. 내가 느끼는 빨간색의 강렬함이 타인의 것과 같은지 증명하기 어렵다는 점 때문입니다. 그러나 현대 인지신경과학은 의식을 해결 불가능한 난제가 아닌, 과학적 탐구의 대상으로 봅니다. 의식은 뇌의 여러 신경 회로가 정보를 공유하는 일종의 '칠판' 역할을 수행하며, 우리가 인지하지 못하는 무수한 무의식적 신경 작용들 사이에서 특정한 정보를 통합하고 전달하는 기능을 담당하고 있습니다. 의식의 출현을 인간만의 고유한 특권으로 보려는 시각도 존재하지만, 이는 생물학적 연속성을 간과한 것일 수 있습니다. 영장류나 유인원, 심지어 다른 동물들도 각자의 수준에서 의식이라 부를 수 있는 인지 기능을 갖추고 있습니다. 다만 인간은 고도로 발달한 언어와 문자라는 도구를 통해 자신의 의식을 기록하고 표현할 수 있을 뿐입니다. 따라서 의식은 인간과 함께 갑자기 출현한 것이 아니라, 자연 선택의 과정에서 복잡성이 증대되며 여러 생명체에게서 단계적으로 발전해 온 공통의 형질입니다. 의식의 본질을 이해하기 위해 분자 수준의 물리적 작용에 주목할 필요가 있습니다. 신경세포와 그 내부의 분자들이 상호작용하며 만들어내는 결과가 바로 의식이라는 가설은 현대 과학의 중요한 축을 이룹니다. 이는 개별 요소에는 없던 새로운 성질이 전체 시스템에서 나타나는 '창발적 특성'으로 설명될 수 있습니다. 비록 우리가 아직 의식의 모든 기전을 완벽히 규명하거나 재현하지는 못했을지라도, 의식은 결국 생물학적 토대 위에서 발생하는 물리적 현상의 일부라는 점은 부정하기 어려운 사실입니다. 현대 인류는 문화적, 기술적 진화를 통해 생물학적 진화의 속도를 앞지르고 있는 것처럼 보입니다. 때로는 저출산과 같이 생물학적 본능에 역행하는 선택을 하기도 하지만, 이것이 우리가 진화의 굴레에서 완전히 벗어났음을 의미하지는 않습니다. 인간의 고도화된 뇌 활동과 그에 따른 논리적 행동들 역시, 거대한 관점에서는 유전자가 환경에 적응하고 생존하기 위한 복잡한 전략의 연장선에 있습니다. 결국 의식은 생물학적 뿌리를 부정하는 도구가 아니라, 그 뿌리 위에서 피어난 가장 정교한 적응의 결과물입니다.

김상욱, 김영준, 김유섭, 박정재, 이준호, 장대익, 장이권, 전중환, 최재천, 한창석

카오스재단석학인터뷰

생명과학

[인터뷰] 이대한 _ 인간의 뇌는 앞으로도 커진다? | 2022 '진화가 필요한 순간'

멸종한 인류의 마음을 직접 들여다보는 것은 불가능에 가깝지만, 우리는 현존하는 친척인 침팬지나 보노보 같은 영장류와의 비교를 통해 그 단서를 찾을 수 있습니다. 인지신경과학적 관점에서 뇌와 마음의 상관관계를 분석하고, 다른 영장류와 차별화된 지점을 발견한다면 그것이 바로 인간 진화의 핵심일 것입니다. 이러한 연구는 인간만이 가진 독특한 인지적 특성이 언제, 어떻게 출현했는지 규명하는 중요한 출발점이 됩니다. 과거 인류의 감정과 마음을 추정하는 또 다른 방법은 그들이 남긴 문화적 산물을 살피는 것입니다. 그림, 음악, 그리고 종교와 같은 고도의 문화적 산물은 단순한 생존 이상의 가치를 추구했음을 보여줍니다. 이러한 산물이 존재하지 않던 시절의 인류와 그 이후의 인류는 분명 다른 마음의 구조를 가졌을 것입니다. 우리는 유물을 통해 보이지 않는 마음의 진화 과정을 간접적으로나마 재구성하며 인류의 정신사를 이해할 수 있습니다. 미래에 더 높은 지능을 가진 인류가 출현할 잠재력은 충분하지만, 지능의 진화가 반드시 생물학적 성공으로 이어지는지는 별개의 문제입니다. 과거 수백만 년 동안 지능이 높은 개체가 번식에 유리했기에 현재의 우리가 존재하지만, 지능이 지나치게 높아지면 오히려 생존에 불필요한 고민이 늘어나는 부작용도 발생할 수 있습니다. 즉, 지능의 진화는 단순히 가능성의 문제가 아니라, 그것이 생존과 번식에 실질적으로 기여하는 환경적 조건이 갖춰져야 실현될 수 있는 영역입니다. 뇌의 진화를 논할 때 흔히 뇌 용량의 증가를 떠올리지만, 컴퓨터의 발전사처럼 크기보다 중요한 것은 내부의 효율성과 구조입니다. 과거의 거대한 컴퓨터보다 오늘날의 작은 반도체가 훨씬 뛰어난 성능을 내듯, 뇌 역시 단순한 뇌 용량보다는 신경 회로의 집적도와 설계 방식이 지능을 결정짓는 핵심 요소일 수 있습니다. 따라서 우리와 비슷한 뇌 용량을 가졌더라도 내부 구조가 다르다면 지능의 수준도 크게 차이 날 수 있음을 인지하고 입체적인 시각으로 접근해야 합니다. 뇌와 마음의 상관관계를 생물학적 수준으로 완전히 환원하여 설명하는 것은 현대 과학이 직면한 거대한 과제 중 하나입니다. 아직은 마음의 본질에 대해 명확한 정의를 내리기 어려운 단계이지만, 인지신경과학의 비약적인 발전은 이 미지의 영역을 조금씩 밝혀내고 있습니다. 비록 지금은 조심스럽게 답변을 유보할 수밖에 없는 질문들이 많을지라도, 과학은 끊임없이 마음의 기원과 진화적 메커니즘을 증명하는 방향으로 나아가며 인류의 자기 이해를 돕고 있습니다.

이대한

카오스재단석학인터뷰

생명과학

[인터뷰] 오석배_과학적으로도 난제 중의 난제, ‘고통’

통증은 단순히 신체가 아픈 물리적 반응을 넘어선 매우 복잡한 현상입니다. 우리는 흔히 통증을 하나의 단순한 감각으로 여기기 쉽지만, 실제로는 신경계의 다양한 반응이 얽혀 있는 결과물입니다. 최근 노벨 생리의학상을 받은 연구들이 통각 수용체를 밝혀내며 큰 진전을 이루었으나, 이는 통증의 전체 모습 중 일부분에 불과합니다. 뇌와 신경계의 상호작용이 복합적으로 관여하기 때문에 통증을 완벽하게 제어하는 것은 현대 과학에서도 여전히 어려운 과제로 남아 있습니다. 연구자들은 이 보이지 않는 고통의 실체를 밝히기 위해 지금도 끊임없이 노력하고 있습니다. 만성 통증 환자들은 사고나 질병 이후에도 지속적인 고통을 호소하지만, 그 원인을 명확히 규명하기는 쉽지 않습니다. 자율신경계의 이상이나 교감신경의 과도한 활성화 등 다양한 가설이 존재하나, 환자마다 통증의 양상과 원인이 천차만별이기 때문입니다. 현재는 통증을 객관적으로 측정할 수 있는 수단이 부족하여 의학적 진단과 치료에 한계가 있습니다. 동물 모델을 통한 기전 연구가 진행되고 있음에도 불구하고, 실제 환자들에게 적용 가능한 성공적인 치료법을 개발하는 데는 더 많은 시간이 필요합니다. 원인을 모르는 고통은 환자들에게 심리적인 좌절감까지 안겨주기도 합니다. 통증의 원인은 신경 손상부터 감염증, 암, 당뇨병에 이르기까지 매우 다양합니다. 심지어 과거의 에이즈 감염이 나중에 신경통으로 이어지는 경우도 있어, 이를 단순히 만성 통증이라는 하나의 범주로 묶기에는 무리가 있습니다. 우리가 흔히 사용하는 아스피린이나 타이레놀은 주로 염증을 줄여 통증을 간접적으로 완화하는 방식이며, 마약성 진통제는 강력하지만 중독과 내성이라는 치명적인 부작용을 안고 있습니다. 따라서 각 환자의 발병 원인에 맞춘 정밀한 표적 치료법을 찾는 것이 통증 연구의 핵심적인 목표가 되고 있습니다. 근본적인 기전을 밝혀내지 못하면 임시방편에 그칠 수밖에 없습니다. 통증 신호가 발생하는 지점과 이를 인지하는 뇌 사이에는 밀접한 관계가 있지만, 두 현상이 항상 일치하는 것은 아닙니다. 뇌는 외부에서 들어오는 통각 신호를 해석하고 조절하는 능력을 갖추고 있습니다. 예를 들어 명상은 부교감 신경계를 활성화하고 몸을 이완시켜 뇌가 통증에 적응하거나 이를 극복하도록 돕는 수단이 될 수 있습니다. 이러한 원리를 이해하면 극심한 수행을 거친 이들이 통각을 느끼더라도 이를 고통으로 인지하지 않을 가능성도 설명할 수 있습니다. 이는 통증이 단순히 말초 신경의 문제가 아니라 뇌의 인지 과정과 깊게 연관되어 있음을 시사합니다. 노벨상을 받은 TRPV1이나 기계적 자극 수용체의 발견은 통증 연구의 시발점을 찾아낸 위대한 학문적 업적입니다. 하지만 말단 신경에서의 발견을 넘어 척수나 뇌 수준에서 통증이 어떻게 조절되는지를 밝히는 과제가 여전히 남아 있습니다. 과학은 거창한 목표에서 시작되는 것이 아니라, '왜 뜨거움을 느낄까'와 같은 일상의 소박한 질문에서 출발합니다. 미래의 연구자들이 이러한 호기심을 바탕으로 통증의 정체를 완전히 밝혀낸다면, 인류는 만성 통증이라는 거대한 굴레에서 벗어날 수 있을 것입니다. 쉬운 질문에서 시작해 복잡한 문제를 해결해 나가는 과정이 바로 과학의 본질입니다.

오석배

카오스재단석학인터뷰

생명과학

[강연] 온도, 촉각 수용체 발견, 통증이 없는 삶 가능할까? by 오석배 ㅣ 고등과학원(KIAS) x 카오스재단 2021 '노벨상 해설강연' | 1강

우리가 세상을 인지하는 가장 기본적인 방식은 오감을 통한 자극의 수용입니다. 그중에서도 온도와 촉각은 생존과 직결된 아주 중요한 감각입니다. 뜨거운 물체에 닿았을 때 즉각적으로 손을 떼거나, 부드러운 바람을 느끼는 과정은 우리 몸속의 정교한 센서들이 작동한 결과입니다. 오랫동안 인류는 이러한 감각이 어떻게 전기적 신호로 변환되어 뇌에 전달되는지 그 구체적인 메커니즘을 밝혀내고자 노력해 왔습니다. 이러한 탐구는 생명과학의 핵심적인 과제 중 하나였습니다. 2021년 노벨 생리의학상은 바로 이 감각의 수수께끼를 풀어낸 과학자들에게 돌아갔습니다. 데이비드 줄리어스 교수는 고추의 매운 성분인 캡사이신을 활용해 우리가 열을 감지하는 원리를 규명했습니다. 그는 캡사이신에 반응하는 특정 유전자를 찾아내어 'TRPV1'이라는 이온 통로를 발견했습니다. 이 발견은 단순히 매운맛을 이해하는 것을 넘어, 우리 몸이 유해한 수준의 열을 어떻게 통증으로 인식하는지를 과학적으로 증명한 획기적인 사건으로 기록되었습니다. TRPV1은 특정 온도 이상에서 문이 열리며 이온을 통과시키는 단백질입니다. 이를 통해 열 자극이 전기 신호로 바뀌어 신경계를 타고 뇌로 전달됩니다. 흥미로운 점은 캡사이신 분자가 이 수용체에 결합하면, 실제 온도가 높지 않음에도 불구하고 우리 뇌는 뜨거움을 느낀다는 사실입니다. 이러한 연구는 온도감각과 통증이 분자 수준에서 어떻게 연결되어 있는지를 명확히 보여주었으며, 감각 생리학 분야에 새로운 지평을 열어주었다는 평가를 받고 있습니다. 온도뿐만 아니라 물리적인 압력을 감지하는 메커니즘 역시 오랫동안 베일에 싸여 있었습니다. 아뎀 파타푸티안 교수는 세포에 물리적인 자극을 가했을 때 반응하는 유전자를 추적한 끝에 '피에조(PIEZO) 통로'를 발견했습니다. 피에조는 그리스어로 압력을 뜻하는 단어에서 유래했으며, 세포막이 눌리거나 당겨질 때 열리는 이온 통로입니다. 이 발견으로 우리는 가벼운 접촉부터 깊은 압박까지 다양한 촉각을 인지하는 생물학적 기초를 명확하게 갖게 되었습니다. 피에조 통로의 역할은 단순히 피부의 촉각에만 국한되지 않습니다. 우리 몸 내부의 혈압 조절이나 방광의 팽창 정도를 감지하는 등 내부 장기의 상태를 파악하는 데도 핵심적인 역할을 수행합니다. 또한 자신의 팔다리가 어디에 위치해 있는지 인지하는 고유수용감각에도 깊이 관여합니다. 이처럼 물리적 자극을 감지하는 시스템은 우리 몸의 항상성을 유지하고 복잡한 움직임을 제어하는 데 필수적인 요소임이 밝혀졌으며, 이는 인체 신비의 한 축을 담당합니다. 이러한 기초 과학적 발견은 현대 의학에서 통증 치료의 새로운 가능성을 제시하고 있습니다. 만성 통증이나 신경병증성 통증으로 고통받는 환자들에게 TRPV1이나 피에조 통로를 조절하는 약물은 혁신적인 치료제가 될 수 있습니다. 특정 감각 수용체만을 표적으로 삼아 부작용을 최소화하면서도 효과적으로 통증을 제어하려는 연구가 현재 활발히 진행 중입니다. 이는 감각의 원리를 이해하는 것이 곧 인류의 고통을 줄이고 삶의 질을 높이는 길임을 시사하는 대목입니다. 감각 수용체의 발견은 인간이 환경과 상호작용하는 근본적인 방식을 이해하게 해주었습니다. 우리가 느끼는 따뜻함, 시원함, 그리고 부드러운 촉감 뒤에는 수억 년의 진화 과정을 거쳐 완성된 정교한 분자 기계들이 숨어 있습니다. 노벨 생리의학상이 주목한 이 연구들은 생명과학의 근원적인 질문에 답을 던졌을 뿐만 아니라, 미래의 정밀 의료를 향한 중요한 이정표가 되었습니다. 앞으로도 감각의 신비는 계속해서 밝혀질 것이며 우리의 삶을 더욱 풍요롭게 만들 것입니다.

오석배

카오스재단노벨상/필즈상 해설강연

생명과학

[강연] 뇌의 지도를 그리다! 머릿속 연결된 길을 찾아서 _ by김진현 ㅣ 2021 가을 카오스강연 '과학의 희열' 7강 | 7강

인류의 역사에서 지도는 생존과 탐험을 위한 필수적인 도구였습니다. 성벽을 쌓을 위치를 정하거나 사냥터를 찾는 일부터, 현대의 자율주행 GPS에 이르기까지 지도는 문명의 발전을 이끌어왔습니다. 이러한 지도의 개념은 이제 우리 몸의 가장 신비로운 영역인 뇌로 확장되고 있습니다. 뇌지도는 단순히 구조를 파악하는 것을 넘어, 인간의 지성과 감성이 어디에서 비롯되는지 탐구하는 현대과학의 정점이라 할 수 있습니다. 고대 문명에서는 인간의 정신이 깃든 곳을 두고 치열한 논쟁이 있었습니다. 이집트인들은 심장을 지성의 근원으로 믿어 미라를 만들 때 뇌는 제거하고 심장은 소중히 보관했습니다. 그리스의 아리스토텔레스 역시 심장이 영혼의 중심이라 생각했지만, 히포크라테스는 뇌가 즐거움과 슬픔의 근원이라고 주장했습니다. 이러한 철학적 질문들은 현대 신경과학의 토대가 되었으며, 우리가 누구인지 정의하는 근본적인 탐구로 이어졌습니다. 르네상스 시대를 거치며 뇌에 대한 이해는 해부학적 관찰을 통해 더욱 정교해졌습니다. 레오나르도 다빈치는 인체 해부를 통해 뇌의 3차원적 구조를 스케치했고, 베살리우스는 상세한 해부학 서적을 편찬하며 신경계의 경로를 묘사했습니다. 이후 갈바니의 전기 신호 발견과 데카르트의 반사신경 이론은 뇌가 단순한 장기가 아니라 전기적 소통을 통해 신체를 조절하는 복잡한 시스템임을 깨닫게 하는 중요한 전환점이 되었습니다. 19세기 말, 신경과학의 양대 산맥인 골지와 카할은 뇌의 기본 구조를 두고 대립했습니다. 골지는 뇌가 거대한 그물망처럼 연결되어 있다고 보았으나, 카할은 뇌가 '뉴런'이라는 독립된 세포들의 집합이라고 주장했습니다. 결국 카할의 뉴런 이론이 현대과학의 정설로 받아들여졌으며, 그가 남긴 정교한 뉴런 드로잉은 오늘날까지도 뇌지도의 표준으로 평가받습니다. 이는 뇌를 개별 단위의 신경망으로 이해하는 커넥톰 연구의 시초가 되었습니다. 현대의 뇌지도는 '커넥톰'이라는 개념으로 진화했습니다. 이는 유전체인 게놈처럼 뇌 속의 모든 신경망을 총체적으로 파악하려는 시도입니다. 인간의 뇌에는 약 860억 개의 뉴런과 100조 개의 시냅스가 존재하며, 이들의 연결 길이를 합치면 지구를 네 바퀴 반이나 돌 수 있을 정도입니다. 이 거대한 복잡성을 해독하기 위해 과학자들은 MRI와 전자현미경을 넘어, 나노미터 수준의 시냅스를 시각화할 수 있는 최첨단 기술을 동원하고 있습니다. 시냅스 수준의 정밀한 지도를 그리기 위해 mGRASP와 같은 혁신적인 기술이 활용되고 있습니다. 이는 쪼개진 형광 단백질이 시냅스에서 만날 때만 빛을 내게 하여 뉴런 간의 연결을 가시화하는 방법입니다. 또한 '뉴튜브'와 같은 소프트웨어를 통해 복잡한 뉴런의 구조를 3차원 디지털 데이터로 재구성함으로써, 특정 영역에서 신호가 어떻게 전달되는지 상세히 분석할 수 있게 되었습니다. 이러한 기술적 진보는 뇌의 기능적 국소화를 넘어 전체적인 소통 방식을 이해하게 합니다. 뇌과학의 미래는 데이터의 공유와 협력에 달려 있습니다. 쥐여우원숭이와 같은 새로운 동물 모델을 통해 인간 뇌 질환 연구의 가교를 마련하고, 이를 통해 얻은 방대한 뇌지도 데이터를 '이음'과 같은 오픈 사이언스 플랫폼으로 전 세계와 공유하고 있습니다. 뇌라는 미지의 세계를 탐험하는 여정은 이제 개별 연구실의 성과를 넘어 인류 공동의 지적 자산이 되고 있으며, 이러한 연결은 결국 인간 이해의 새로운 지평을 열어줄 것입니다.

김진현

카오스재단카오스강연

뇌인지과학

[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

카오스재단읽다과학

뇌인지과학

[과린이를 부탁해 - 과학소년,개똥이네놀이터] 7월호

우리 몸의 사령탑이라 불리는 뇌는 신체 에너지의 상당 부분을 홀로 소비할 만큼 막대한 역할을 수행합니다. 우리가 숨을 쉬고 음식을 먹는 기본적인 생존 활동부터 기억하고 판단하며 고도의 사고를 하는 과정까지 모두 뇌의 통제 아래 이루어집니다. 하지만 이처럼 중요한 기관임에도 불구하고, 현대 사회에는 뇌에 대한 과학적 사실보다 잘못된 정보나 신화가 더 널리 퍼져 있는 경우가 많습니다. 뇌과학자들은 우리가 흔히 믿고 있는 뇌에 대한 상식 중 상당수가 실제 연구 결과와는 다르다는 점을 지적하며, 뇌의 진정한 작동 원리를 이해하는 것이 중요하다고 강조합니다. 가장 대표적인 오해 중 하나는 논리적인 사람은 좌뇌가, 창의적인 사람은 우뇌가 발달했다는 이분법적 사고입니다. 과거 연구를 통해 특정 반구가 특정 기능을 우세하게 처리한다는 사실이 밝혀지기도 했으나, 이는 일반적인 상황과는 차이가 있습니다. 실제 인간의 뇌는 좌우 반구가 뇌량으로 긴밀하게 연결되어 있어, 모든 정보를 유기적으로 주고받으며 작동합니다. 최근의 뇌 신경 활동 관찰 결과에 따르면, 건강한 사람의 뇌에서 특정 성향에 따라 좌뇌와 우뇌를 구분하여 사용하는 경향은 발견되지 않았으며 두 반구는 언제나 협력합니다. 남자는 이성적이고 여자는 감성적이라는 고정관념을 뇌의 구조적 차이로 설명하려는 시도도 많았습니다. 물론 남성의 뇌가 평균적으로 여성보다 크기가 크다는 통계는 있지만, 이를 근거로 뇌 구조에서 성별에 따른 뚜렷한 차이가 존재한다고 보기는 어렵습니다. 이스라엘 텔아비브 대학교 연구팀이 1,400여 명의 뇌를 분석한 결과, 뇌의 형태만 보고 성별을 확실히 구분할 수 있는 경우는 전체의 3~6%에 불과했습니다. 즉, 대부분의 인간 뇌는 성별과 관계없이 다양한 특성이 혼합된 형태를 띠고 있으며, 뇌의 구조만으로 남녀의 성격이나 능력을 규정짓는 것은 과학적 근거가 부족합니다. 인간이 평생 뇌의 10%밖에 사용하지 못한다는 이야기는 영화나 소설의 단골 소재이지만, 이 역시 사실이 아닙니다. 뇌를 구성하는 수많은 신경세포들은 각자의 역할을 수행하며, 찰나의 순간이 아닌 전체적인 흐름에서 보면 뇌의 모든 영역이 골고루 사용되고 있음을 알 수 있습니다. 만약 뇌의 모든 영역이 동시에 과도하게 활성화된다면 뇌가 소모하는 에너지가 너무 커져서 신체의 다른 부위가 사용할 에너지가 고갈되는 심각한 문제가 발생하게 됩니다. 따라서 우리는 이미 뇌의 잠재력을 충분히 활용하며 살아가고 있는 셈이며, 특정 부분만 잠들어 있다는 것은 오해에 가깝습니다. 성인이 되면 더 이상 새로운 신경세포가 생겨나지 않는다는 믿음도 최근 연구를 통해 변화하고 있습니다. 20세기 중반까지는 신경세포의 재생이 불가능하다고 여겨졌으나, 최근에는 성인의 해마에서도 새로운 신경세포가 생성된다는 주장이 힘을 얻고 있습니다. 이처럼 뇌과학은 끊임없이 발전하며 우리의 상식을 새롭게 정립하고 있습니다. 한편, 무더위가 시작되는 7월에는 뇌 건강뿐만 아니라 전신 건강을 지키는 지혜도 필요합니다. 대서와 같은 절기를 맞이하여 적절한 운동과 휴식을 병행하고, 오존주의보가 발령될 때는 야외활동을 자제하며 건강한 여름을 보내는 태도가 중요합니다.

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[명강리뷰] 진화, 뇌를 여는 열쇠 by 전중환ㅣ2016 봄 카오스 강연 '뇌 - Brain' 9강

독일의 재상 비스마르크는 법을 만드는 과정이 소시지 제조 과정처럼 추하고 민망하기에 안 보는 것이 좋다고 말했습니다. 우리 인간의 마음도 이와 비슷합니다. 사랑, 정의, 삶의 의미와 같은 숭고한 가치들이 사실은 뇌의 전기화학적 활동이자 자연선택에 의한 진화의 산물이라는 점을 우리는 흔히 외면하곤 합니다. 하지만 마음이 뇌의 활동이며, 뇌가 다른 신체 기관과 마찬가지로 생존과 번식을 위해 설계된 도구라는 사실을 받아들일 때 비로소 우리 자신에 대한 진정한 이해가 시작됩니다. 뇌를 온전히 이해하기 위해서는 '어떻게' 작동하는지를 다루는 근접 원인과 '왜' 그렇게 설계되었는지를 다루는 궁극 원인이 모두 필요합니다. 초콜릿 케이크가 달콤해서 먹는다는 대답은 시스템의 작동 방식인 근접 원인에 해당합니다. 반면, 왜 우리 뇌가 당분이 풍부한 음식을 달콤하게 느끼도록 설계되었는지를 묻는 것이 궁극 원인입니다. 진화적 관점은 과거 환경에서 생존에 유리했던 형질이 선택된 이유를 밝힘으로써, 흩어져 있는 뇌과학적 발견들을 하나로 매끄럽게 통합하는 이론적 틀을 제공합니다. 진화적 관점은 인간의 행동과 뇌 반응에 대한 선험적인 예측을 가능하게 합니다. 대표적인 예가 질투의 성차입니다. 남성은 부성 불확실성 때문에 배우자의 성적 부정에 더 민감하며, 이때 공격성과 관련된 편도체와 시상하부가 활성화됩니다. 반면 여성은 자원 확보의 위협이 되는 정서적 부정에 더 민감하게 반응하며, 타인의 의도를 읽는 상측두구가 활성화됩니다. 이는 뇌의 특정 부위가 활성화되는 이유가 과거 진화 역사 속에서 해결해야 했던 구체적인 생존 문제와 직결되어 있음을 보여줍니다. 여성의 배우자 선호도 역시 배란 주기에 따라 진화적으로 변화하며 뇌에 반영됩니다. 가임기 여성은 우수한 유전적 자질의 신호인 남성적인 얼굴을 선호하는 반면, 비가임기에는 협력적인 양육자가 될 수 있는 부드러운 인상을 선호합니다. 흥미로운 점은 가임기 여성이 남성적인 얼굴을 볼 때 위험 감수와 관련된 전대상피질이 활성화된다는 것입니다. 이는 우수한 유전자를 선택하는 동시에, 가족에 덜 헌신적일 수 있는 마초적 남성을 선택하는 위험성을 뇌가 무의식적으로 인지하고 평가하고 있음을 시사합니다. 결론적으로 뇌를 온전하게 이해하기 위해서는 신경과학적 메커니즘과 진화적 원인이 상호 보완적으로 연구되어야 합니다. 진화 이론은 단편적인 사실들을 하나로 묶어주는 나침반 역할을 하며, 뇌과학은 그 진화적 가설을 검증할 물리적 토대를 마련해 줍니다. '어떻게'와 '왜'라는 두 가지 질문이 만날 때, 우리는 비로소 인간의 마음이라는 복잡한 설계도의 진면목을 확인할 수 있습니다. 이러한 통합적 접근이야말로 현대 과학이 인간이라는 존재를 탐구하는 데 있어 가장 강력한 열쇠가 될 것입니다.

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[명강리뷰] 영화로 만나는 뇌과학 by 김종성ㅣ2016 봄 카오스 강연 '뇌 - Brain' 6강

뇌는 인간 존재의 정수이자 모든 활동의 근원입니다. 우리가 움직이고, 생각하며, 누군가를 미워하거나 슬퍼하는 감정의 소용돌이까지 모두 뇌라는 정교한 기관에서 비롯됩니다. 하지만 인류가 뇌의 중요성을 깊이 이해하기 시작한 것은 문명의 역사에 비하면 그리 오래되지 않았습니다. 뇌의 운동 중추는 우리 몸의 각 부위와 긴밀하게 연결되어 전기 신호를 주고받으며 근육의 움직임을 조절합니다. 이 경로가 손상되면 뇌졸중이나 마비와 같은 치명적인 질환이 발생하며, 이는 뇌가 우리 몸을 지휘하는 거대한 통제 센터임을 증명합니다. 우리가 의식하지 않아도 숨을 쉬고 심장이 뛰는 것은 뇌간이라는 작은 부위 덕분입니다. 불과 2~3cm에 불과한 이 영역은 호흡과 맥박, 동공의 크기 조절 등 생명 유지에 필수적인 자율 기능을 담당합니다. 만약 우리가 의식적으로 숨을 쉬어야 했다면 일상적인 대화나 고도의 사고 활동은 불가능했을 것입니다. 뇌간은 체내 화학 물질의 변화를 감지하여 스스로 명령을 내리고 우리 몸의 항상성을 유지합니다. 이처럼 뇌는 우리가 인지하지 못하는 순간에도 생존을 위한 가장 기초적이고도 중요한 임무를 묵묵히 수행하고 있습니다. 진화의 과정에서 포유류는 파충류의 뇌를 넘어 변연계라는 감정의 뇌를 발달시켰습니다. 이 영역은 공포를 느끼는 편도체와 기억을 담당하는 해마를 포함하며, 특히 종의 번식을 위한 모성애라는 특별한 감정을 만들어냈습니다. 알을 낳고 떠나는 파충류와 달리, 포유류는 새끼를 돌보고 양육하는 전략을 통해 생존율을 높였습니다. 이는 뇌의 대상회라는 부위가 활성화되면서 나타나는 본능적인 유대감입니다. 감정과 기억이 결합된 이 시스템은 단순한 생존을 넘어 인간이 복잡한 사회적 관계를 맺고 사랑을 나누는 심리적 토대가 되었습니다. 기억의 메커니즘에서 해마는 새로운 정보를 장기 기억으로 전환하는 결정적인 관문입니다. 과거 해마를 제거하는 수술을 받았던 환자 H.M.의 사례는 기억의 신비를 푸는 중요한 열쇠가 되었습니다. 그는 수술 이후 새로운 사건을 전혀 기억하지 못하는 상태가 되었지만, 수술 이전의 오래된 기억은 고스란히 간직하고 있었습니다. 이를 통해 과학자들은 단기 기억과 장기 기억이 뇌의 서로 다른 영역에서 처리된다는 사실을 발견했습니다. 기억은 단순한 과거의 기록이 아니라, 현재의 나를 정의하고 미래를 설계하게 하는 연속적인 자아의 흐름입니다. 인간을 다른 동물과 구별 짓는 가장 핵심적인 부위는 바로 전두엽입니다. 다른 영장류의 전두엽 비중이 10% 미만인 것에 비해 인간은 전체 뇌의 30% 이상을 전두엽에 할애합니다. 전두엽은 고도의 판단력, 논리적 사고, 그리고 사회적 도덕심을 관장하는 사령탑입니다. 과거에는 전두엽을 절제하는 무모한 시술이 행해지기도 했으나, 이는 인간의 고유한 인격과 판단력을 파괴하는 비극을 낳았습니다. 우리는 전두엽을 통해 사유하고 소통하며 공동체의 문제를 해결합니다. 타인과 공감하고 함께 고민하는 과정이야말로 인간만이 가진 위대한 뇌의 힘입니다.

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[질문Q] 정신병이 창의성과 연관되는 분야가 왜 주로 예술 쪽일까?ㅣ2016 봄 카오스 강연 '뇌 - Brain' 4강ㅣ뇌를 읽다, 그리고 마음을 읽다

뇌 영상에서 보이는 화려한 색상들은 실제 뇌의 색깔이 아니라 신호의 세기를 시각적으로 표현한 결과물입니다. 특정 부위가 노란색이나 파란색으로 표시되는 것은 데이터 분석과 해석을 돕기 위한 기준일 뿐, 우리 뇌 자체가 그런 색을 띠는 것은 아닙니다. 다만 실험실 환경에서는 해파리의 형광 유전자를 쥐의 세포에 주입하여 특정 조직이 빛을 내게 만드는 정밀한 방식을 사용하기도 합니다. 이러한 기술은 복잡한 뇌 구조 내에서 특정 세포의 활동을 시각화하고 관찰하는 데 큰 도움을 줍니다. 창의성은 단순히 타인을 모방하는 것이 아니라 자신만의 독특한 세계를 구축하는 과정입니다. 흥미롭게도 과거에는 평범했던 사람이 좌측 전두엽이 손상된 이후 이전에 없던 천재적인 예술적 재능을 발현하는 사례가 보고되기도 합니다. 이는 특정 뇌 영역의 억제 기전이 사라지면서, 그동안 잠재되어 있던 감각적 역량이 역설적으로 깨어나기 때문으로 해석됩니다. 우리가 사회적 생존을 위해 잠시 덮어두었던 본래의 능력이 뇌의 물리적 변화를 통해 새롭게 드러나는 셈입니다. 뇌는 우리 삶의 모든 순간을 주관하는 하드웨어와 같아서, 기기 자체에 문제가 생기면 그 안의 콘텐츠도 제대로 구현될 수 없습니다. 아무리 아름다운 음악이 담긴 CD라도 플레이어 기기에 결함이 생기면 소리가 나지 않듯, 신경 세포의 물리적 상태는 정신 건강을 결정짓는 핵심 요소입니다. 특히 증상이 심각해져 대화만으로 조절이 어려운 단계에 이르면 약물 치료를 통해 뇌 내 화학적 균형을 맞추는 과정이 필수적입니다. 이는 뇌라는 물질을 다루는 것이 곧 정신을 돌보는 길임을 시사합니다. 인간의 감정 처리는 의식적인 영역과 무의식적인 영역으로 나뉘어 정교하게 작동합니다. 아주 짧은 시간 동안 자극을 주어 우리가 의식하지 못하는 상태에서도 뇌의 관련 부위는 활발히 반응하며, 피부 전기 전도도나 심박수가 변하는 등의 신체적 변화가 나타나기도 합니다. 특히 공포와 같은 생존 직결 감정은 편도체를 중심으로 매우 명확한 반응 경로를 보여줍니다. 반면 슬픔이나 측은지심 같은 고차원적인 감정은 여러 하위 감정들이 복합적으로 섞여 있어 그 발생 기전을 명확히 규명하기가 상대적으로 어려운 주제입니다. 도파민은 아미노산인 티로신으로부터 매우 간단한 과정을 거쳐 생성되며, 초파리부터 인간에 이르기까지 광범위하게 발견되는 진화의 산물입니다. 뇌는 아주 오래전부터 사용되어 온 공통된 경로를 공유하며 다양한 기능을 수행하는데, 중독과 사랑이라는 서로 다른 경험이 뇌 안에서 많은 신경 회로를 공유한다는 점은 매우 흥미롭습니다. 최근의 고해상도 영상 기술은 이처럼 비슷한 부위 내에서도 미세하게 다른 신경 회로의 움직임을 포착하며, 인간의 본성과 복잡한 감정 체계에 대한 이해를 한층 더 넓혀가고 있습니다.

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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.

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[석학인터뷰] 임창환_ 뇌와 AI의 합체! 50년, 아니 20년 후 가능하다? | 2020 가을 카오스강연 'Ai X'

현대 과학의 최전선이라 불리는 뇌 연구 분야는 마치 치열한 전쟁터와 같습니다. 인류가 아직 뇌의 신비를 20% 정도밖에 이해하지 못하고 있는 상황에서, 이 미지의 영역을 선점하는 것은 국가와 인류의 미래가 걸린 중대한 과제입니다. 비록 거대한 지식의 피라미드를 쌓아 올리는 과정에서 벽돌 하나를 놓는 정도의 작은 기여일지라도, 그 한 걸음이 가지는 가치는 매우 큽니다. 연구자들은 이러한 사명감을 바탕으로 광속으로 발전하는 기술 경쟁 속에서 뇌의 비밀을 풀기 위해 끊임없이 정진하고 있으며, 이 분야에 대한 깊은 애정과 책임감을 느끼고 있습니다. 최근 뇌 공학의 흐름은 단순한 성능 향상을 넘어 실용적인 응용 분야로 그 범위를 넓혀가고 있습니다. 과거에는 뇌파 신호를 분석하는 알고리즘 개발에 집중했다면, 이제는 이를 활용해 드론을 조작하거나 휠체어 및 외골격 로봇을 제어하는 단계에 이르렀습니다. 더 나아가 생각만으로 냉장고나 TV 같은 가전제품을 조작하는 기술도 현실화되고 있습니다. 이러한 기술적 진보는 신체적 제약을 극복하게 해줄 뿐만 아니라, 인간과 기계가 소통하는 방식 자체를 근본적으로 변화시키고 있습니다. 일상 속의 다양한 기기들이 뇌와 연결되는 시대가 머지않았습니다. 연구의 지평은 뇌 신호를 넘어 얼굴 부위에서 발생하는 다양한 생체 신호로까지 확장되고 있습니다. 안면 근육의 움직임에서 발생하는 근전도나 눈동자의 움직임을 포착하는 신호를 결합하여, 더욱 정교한 인간-컴퓨터 인터페이스를 구축하고 있습니다. 또한 단순히 신호를 읽는 것에 그치지 않고, 전자기 자극이나 빛을 이용해 뇌 기능을 적절하게 조절하는 기술도 활발히 개발 중입니다. 이는 외부 자극을 통해 뇌의 상태를 최적화함으로써 인지 능력을 향상하거나 질환을 치료하는 데 기여할 수 있습니다. 이러한 다각적인 접근은 인간의 능력을 확장하는 새로운 열쇠가 될 것입니다. 미래의 뇌 과학은 인간의 자연 지능과 인공지능이 하나로 결합한 '브레인 3.0' 시대를 지향합니다. 이는 마치 공상과학 영화 속의 전사처럼 인간의 뇌 일부를 인공 뇌로 대체하여 본래 하나였던 것처럼 작동하게 만드는 개념입니다. 과거 전기차의 보급 속도를 예측하지 못했듯, 뇌 공학의 발전 속도 역시 우리의 상상을 초월하고 있습니다. 글로벌 기업들의 적극적인 참여와 기술 혁신이 가속화됨에 따라, 머지않은 미래에는 뇌에 마이크로칩을 삽입하여 기능을 확장하는 것이 일상적인 풍경이 될지도 모릅니다. 약 20년 뒤면 이러한 기술이 대중화될 것으로 전망됩니다. 기술 개발의 궁극적인 지향점은 연구실을 넘어 실제 도움이 필요한 사람들에게 닿는 것입니다. 특히 사지 마비 환자나 신경계 손상을 입은 분들에게 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)는 새로운 삶의 희망이 됩니다. 실제로 루게릭병 환자들을 포함한 50명 이상의 임상 시험을 통해 기술의 실용성을 검증하며, 환자들이 만족해하는 모습에서 연구의 진정한 보람을 찾습니다. 단순한 기술적 성취를 넘어 사회적 가치를 실현하는 이러한 노력은 전 세계적으로도 높은 평가를 받으며 미래 의료의 핵심으로 자리 잡고 있습니다. 실용적인 기술 개발은 연구자들에게 가장 큰 자부심의 원천입니다.

임창환

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[Warning] 2020 Ai X | 2020 가을 카오스강연 'Ai X' 티저

우리가 누군가를 마주하고 타인의 존재를 확인하는 찰나의 순간, 뇌 속에서는 경이로운 연쇄 반응이 일어납니다. 시각 정보가 눈을 통해 들어오면 뇌의 후두엽을 거쳐 방추상 안면 영역이라 불리는 곳으로 전달됩니다. 이곳은 얼굴의 미세한 특징을 분석하여 우리가 아는 사람인지 아닌지를 순식간에 판별해냅니다. 단순한 시각적 자극이 구체적인 존재로 치환되는 이 과정은 현대 과학에서도 여전히 흥미로운 연구 대상 중 하나로 꼽히며, 인간관계의 시작을 알리는 생물학적 신호탄이 됩니다. 인식의 단계가 지나면 뇌는 기억의 저장고인 해마를 뒤져 상대방과 공유했던 과거의 경험과 감정을 불러옵니다. 짧은 감탄사는 단순한 소리가 아니라, 뇌가 방대한 데이터를 처리하며 찾아낸 일치점에 대한 반응입니다. 이 과정에서 도파민이나 옥시토신 같은 신경전달물질이 분비되기도 하며, 이는 상대방에 대한 반가움이나 경계심 같은 정서적 태도를 결정짓습니다. 찰나의 마주침 속에서도 우리의 신경계는 상대방의 존재를 온전히 받아들이기 위해 이토록 복잡하고 정교한 계산을 수행하고 있는 것입니다. 결국 타인을 인지하고 소통을 시작하는 행위는 인간이 사회적 동물로서 생존하기 위해 진화시켜 온 고도의 전략입니다. 서로의 존재를 확인하는 짧은 대화는 고립된 개체들을 연결하고 공동체의 결속력을 다지는 기초가 됩니다. 과학적 관점에서 볼 때, 우리가 타인을 향해 내뱉는 짧은 한마디는 단순한 음성 신호를 넘어선 깊은 유대감의 표현입니다. 이러한 상호작용은 뇌의 사회적 네트워크를 활성화하며, 인간이 타인과 공존하며 살아가는 이유를 명확하게 보여주는 증거라고 할 수 있습니다.

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[그림으로 보는 과학뉴스] 일론 머스크는 왜 돼지 뇌에 생각 읽는 칩을 심었나?

최근 일론 머스크가 설립한 뉴럴링크는 뇌와 기계를 직접 연결하려는 혁신적인 시도를 선보였습니다. 시연회에서 공개된 돼지 '거트루드'는 뇌에 '링크 0.9'라는 칩을 이식받은 상태였으며, 코를 통해 음식을 섭취할 때 발생하는 뇌파 신호가 실시간으로 컴퓨터 화면에 출력되었습니다. 이는 인간의 뇌가 외부 기계와 직접 정보를 주고받을 수 있다는 가능성을 시각적으로 증명한 사례로 평가받습니다. 머스크는 이를 통해 인간의 인지 능력을 확장하고 다양한 질환을 극복하고자 합니다. 인간이 외부 자극을 받아 행동하기까지는 감각, 지각, 인지라는 복잡한 단계를 거칩니다. 감각기관을 통해 들어온 물리적 자극은 뇌에서 전기 신호로 변환되며, 지각 단계에서는 이를 기존의 기억과 비교하여 의미를 부여합니다. 예를 들어, 들려오는 소리가 단순한 소음인지 아니면 좋아하는 가수의 노래인지를 판별하는 과정이 여기에 해당합니다. 이후 인지 단계에서 최종적인 의사결정을 내리고 행동으로 옮기게 되는데, 뉴럴링크는 바로 이 과정에 직접 개입하여 정보를 처리하고자 합니다. 뉴럴링크의 기술은 단순히 기계와의 연결을 넘어 의학적 한계를 극복하는 데 초점을 맞추고 있습니다. 시각이나 청각 등 감각 체계에 문제가 생겼거나, 마비로 인해 거동이 불편한 환자들에게 새로운 희망을 제시하는 것이 목표입니다. 뇌의 특정 부위에 칩을 이식하여 손상된 신경망의 역할을 대신하거나 보조함으로써, 시각 장애인이나 청각 장애인, 그리고 기억 장애를 겪는 이들이 다시 일상적인 삶을 영위할 수 있도록 돕는 것입니다. 이는 성경 속 기적과도 같은 변화를 과학 기술의 힘으로 실현하려는 대담한 도전입니다. 우리 몸에서 정보를 전달하는 핵심 세포는 뉴런이라 불리는 신경세포입니다. 이 세포들은 자극을 받으면 내부의 포타슘 이온과 외부의 소듐 이온이 통로를 통해 이동하며 미세한 전기적 변화를 일으킵니다. 세포막 안팎의 전위차가 발생하면서 마치 전류가 흐르는 것처럼 신호가 전달되는 것입니다. 이러한 신호 전달 메커니즘은 뇌가 정보를 처리하는 가장 기본적인 생물학적 원리이며, 뉴럴링크의 칩은 바로 이 미세한 전기 신호를 정밀하게 포착하여 외부 기기로 전송하도록 설계되었습니다. 기술적으로 뉴럴링크는 뇌의 겉 부분인 피질, 즉 회백질에 미세 전극을 삽입하는 방식을 취합니다. 신경세포가 밀집해 있는 이 구역은 뇌의 깊은 곳까지 찌르지 않고도 효율적으로 신호를 측정할 수 있는 최적의 장소입니다. 전극 탐침을 통해 뇌세포 근처에서 발생하는 전기적 변화를 정밀하게 읽어냄으로써 인간의 생각을 데이터화하는 것입니다. 이러한 뇌-컴퓨터 인터페이스 기술의 발전은 인류가 기계와 공생하며 지능의 한계를 뛰어넘는 새로운 시대를 예고하고 있습니다.

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융합

[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.

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[카오스 술술과학] 눈이 찍고 뇌가 본다, 착시 | 카오스 브레인 오디세이(8)

우리는 흔히 본다는 행위를 카메라가 상을 맺는 과정처럼 단순하게 생각하곤 합니다. 하지만 망막에 맺힌 상을 누가 보느냐는 질문에 직면하면, 무한 루프와 같은 논리적 오류인 '호문쿨루스 역설'에 빠지기 쉽습니다. 실제로 본다는 것은 단순히 이미지를 수용하는 단계를 넘어, 뇌가 정보를 처리하고 해석하는 대단히 복잡한 과정입니다. 과학적으로도 우리가 어떻게 시각적 경험을 갖게 되는지는 여전히 풀리지 않은 신비로 남아 있으며, 이는 시각이 단순한 물리적 현상 그 이상임을 시사합니다. 우리 눈의 망막에 맺히는 상은 사실 위아래가 뒤집힌 2차원 영상에 불과합니다. 그러나 우리가 지각하는 세상은 똑바로 선 입체적인 3차원 공간입니다. 이러한 기적 같은 변환은 뇌가 망막의 이미지를 수동적으로 수용하는 것이 아니라, 복잡한 연산 과정을 거쳐 시각적 인지 상태를 능동적으로 생성하기 때문에 가능합니다. 뇌는 외부의 물리적 자극을 자신만의 체계로 재구성하는 정교한 장치이며, 이 과정을 통해 우리는 비로소 일관된 현실을 인식하게 됩니다. 시각의 독특한 특성을 가장 잘 보여주는 사례는 바로 착시 현상입니다. 네커 큐브처럼 하나의 이미지를 두 가지 방식으로 지각하거나, 주변 사물과의 배치에 따라 대상의 크기를 실제와 다르게 인식하는 현상은 우리의 눈이 아닌 뇌가 정보를 능동적으로 해석하고 있음을 증명합니다. 우리는 대상의 실제 상태를 알고 있음에도 불구하고 뇌가 내리는 판단을 거부하지 못합니다. 이는 시각이 단순히 객관적인 수치를 측정하는 도구가 아니라, 뇌의 특정 메커니즘에 의해 재구성되는 주관적 경험임을 알려줍니다. 우리의 뇌는 과거의 경험과 주변 환경을 바탕으로 시각 정보를 보정합니다. 그림자 속에 있는 물체가 실제보다 더 밝을 것이라고 추론하여 인식하는 밝기 착시나, 한 번 학습한 이미지를 이전과 다르게 지각하는 현상이 대표적입니다. 이러한 특징은 현실을 부정확하게 인식하게 만들기도 하지만, 복잡한 환경 속에서 사물을 더 효율적으로 파악하도록 돕습니다. 즉, 뇌는 단순히 빛의 양을 측정하는 것이 아니라 맥락을 파악하여 우리에게 가장 유용한 정보를 우선적으로 선택하여 보여주는 것입니다. 이러한 시각적 특성은 진화의 산물이며 인간뿐만 아니라 동물에게서도 발견됩니다. 아르고스 꿩의 꽁지깃에 있는 구슬 무늬는 빛과 그림자의 원리를 이용해 입체감을 만들어내어 암컷을 유혹합니다. 찰스 다윈은 자연 선택과 유전이라는 원리만으로 이러한 경이로운 특징들이 형성될 수 있음을 통찰했습니다. 위쪽에서 빛이 비치는 지구의 환경에 적응하며 생존에 유리한 방향으로 진화해 온 결과가 바로 지금 우리가 세상을 보는 방식입니다. 진화는 불가능해 보이는 시각적 마법을 오랜 시간을 거쳐 완성해냈습니다.

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[카오스 술술과학] 발을 성기로 착각한 남자 | 카오스 브레인 오디세이(7)

환상 사지(Phantom Limb)는 사고나 수술로 신체의 일부가 소실되었음에도 불구하고 여전히 그 부위가 존재하는 것처럼 생생하게 느끼는 현상을 말합니다. 이는 단순한 심리적 환각이 아니라, 사지 절단 환자의 약 90%가 실제로 경험할 정도로 흔하게 관찰되는 신경학적 상태입니다. 팔다리뿐만 아니라 맹장, 유방, 심지어 성기에서도 이러한 감각이 보고되곤 합니다. 더욱 놀라운 점은 존재하지 않는 부위에서 칼로 베는 듯한 환상통을 느끼기도 한다는 것인데, 이는 우리 뇌가 호문쿨루스를 어떻게 인식하고 관리하는지에 대한 깊은 의문을 던집니다. 영국의 위대한 해군 제독 넬슨은 전투 중 오른팔을 잃은 뒤에도 손바닥을 후벼 파는 듯한 고통에 시달렸으며, 이를 '감각의 유령'이라 부르며 영혼의 존재에 대한 증거로 보았습니다. 과거 과학자들은 이 현상을 설명하기 위해 프로이트의 소망 충족 가설이나 잘려 나간 말초 신경의 자극 등을 원인으로 꼽았습니다. 하지만 말초 신경 부위를 치료하거나 심지어 추가로 절단해도 통증이 사라지지 않는 사례가 빈번하게 발견되었습니다. 결국 현대 뇌과학의 발전과 함께 문제의 근본적인 원인을 말초 신경이 아닌 뇌 자체의 구조적 변화와 재배선 과정에서 찾기 시작했습니다. 캐나다의 신경외과 의사 펜필드는 뇌의 특정 부위가 몸의 각 부위와 연결되어 있다는 '호문쿨루스'를 정립했습니다. 이 호문쿨루스는 실제 신체의 비율과는 달리 손가락이나 입술처럼 감각이 예민한 부위가 훨씬 넓은 면적을 차지합니다. 흥미로운 점은 호문쿨루스상에서 얼굴과 손, 혹은 발과 성기처럼 서로 인접한 부위들이 존재한다는 사실입니다. 신체 일부가 사라지면 해당 영역을 담당하던 뇌세포들이 인접한 영역의 자극에 반응하도록 촉수를 뻗어 재배선됩니다. 이 과정에서 얼굴을 만질 때 환상 사지의 감각을 동시에 느끼는 기묘한 현상이 발생하게 됩니다. 인도의 신경과학자 라마찬드란 박사는 발에서 강렬한 성적 쾌감을 느끼는 환자의 사례를 통해 뇌 가소성을 증명했습니다. 호문쿨루스에서 발과 성기 영역이 가깝게 붙어 있기 때문에 발생하는 이 현상은, 뇌가 환경 변화에 따라 끊임없이 호문쿨루스를 수정하는 유연한 기관임을 보여줍니다. 이러한 특성은 외부 도구를 신체의 일부로 확장하여 인식하는 능력으로도 이어집니다. 우리가 운전할 때 차체를 내 몸처럼 느끼거나, 스마트폰이 없으면 불안감을 느끼는 것도 뇌가 외부 대상을 자아의 영역으로 받아들이기 때문입니다. 결론적으로 뇌가 만들어내는 '나'라는 존재는 고정불변의 실체가 아니라, 상황과 환경에 따라 끊임없이 요동치고 변화하는 적응의 결과물입니다. 환상 사지나 유체 이탈 경험, 그리고 도구와의 일체감은 모두 변화하는 환경 속에서 생존하기 위해 뇌가 스스로를 재구성하는 과정이라 할 수 있습니다. 우리는 뇌의 이러한 유연한 속성 덕분에 도구를 다루며 문명을 건설하고 진화해 올 수 있었습니다. 보이지 않는 고통과 기묘한 감각들은 역설적으로 인간의 뇌가 얼마나 경이로운 생명력과 적응력을 가진 존재인지를 증명하는 소중한 과학적 단서가 됩니다.

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[강연] 사랑의 배터리-전기 화학 by정택동｜2019 서울대 자연과학대학 공개강연 '과학 선율' | 1강

서울대학교 자연과학 공개 강연은 1994년부터 시작되어 과학의 즐거움을 대중과 나누는 대표적인 프로그램으로 자리 잡았습니다. 올해는 '과학자의 꿈과 도전: 과학 선율'이라는 주제 아래, 기초과학의 다양한 분야에서 발견되는 파동과 곡선의 미학을 탐구합니다. 과학은 단순히 정답을 찾는 과정이 아니라, 작은 물음표에서 시작해 더 큰 물음표를 가슴에 품게 되는 끝없는 탐구의 여정입니다. 이번 강연은 예비 과학자들이 인류의 미래를 위해 봉사할 꿈을 키우고, 일상 속에 숨겨진 과학의 아름다운 선율을 느끼는 소중한 기회가 됩니다. 전기화학은 물리학의 전자기학적 원리를 화학적 물질 변환에 접목하여 연구하는 학문입니다. 화학이 물질의 근본적인 변화를 다룬다면, 전기는 전하의 흐름을 통해 에너지를 전달하고 일을 수행합니다. 마이클 패러데이는 화학적 정량과 전하량 사이의 정량적 관계를 정립하며 이 두 세계를 연결하는 가교를 놓았습니다. 전자의 위치 에너지를 정밀하게 제어함으로써 분자로부터 전자를 끄집어내거나 다시 넣어주는 과정은 전기화학의 가장 핵심적인 방법론이며, 이를 통해 우리는 물질의 성질을 의도적으로 변화시키고 에너지를 조절할 수 있게 됩니다. 우리 주변의 모든 물질은 원자와 분자 내부에 전자를 가두고 있으며, 이 전자를 잃거나 얻는 산화·환원 반응은 생명 현상의 근간을 이룹니다. 자연계의 탄소 순환 역시 거대한 산화·환원의 반복으로 이해할 수 있습니다. 식물은 태양 에너지를 이용한 광합성을 통해 탄소를 고정하며 에너지를 축적하고, 동물은 호흡을 통해 유기물을 산화시켜 생명 유지에 필요한 에너지를 얻습니다. 지구 생태계는 이러한 전자의 이동과 에너지 기울기를 통해 정교한 균형을 유지하며, 생명체는 그 과정에서 발생하는 에너지를 신진대사의 원천으로 삼아 생존을 이어갑니다. 현대 기술의 집약체인 리튬 이온 배터리는 전기화학적 원리를 이용한 대표적인 에너지 저장 장치입니다. 충전 시에는 리튬 이온이 전자를 받아 금속 리튬 형태로 흑연 층 사이에 저장되며, 방전 시에는 다시 이온화되어 양극으로 이동하며 에너지를 방출합니다. 이때 양극의 전이 금속 산화물은 전하의 균형을 맞추기 위해 스스로 산화·환원을 반복합니다. 가벼우면서도 높은 전압을 낼 수 있는 리튬의 특성을 활용하여 좁은 공간에 최대한 많은 에너지를 안정적으로 가두는 것이 배터리 기술의 핵심이며, 이는 전기 자동차와 같은 미래 산업의 원동력이 됩니다. 배터리의 효율을 극대화하기 위해서는 전자가 이동하는 통로인 전극뿐만 아니라, 그 주변을 둘러싼 용매와 전해질의 역할이 매우 중요합니다. 리튬 이온이 고체 전극 내부로 침투하거나 빠져나올 때 발생하는 에너지 손실을 최소화해야만 빠른 충전과 긴 수명을 보장할 수 있습니다. 특히 급속 충전 과정에서 금속이 무작위로 자라나 단락을 일으키면 열 폭주와 같은 위험한 상황이 발생할 수 있으므로, 원자 수준에서의 정밀한 계면 제어가 필수적입니다. 과학자들은 가속기 등을 활용해 충·방전 시 일어나는 물질의 변화를 실시간으로 관찰하며 더 안전한 배터리를 연구하고 있습니다. 차세대 친환경 에너지원으로 주목받는 수소 연료전지는 수소를 산화시켜 전기를 얻고 부산물로 순수한 물만 남기는 이상적인 시스템입니다. 하지만 실제 구동 과정에서 산소가 환원되는 반응 속도가 매우 느려 전체적인 효율을 떨어뜨리는 숙제를 안고 있습니다. 현재는 백금이 가장 우수한 촉매로 사용되고 있으나, 높은 가격 문제를 해결하기 위해 백금의 양을 줄이거나 이를 대체할 새로운 촉매 물질을 설계하는 연구가 활발히 진행 중입니다. 태양 에너지를 이용해 물을 분해하고 수소를 생산하여 다시 전기로 바꾸는 순환 구조는 지속 가능한 지구를 만들기 위한 과학계의 거대한 도전입니다. 전기화학의 영역은 에너지 저장을 넘어 바이오 센서와 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 분야로 그 지평을 넓히고 있습니다. 전자기적 제어의 세계와 복잡한 생물 화학적 세계가 만나는 경계선에서 전기화학은 두 영역을 연결하는 핵심적인 역할을 수행합니다. 인간의 뇌신경 회로와 디지털 기기가 정보를 가역적으로 주고받는 미래 기술의 중심에는 전하의 흐름을 다루는 정교한 과학적 통찰이 자리 잡고 있습니다. 서로 다른 분야가 만나 공명을 일으키는 과학의 선율은 인류의 삶을 더욱 풍요롭게 변화시킬 것이며, 이러한 끊임없는 호기심과 도전이 미래 과학의 탄탄한 기본기가 됩니다.

정택동

카오스재단서울대자연과학공개강연

화학

[석학인터뷰] 송민령_여자의 뇌와 남자의 뇌 따윈 없다! | 2019 가을 카오스강연 '도대체 都大體'

뇌과학은 흔히 머릿속의 뇌만을 연구하는 학문으로 생각하기 쉽지만, 실제로는 몸 전체에 퍼진 신경계 전반을 다루는 신경과학의 영역입니다. 이는 생물학을 기초로 하며 심리학, 정신의학, 인지과학 등 인간의 마음을 탐구하는 다양한 학문과 밀접하게 연결되어 있습니다. 최근에는 인공지능 기술이 뇌의 신경망을 모방하여 발전함에 따라, 뇌공학이 뇌과학에 새로운 영감을 제공하고 방대한 데이터를 분석하는 데 핵심적인 역할을 수행하며 학문 간의 상호작용이 더욱 활발해지고 있습니다. 현대 뇌과학은 기술의 비약적인 발전으로 과거 특정 영역에 국한되었던 연구에서 벗어나, 수많은 신경세포의 활동을 동시에 관찰하고 정밀하게 조절하는 단계에 이르렀습니다. 이제는 뇌를 넘어 우리 몸 전체로 뻗어 나가는 신경계를 통합적으로 바라보는 연구가 주를 이루고 있으며, 이 과정에서 발생하는 막대한 데이터를 해석하기 위한 이론적 연구도 중요해지고 있습니다. 특히 인간의 정신 작용과 신체의 상호작용이 밝혀지면서, 로봇공학과의 협업을 통해 인간의 의식과 감정을 더욱 깊이 있게 이해하려는 시도가 이어지고 있습니다. 우리가 흔히 접하는 성별에 따른 뇌의 차이가 따로 있다는 주장은 과학적 근거가 부족한 대표적인 오해 중 하나입니다. 뇌 연구 결과에 따르면 성별에 따른 차이는 유전적 요인보다 환경적, 문화적 요인에 의해 훨씬 더 큰 영향을 받습니다. 성호르몬조차 고정된 것이 아니라 개인이 처한 문화와 경험에 따라 변화할 수 있다는 사실은 뇌가 주변 환경에 적응하며 끊임없이 변화하는 유연한 존재임을 시사합니다. 따라서 생명을 고정불변의 실체로 보기보다는 환경과의 끊임없는 상호작용 속에서 이해하는 태도가 필요합니다. 도파민은 예상치 못한 보상이 주어졌을 때 분비되어 우리의 선택과 동기부여에 결정적인 영향을 미치는 신경전달물질입니다. 이는 단순히 즐거움을 주는 것에 그치지 않고, 무언가를 배우고 기억하며 새로운 영역을 탐험하게 만드는 원동력이 됩니다. 하지만 도파민의 작용은 긍정적인 학습뿐만 아니라 충동적인 행동이나 습관 형성에도 깊이 관여합니다. 특히 마약성 약물은 이러한 도파민 체계를 인위적으로 조절하여 뇌를 중독이라는 병리적인 상태로 몰아넣기 때문에, 뇌가 스스로를 통제하기 힘든 상태가 되지 않도록 주의해야 합니다. 결국 뇌과학은 단순히 신체 기관을 연구하는 것을 넘어, 나 자신과 타인, 그리고 인간이라는 존재 전체를 깊이 있게 이해하도록 돕는 학문입니다. 자아나 자유의지가 고정된 실체라기보다 우리 삶을 지탱하는 기능적 작용에 가깝다는 통찰은 우리가 어떻게 함께 살아가야 할지에 대한 중요한 질문을 던집니다. 뇌과학을 통해 얻은 인간에 대한 깊은 이해가 사회 전반에 확산될 때, 우리는 비로소 서로를 더 포용하고 존중하는 인간적인 사회를 만들어 나갈 수 있을 것입니다.

송민령

카오스재단카오스강연

뇌인지과학

[강연] 내가 보는 세상, 뇌가 보는 세상 _ by심원목｜2019 가을 카오스강연 '도대체 都大體' | 7강

우리가 경험하는 세상은 단순히 눈앞의 풍경을 그대로 받아들이는 결과물이 아닙니다. 고대 이집트인들은 마음이 심장에 있다고 믿었지만, 현대 과학은 모든 감각 경험이 뇌의 전기적 신호 해석에서 비롯된다는 사실을 밝혀냈습니다. 우리가 의자에 앉아 느끼는 감촉이나 강연자의 목소리, 눈앞의 풍경은 모두 뇌가 만들어낸 정교한 산물입니다. 결국 '실제란 무엇인가'라는 질문은 우리 뇌가 외부 세계를 어떻게 재구성하느냐에 대한 답을 찾는 과정과 같습니다. 뇌는 불완전한 감각 정보를 바탕으로 우리만의 고유한 세계를 구축하는 위대한 설계자입니다. 인공지능 알파고가 바둑에서 인간을 능가했을 때 많은 이들이 놀라움을 금치 못했습니다. 하지만 바둑보다 훨씬 복잡한 고도의 정신 과정이 바로 우리가 매일 수행하는 '보는 것'입니다. 수많은 인파 속에서 지인의 얼굴을 단번에 알아보고, 그의 표정에서 미묘한 감정을 읽어내는 일은 컴퓨터에게는 여전히 매우 어려운 과제입니다. 인간의 뇌는 단순히 시각 정보를 수집하는 데 그치지 않고, 배경과 상황을 유추하며 사회적 맥락까지 순식간에 파악합니다. 우리가 큰 노력 없이 세상을 보는 행위 자체가 사실은 뇌가 수행하는 가장 경이로운 연산 작업 중 하나인 셈입니다. 인간의 눈은 설계 관점에서 보면 의외로 허점이 많습니다. 망막의 시세포는 거꾸로 배열되어 있고, 신경 다발이 지나가는 통로 때문에 아무것도 볼 수 없는 '맹점'이 존재합니다. 또한 우리가 선명하게 볼 수 있는 영역은 손톱만한 크기에 불과하며 주변부는 매우 뿌옇게 보입니다. 그럼에도 우리가 세상을 균일하고 선명하게 인식하는 이유는 뇌의 놀라운 보완 능력 덕분입니다. 뇌는 주변 정보를 이용해 빈 공간을 채워 넣고, 끊임없는 안구 운동을 통해 얻은 정보를 조합하여 완벽한 시각 세계를 만들어냅니다. 우리가 보는 세상은 눈이 찍은 사진이 아니라 뇌가 완성한 그림입니다. 뇌는 시각 정보를 처리할 때 밝기, 윤곽, 색상과 같은 기본 특질을 서로 다른 경로로 분석합니다. 흥미로운 점은 우리가 사물의 밝기나 색상을 물리적 수치 그대로 받아들이지 않는다는 것입니다. 주변의 그림자나 조명 상태를 고려하여 뇌가 스스로 정보를 수정하고 해석하기 때문입니다. 유명한 드레스 색상 논란처럼, 동일한 이미지라도 뇌가 어떤 조명 환경을 가정하느냐에 따라 전혀 다른 색으로 지각되기도 합니다. 이러한 착시 현상들은 뇌가 단순히 수동적으로 정보를 수용하는 것이 아니라, 과거의 경험과 지식을 바탕으로 세상을 능동적으로 해석하고 있음을 보여주는 증거입니다. 2차원의 망막 이미지를 3차원의 입체 세계로 재구성하는 과정은 뇌가 해결해야 할 가장 어려운 숙제 중 하나입니다. 뇌는 그림자의 방향, 물체의 크기 변화, 움직임의 속도 차이 등 다양한 단서를 활용해 거리 및 깊이를 추정합니다. 예를 들어 '빛은 위에서 온다'는 지구 환경에서의 강력한 가정을 바탕으로 사물의 오목함과 볼록함을 판단합니다. 만약 움직임을 감지하는 뇌 영역에 손상을 입는다면, 세상은 정지 화면의 연속처럼 보이게 되어 일상적인 활동조차 불가능해집니다. 이처럼 입체적인 시각 경험은 뇌가 수많은 단서를 실시간으로 통합하여 만들어낸 고차원적인 결과물입니다. 인간의 뇌에는 얼굴이나 장소, 신체 부위 등 특정한 범주의 사물을 인식하는 데 특화된 영역이 존재합니다. 특히 사회적 동물인 인간에게 얼굴 인식은 생존과 직결된 중요한 능력이기에, 뇌의 방추상 얼굴 영역(FFA)은 아주 미세한 특징만으로도 인물을 식별해냅니다. 반면 인공지능은 치와와와 머핀을 구별하는 데 어려움을 겪기도 하는데, 이는 인간이 사물을 볼 때 단순히 형태만 보는 것이 아니라 맥락과 의미를 함께 읽어내기 때문입니다. 뇌는 진화의 역사 속에서 우리에게 필요한 정보를 가장 효율적으로 처리하도록 최적화되었으며, 이러한 특수성이 인간만의 독특한 시각 세계를 형성합니다. 우리의 시각 경험은 현재의 기분이나 정서 상태에 의해서도 영향을 받습니다. 행복한 상태일 때는 숲 전체를 보는 경향이 강해지고, 우울할 때는 나무 하나하나의 세부 사항에 집중하게 된다는 연구 결과는 시각이 심리적 상태와 밀접하게 연결되어 있음을 시사합니다. 또한 우리는 단순한 도형의 움직임 속에서도 복잡한 사회적 상호작용과 이야기를 읽어내기도 합니다. 결국 '본다는 것'은 외부 세계를 객관적으로 관찰하는 행위를 넘어, 우리의 지식, 기억, 감정이 투영된 주관적인 우주를 창조하는 과정입니다. 뇌가 보여주는 세상은 곧 우리 마음이 세상을 바라보는 방식 그 자체라고 할 수 있습니다.

심원목

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[강연] 창의성의 기원, 뇌가 사랑한 오브제 _ by김대수｜2019 봄 카오스강연 '기원, 궁극의 질문들' 10강 | 10강

유전자는 자연의 역사 속에서 자신의 존재를 보존하고 자손에게 전달하기 위해 뇌라는 경이로운 기관을 만들어냈습니다. 유전자가 담을 수 있는 정보량은 한정적이지만, 뇌는 그 수만 배에 달하는 방대한 정보를 수집하고 활용할 수 있는 잠재력을 지니고 있습니다. 결국 뇌는 유전자의 생존을 돕기 위해 세상에 적응하고, 때로는 슬픔과 행복이라는 감정을 만들어내며 창의적인 방식으로 외부 세계와 소통하는 신비로운 역할을 수행합니다. 우리 뇌는 세상을 바라볼 때 모든 정보를 낱개로 받아들이기보다 특정 단위로 묶어서 인식하는 경향이 있는데, 이를 '오브제'라고 부릅니다. 예술가들이 과일로 사람의 얼굴을 그리듯, 뇌는 파편화된 정보 속에서 본질을 끌어내어 하나의 의미 있는 대상으로 완성하거나 다른 대상과 분리하여 인식합니다. 이러한 패턴 완성 및 분리 기능은 뇌가 복잡한 환경 속에서 사물을 정확히 판별하고 생존에 필요한 판단을 내리는 데 핵심적인 근거가 됩니다. 생명 진화의 역사를 살펴보면 뇌의 존재 이유는 움직임과 밀접한 관련이 있음을 알 수 있습니다. 신경계가 없는 해면동물이나 고정된 생활을 하는 멍게와 달리, 고등 동물일수록 목과 턱, 손발이 발달하여 주변의 오브제와 적극적으로 상호작용하게 되었습니다. 사물을 만지고 다루는 능력이 발달함에 따라 뇌의 기능도 함께 진화했으며, 이는 자연 속의 다양한 자원을 활용하여 생존과 번식의 가능성을 높이는 결정적인 계기가 되었습니다. 창의성이란 단순히 독특한 생각을 하는 것에 그치지 않고, 사물의 새로운 용도를 발견하여 실질적인 유용함을 만들어내는 능력을 의미합니다. 물고기를 잡기 위해 빵 조각을 미끼로 사용하는 새의 행동처럼, 자연계에서 창의성은 더 많은 에너지를 효율적으로 습득하게 해주는 강력한 생존 전략입니다. 남들이 이미 검증된 방식에만 머물 때, 새로운 아이디어를 통해 틈새시장을 개척하는 창의적 활동은 개체와 종의 번영에 커다란 이점을 제공합니다. 신경과학적 관점에서 호기심은 특정 물체에 대한 끌림과 탐구 욕구로 정의됩니다. 연구 결과, 시상하부의 MPA라는 신경 영역이 물체에 대한 호기심을 관장한다는 사실이 밝혀졌습니다. 이 신경이 활성화되면 동물은 새로운 대상에 강한 애착을 보이며 이를 획득하기 위해 평소에 없던 창의적인 행동을 발휘합니다. 즉, 호기심은 뇌가 목표를 발견했을 때 이를 달성하기 위해 잠재된 능력을 끌어올리는 핵심적인 동력이 됩니다. 창의력을 현실에서 구현하는 또 다른 핵심 기제는 '메타인지'입니다. 이는 자신이 아는 것과 모르는 것을 구분하고, 하나의 경험을 전혀 다른 상황에 적용하여 문제를 해결하는 고차원적인 학습 능력입니다. 뇌가 오브제를 탐색하며 얻은 정보들을 융합하고 응용하는 과정에서 메타인지가 작동하며, 이는 단순한 지식 습득을 넘어 새로운 가치를 창출하는 창의적 사고로 이어집니다. 이러한 능력은 변화하는 환경에 적응하는 데 필수적입니다. 사물의 가치를 판단하고 창의적인 선택을 내리는 과정에는 사회적 신뢰와 환경이 중요한 변수로 작용합니다. 마시멜로 실험이 보여주듯, 미래의 보상을 믿고 현재의 욕구를 참아내는 능력은 뇌가 더 깊은 아이디어를 생산할 시간을 벌어줍니다. 또한, 충분한 휴식은 뇌가 정보를 연결하고 창의성을 발휘하게 돕는 '인큐베이션' 역할을 합니다. 결국 창의성은 오브제를 향한 뇌의 본능이자, 세상을 더 유용하게 활용하려는 생명력의 표현입니다.

김대수

카오스재단카오스강연

생명과학
뇌인지과학

[석학인터뷰] 심원목_ 마음은 무엇이라고 생각하세요? | 2019 가을 카오스강연 '도대체 都大體'

인간은 오감 중 시각이 매우 발달한 동물로, 뇌의 상당 부분이 시각 정보를 처리하는 영역으로 할당되어 있습니다. 시각 피질은 복잡한 시각 자극 속에서도 아주 단순한 요소들을 체계적으로 기록하며, 이러한 작동 원리는 마음의 구조를 이해하는 중요한 열쇠가 됩니다. 단순한 자극에서 시작해 복잡한 인지 과정으로 이어지는 체계적인 흐름은 뇌과학의 매력적인 연구 대상입니다. 자연의 불규칙한 풍경이나 생명체의 정교한 움직임 속에서 발견되는 규칙성은 우리가 세상을 어떻게 인식하고 해석하는지에 대한 깊은 통찰을 제공하며, 시각적 경험이 단순한 감각을 넘어 마음의 기초를 형성함을 보여줍니다. 마음은 뇌의 특정 부위에 국한된 것이 아니라 뇌 전체가 상호작용하며 만들어내는 결과물이라고 볼 수 있습니다. 우리가 누군가의 목소리를 인식하고 눈앞의 풍경을 파악하는 모든 과정은 뇌의 전방위적인 활동을 통해 이루어집니다. 꿈과 같은 주관적인 경험을 연구할 때도 언어적 보고를 통해 그 내용을 파악하려는 시도가 이어지고 있으며, 이는 보이지 않는 마음의 영역을 과학적으로 규명하려는 노력의 일환입니다. 우리가 경험하는 세계가 실제인지, 아니면 뇌의 전기적 신호가 만들어낸 산물인지에 대한 철학적 질문은 뇌과학이 해결해야 할 근본적인 과제 중 하나입니다. 지난 30년 동안 기능적 자기공명영상(fMRI)은 마음과 뇌의 관계를 연결하는 핵심적인 연구 도구로 활용되어 왔습니다. 감각 기관을 통해 들어온 정보가 어떻게 해석되어 우리가 경험하는 세계를 구축하는지 이해하는 과정은 우리 자신을 알아가는 여정과도 같습니다. fMRI 연구를 통해 우리는 마음의 작동 원리에 대해 많은 것을 알아냈지만, 여전히 미지의 영역으로 남은 부분도 존재합니다. 마음과 뇌의 연결 고리를 찾는 연구는 단순히 과학적 사실을 밝히는 것을 넘어, 인간 존재의 본질에 대한 깊은 이해를 돕고 우리가 인식하는 현실의 경계를 확장하는 데 기여할 것입니다.

심원목

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뇌인지과학

[석학인터뷰] 그것이 알고 싶다?! 현대과학으로도 도저히 설명할 수 없는 미스터리는? _1편ㅣ미스터리 릴레이

현대 과학은 우주가 빅뱅을 통해 시작되었다는 수많은 증거를 확보했지만, 정작 그 현상이 왜 발생했는지에 대해서는 여전히 답을 내놓지 못하고 있습니다. 이것이 필연적인 사건이었는지 아니면 우연의 산물이었는지조차 명확하지 않은 상황에서, 인류가 과연 이 근원적인 질문에 답할 수 있을지는 미지수입니다. 빅뱅이라는 거대한 패러다임 속에서 우리는 우주에 대한 수많은 의문을 해결해 왔으나, 그 시작점의 본질은 여전히 인간의 지성이 도달하지 못한 미지의 영역으로 남아 있습니다. 현재 천문학계의 가장 큰 화두는 암흑 에너지와 암흑 물질의 정체를 밝히는 일입니다. 만약 이 요소들 중 하나라도 존재하지 않는다는 사실이 밝혀진다면 우리가 맹신해 온 빅뱅 이론의 근간이 흔들릴 수도 있습니다. 특히 우주 상수의 미세한 값을 이해하는 것은 현대 물리학의 성배와도 같은 과제로 여겨집니다. 수많은 학자가 이 문제에 도전해 왔으나 아직 명쾌한 해답을 찾지 못했으며, 이 수수께끼를 푸는 이는 인류 과학사에 획을 긋는 업적을 남기게 될 것입니다. 입자 물리학은 소립자를 연구하는 학문이지만, 더 근본적으로는 우주의 탄생과 진화 과정을 추적하는 학문이기도 합니다. 물리학자들은 우주를 구성하는 기본 입자들이 어떻게 상호작용하며 현재의 모습을 갖추게 되었는지 그 원리를 찾고자 합니다. 특히 우리가 살고 있는 시공간이 왜 하필 4차원인지, 혹은 우리가 인지하지 못하는 여분의 차원이 존재하는지에 대한 질문은 매우 흥미로운 주제입니다. 이러한 근본적인 원리에 대한 탐구는 우주를 설명하는 궁극적인 이론에 도달하기 위한 필수적인 과정입니다. 물질의 세계를 넘어 생명의 탄생으로 시야를 확장하면 또 다른 거대한 미스터리가 우리를 기다리고 있습니다. 무생물인 물질이 어떻게 생명력을 가진 존재로 진화했는지는 물리학이 아직 제대로 다루지 못하는 영역입니다. 우주의 역사 속에서 생명이 등장한 것이 물리 법칙이 예견한 필연인지, 아니면 극히 희박한 확률이 만들어낸 우연인지에 대한 논의는 끊이지 않습니다. 특히 인간이 가진 자의식의 정체와 그것이 어떻게 형성되었는지는 과학이 풀어야 할 가장 고차원적인 숙제 중 하나입니다. 인간의 뇌는 겉보기에는 특징 없는 조직처럼 보이지만, 의식을 만들어내고 고도의 인지 기능을 수행하는 경이로운 기관입니다. 최근의 인공지능 기술은 뇌의 기능을 모방하고 있지만, 스스로를 인식하는 '앎'의 단계에는 이르지 못했습니다. 신경과학이 의식의 비밀을 밝혀낸다면 인공지능 또한 자아를 가진 존재로 진화할 가능성이 있습니다. 더불어 인간이 대규모로 협동하는 이유나 끊임없이 출현하는 새로운 질병에 대한 연구는 생물학적 관점에서 인류의 미래를 이해하는 중요한 열쇠가 될 것입니다.

김대수, 김준홍, 김항배, 김형도, 박성찬, 윤성철, 이석영, 최재천

카오스재단릴레이 인터뷰

지구환경과학
천문학
융합

[행사] 2018 골드버그대회 2일차 영상

소리는 우리 주변 어디에나 존재하며, 공기의 진동을 통해 전달되는 물리적 현상입니다. 물체가 진동하면 주변의 공기 분자들이 압축과 팽창을 반복하며 파동을 만들어내고, 이것이 우리의 귀에 도달하여 소리로 인식됩니다. 이러한 파동의 주파수는 소리의 높낮이를 결정하며, 진폭은 소리의 크기를 결정하는 핵심적인 요소가 됩니다. 단순한 소음에서부터 정교한 음악에 이르기까지, 모든 소리의 근원은 결국 미세한 진동에서 시작된다는 점이 과학적으로 매우 흥미로운 지점입니다. 리듬은 일정한 규칙에 따라 반복되는 소리의 흐름으로, 인간의 뇌는 이러한 반복적인 패턴을 인지하는 데 매우 특화되어 있습니다. 박수를 치거나 발을 구르는 행위는 단순한 움직임을 넘어, 우리 몸의 생체 리듬과 외부의 소리 자극이 동기화되는 복잡한 과정입니다. 연구에 따르면 인간은 아주 어린 시절부터 리듬을 감지하며, 이는 언어 습득이나 사회적 교감 능력과도 깊은 연관이 있다고 합니다. 리듬은 소리에 질서를 부여하고 인간의 감정을 전달하는 가장 강력하고도 원초적인 도구라고 할 수 있습니다. 악기가 만들어내는 다채로운 음색은 배음 구조와 공명에 의해 결정됩니다. 현악기의 줄이 진동하거나 관악기의 공기 기둥이 진동할 때, 기본 주파수 외에도 여러 배음이 함께 발생하며 독특한 음색을 만들어냅니다. 악기의 몸체는 이러한 진동을 증폭시키는 공명통 역할을 수행하며, 재질과 형태에 따라 음색이 크게 달라집니다. 과학적 원리가 정교하게 설계된 악기는 자연의 소리를 예술의 영역으로 끌어올리는 매개체가 되며, 이는 물리학과 예술이 만나는 지점이기도 합니다. 소리는 인간의 감정과 심리에 즉각적인 영향을 미칩니다. 특정 주파수의 소리는 긴장을 완화하고 집중력을 높여주는 반면, 불협화음이나 날카로운 소음은 스트레스 호르몬의 분비를 촉진하기도 합니다. 음악 치료 분야에서는 이러한 소리의 특성을 활용하여 심리적 안정을 도모하고 인지 기능을 개선하는 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 소리가 뇌의 변연계를 자극하여 기억과 감정을 불러일으키는 과정은 신경과학적으로도 매우 중요한 연구 대상이며, 우리가 왜 음악에 감동하는지를 설명해주는 열쇠가 됩니다. 현대 과학 기술은 소리를 제어하고 활용하는 방식을 혁신적으로 변화시키고 있습니다. 노이즈 캔슬링 기술은 반대 위상의 파동을 발생시켜 소음을 상쇄하며, 초음파 기술은 의료 진단과 산업 현장에서 정밀한 측정을 가능하게 합니다. 또한 가상 현실에서의 입체 음향 기술은 사용자에게 실제 현장에 있는 듯한 몰입감을 제공합니다. 소리에 대한 과학적 이해가 깊어질수록 우리는 더욱 풍요롭고 편리한 음향 환경을 구축하며 새로운 가능성을 열어갈 것입니다. 이러한 기술적 진보는 인간의 청각 경험을 한 단계 더 확장시키고 있습니다.

국립과천과학관공모전&대회🎉

물리학
뇌인지과학
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[강연] 뇌 커넥톰, 마음을 볼 수 있을까? (3) _ by이준호 | 2017 가을 카오스 강연 '미래과학' 3강 | 3강 ③

마음의 실체에 대한 논의는 인류 역사상 가장 오래된 질문 중 하나입니다. 최근 과학 기술의 비약적인 발전으로 인해 마음을 뇌의 물리적 작용으로 환원하려는 시도가 활발해지고 있습니다. 특히 신경과학자들은 뇌의 신경 회로를 분석함으로써 불안, 스트레스, 공포와 같은 기본적인 감정은 물론, 갈증이나 배고픔 같은 본능적 동기가 어디에서 비롯되는지 밝혀내고 있습니다. 이는 마음이 곧 뇌라는 현대 신경과학의 핵심적인 입장과 맞닿아 있으며, 인간의 정신 활동을 생물학적 기반 위에서 이해하려는 노력의 일환입니다. 환원주의적 관점에서는 예쁜꼬마선충과 같은 단순한 생명체의 신경계를 연구함으로써 복잡한 인간의 마음을 이해할 수 있는 단초를 찾고자 합니다. 신경세포 하나하나의 활동이 모여 전체적인 시스템의 특성을 만들어내는 '창발적 특성'은 뇌과학의 중요한 연구 대상입니다. 물 분자가 모여 물의 성질을 띠듯, 신경세포들이 연결되어 의식과 마음을 형성한다는 논리입니다. 이러한 접근은 뇌의 특정 부위를 자극하여 우울증이나 중독 증상을 완화하는 등 실질적인 치료 가능성을 제시하며 과학적 설득력을 얻고 있습니다. 하지만 심리학적 관점에서는 이러한 물리적 환원주의에 대해 신중한 입장을 보입니다. 동물의 신경 회로를 조작하여 나타나는 행동 변화가 곧 인간의 복잡한 마음과 동일하다고 단정 짓기에는 무리가 있다는 지적입니다. 예를 들어, 쥐의 공격성이나 성적 행동을 유도하는 실험 결과가 인간의 사회적 관계나 고차원적인 심리 현상을 온전히 설명해주지는 못합니다. 마음은 신체 및 뇌와 연결되어 있지만, 그 자체로 독자적인 작동 원리를 지닌 영역일 수 있으며, 뇌의 병변만으로 설명되지 않는 심리적 고통이 존재하기 때문입니다. '커넥톰(Connectome)'은 뇌 속 신경세포들의 복잡한 연결망을 뜻하며, 최근에는 '나는 나의 커넥톰이다'라는 주장이 제기될 만큼 중요하게 다뤄집니다. 이는 유선 및 무선 통신을 포함한 고도의 신경 활동이 곧 자아를 형성한다는 믿음에 기반합니다. 기술의 발전 속도가 예상보다 빨라지면서 뇌의 지도를 완벽히 그려낼 수 있다면 인간의 본질을 이해할 수 있을 것이라는 기대감이 커지고 있습니다. 그러나 이러한 하드웨어적 분석이 인간의 주관적 경험과 영혼의 영역까지 모두 포괄할 수 있을지에 대해서는 여전히 뜨거운 논쟁이 이어지고 있습니다. 30년 후인 2047년의 뇌과학은 지금과는 비교할 수 없을 정도로 진보할 것으로 예측됩니다. 낙관적인 전망에 따르면, 비파괴적인 방식으로 뇌의 신경 발화 활성을 정밀하게 읽어내고 특정 신경세포를 선택적으로 자극하여 뇌 기능을 향상시키는 기술이 보편화될 수 있습니다. 이는 치매나 알츠하이머와 같은 난치성 질환 정복에 기여할 뿐만 아니라, 인간의 인지 능력을 획기적으로 확장하는 계기가 될 것입니다. 과학자들은 이러한 기술적 진보가 인류의 삶을 더욱 풍요롭게 만들 것이라고 확신하며 연구에 매진하고 있습니다. 반면, 기술의 진보가 반드시 인간 마음에 대한 깊은 이해로 이어지지는 않을 것이라는 회의적인 시각도 존재합니다. 지난 수십 년간 뇌과학 분야에서 수많은 발견이 있었음에도 불구하고, 실제 임상 현장에서 치매나 정신 질환을 완벽히 이해하고 치료하는 데에는 여전히 한계가 명확하기 때문입니다. 인간의 행동과 심리는 단순히 신경 자극의 결과물이라기보다 사회적 관계와 환경 속에서 형성되는 복잡한 산물입니다. 따라서 기술적 성취에만 매몰되기보다는 인간 본연의 가치와 마음의 고유한 특성을 놓치지 않는 균형 잡힌 시각이 필요합니다. 결국 뇌와 마음에 대한 탐구는 서로 다른 학문적 배경을 가진 전문가들이 소통하고 협력하는 '통섭'의 과정을 필요로 합니다. 생물학적 데이터와 심리학적 통찰이 만날 때 비로소 인간이라는 거대한 신비에 다가갈 수 있습니다. 과학을 발전시키는 원동력은 단순한 기술의 진보를 넘어, 인간이 얼마나 자유롭게 상상하고 그 상상을 공유하며 구체화할 수 있느냐에 달려 있습니다. 미래의 뇌과학은 뇌의 구조를 밝히는 것을 넘어, 인간이 누구인지에 대한 근본적인 답을 찾아가는 여정이 되어야 할 것입니다.

김성연, 이준호, 황상민

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생명과학
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[강연] 기억 찾기 (2) _ 강봉균 교수 | 2016 봄 카오스 강연 '뇌 - Brain' 3강 | 3강 ②

기억은 유지되는 시간에 따라 작동 기억, 단기 기억, 장기 기억으로 나뉩니다. 작동 기억은 전화번호를 잠시 외우는 것처럼 몇 초간만 유지되며, 단기 기억은 수 분에서 수 시간 동안 지속됩니다. 반면 장기 기억은 생존과 직결된 중요한 정보나 강렬한 감정적 사건처럼 특별한 경우에만 형성되어 하루 이상 유지됩니다. 우리 뇌는 여전히 원시적인 특성을 지니고 있어, 단순한 학습 내용보다는 먹이나 번식, 위험 상황과 관련된 정보를 우선적으로 장기 기억으로 저장하려는 경향이 있습니다. 새로운 정보가 감각기관을 통해 들어오면 주의 집중을 거쳐 단기 기억이 됩니다. 하지만 단기 기억은 쉽게 잊히기 때문에, 이를 오래 보관하기 위해서는 기억이 단단하게 굳어지는 '공고화' 과정이 필수적입니다. 공고화된 기억은 장기 기억으로 저장되었다가 특정 단서가 주어질 때 다시 떠오르게 됩니다. 흥미로운 점은 기억을 회상한 후에도 '재공고화'라는 뒷정리 과정이 필요하다는 것입니다. 꺼내 쓴 물건을 제자리에 두지 않으면 잃어버리듯, 재공고화가 제대로 이뤄지지 않으면 기억은 사라질 수 있습니다. 단기 기억이 장기 기억으로 전환되는 과정에서 해마와 신피질은 부단히 소통합니다. 초기 기억은 해마에 잠시 머물지만, 영구적인 저장을 위해서는 신피질로 이동해야 하기 때문입니다. 이러한 '크로스토크' 현상은 주로 우리가 잠을 자는 동안 활발하게 일어납니다. 마치 은행이 영업을 마친 후 셔터를 내리고 내부에서 그날의 장부를 정리하며 돈을 금고에 보관하듯이, 우리 뇌도 수면 중에 낮 동안 습득한 수많은 정보를 체계적으로 정리하고 장기 기억의 형태로 안전하게 저장하는 작업을 수행합니다. 기억의 저장 원리를 분자 수준에서 들여다보면 '장기 강화(LTP)'라는 현상을 발견할 수 있습니다. 시냅스에 강하고 중요한 정보가 전달되면 글루탐산 수용체와 칼슘 이온의 작용으로 인해 신경전달 효율이 비약적으로 높아집니다. 이 과정에서 시냅스의 구조가 두툼해지고 단백질 합성이 일어나며 회로가 강화됩니다. 이는 운동을 통해 근육을 단련하는 것과 유사합니다. 특정 뇌 부위를 자주 사용하고 정보를 반복해서 처리할수록 해당 시냅스는 더욱 발달하며, 결과적으로 더 빠르고 정확한 정보 전달이 가능해집니다. 인간의 뇌에는 수조 개의 시냅스가 존재하며, 이들의 연결 패턴은 사람마다 조금씩 다릅니다. 유전적 차이뿐만 아니라 개인이 겪은 경험과 학습에 따라 시냅스의 강도와 분포가 달라지기 때문입니다. 이러한 시냅스 패턴의 차이는 각자의 정보 처리 방식과 성격, 행동 양식을 결정짓는 핵심 요소가 됩니다. 조셉 르두 박사가 "당신은 당신의 시냅스다"라고 말했듯이, 시냅스의 변화는 단순한 정보 저장을 넘어 한 개인의 자아와 정체성을 형성하는 근간이 된다고 볼 수 있습니다. 아무리 좋은 기억이라도 적절한 단서가 없으면 회상하기 어렵습니다. 마르셀 프루스트의 소설에서 마들렌의 향기가 유년 시절의 기억을 생생하게 불러일으켰듯, 후각이나 시각 자극은 강력한 회상 단서가 됩니다. 하지만 기억은 인출될 때마다 재구성되는 특성이 있어 왜곡되기도 쉽습니다. 뇌의 여러 부위에 분산 저장된 정보를 다시 조립하는 과정에서 요소가 빠지거나 엉뚱한 정보가 끼어들 수 있기 때문입니다. 이는 기억의 불완전함을 보여주기도 하지만, 한편으로는 뇌가 정보를 처리하는 유연한 방식임을 시사합니다. 기억 연구는 치매나 외상 후 스트레스 증후군(PTSD) 같은 난치성 질환 치료에 중요한 실마리를 제공합니다. 나쁜 기억의 재공고화를 차단하여 고통을 줄이거나, 손상된 시냅스 가소성을 회복시켜 인지 기능을 개선하려는 시도가 계속되고 있습니다. 결국 기억은 과거와 미래를 잇는 다리이며, 우리가 누구인지 알려주는 자아의 본질입니다. 기억이 있기에 우리는 어제의 나와 오늘의 내가 같은 존재임을 자각하며 일관된 삶을 살아갈 수 있습니다. 우리가 우리인 이유는 바로 우리가 배우고 기억하기 때문입니다.

강봉균

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뇌인지과학

[강연] 인간의 지성, 인공지능과 무엇이 다른가? (2) by정재승 | 2016 가을 카오스 콘서트 '뇌 vs AI' 1부 | 1부 ②

우리가 타인의 고통스러운 표정이나 상황을 보며 움찔하는 이유는 뇌의 고등한 공감 능력 때문입니다. 공감은 단순히 감정을 공유하는 것을 넘어, 상대방의 입장에서 상황을 유추하고 예측하는 복잡한 인지 과정입니다. 하지만 이 과정은 뇌의 에너지를 많이 소모하기 때문에, 사회적 지위가 높거나 굳이 공감할 필요가 없는 상황에서는 이 기능이 억제되기도 합니다. 리더들에게서 나타나는 공감 결핍 증후군은 이러한 뇌의 효율성 추구와 사회적 역할 사이의 역설을 잘 보여주는 사례라고 할 수 있습니다. 신경과학의 발전은 우리가 무엇을 보고 상상하는지 시각적으로 재현하는 단계에 이르렀습니다. fMRI를 통해 뇌 활동 데이터를 분석하면 피험자가 보고 있는 영상을 실시간으로 재현할 수 있으며, 이는 향후 꿈이나 상상 속의 이미지까지 동영상으로 기록할 수 있는 가능성을 시사합니다. 기술이 정교해짐에 따라 우리는 단순히 기억에 의존하는 것이 아니라, 뇌에 저장된 시각적 정보를 디지털 아카이브로 변환하여 공유하는 시대를 맞이하게 될 것입니다. 이는 인간의 창의성과 기록의 방식을 근본적으로 변화시킬 혁신적인 변화입니다. 뇌는 우리가 사용하는 수만 개의 단어를 무작위로 저장하지 않고, 효율적인 소통을 위해 비슷한 카테고리끼리 묶어서 관리합니다. 특정 단어를 들을 때 활성화되는 뇌 부위를 단어 지도로 그려보면, 인간이 세상을 어떻게 분류하고 이해하는지 명확히 알 수 있습니다. 이러한 언어적 연상은 사회적 소속감과도 직결됩니다. 사회적 집단 내에서 비슷한 단어와 연상을 공유함으로써 우리는 서로 연결되어 있다는 느낌을 받으며, 이는 연인이나 친구 사이에서 말투가 닮아가는 현상을 통해서도 확인할 수 있는 뇌의 사회적 생존 전략입니다. 창의성은 역설적이게도 뇌가 가장 편안하게 쉬고 있는 '멍 때리는' 순간에 발현되기 쉽습니다. 상측두회 전방(ASTG)이라 불리는 특정 영역은 평소 연결되지 않았던 멀리 떨어진 뇌 부위들을 잇는 가교 역할을 하며 새로운 아이디어를 만들어냅니다. 뇌는 생존을 위해 효율적이고 보편적인 사고를 지향하지만, 동시에 전혀 상관없는 개념들을 억지로 연결해 새로운 가치를 창출하는 모순된 구조를 가지고 있습니다. 따라서 휴식과 공상은 단순히 시간을 허비하는 것이 아니라, 뇌가 창의적인 도약을 준비하는 필수적인 과정이라고 이해해야 합니다. 인공지능이 인간의 지능을 빠르게 추격하고 있지만, 자아 인식이나 복잡한 감정, 의식의 영역은 여전히 인간만의 고유한 영역으로 남아 있습니다. 지난 수십 년간 우리 사회는 정량적 평가와 선행학습을 통해 인공지능을 흉내 내는 인간을 양성해 왔으나, 이제는 그 역할을 기계에 넘겨주어야 할 때입니다. 미래 사회에서 인간의 경쟁력은 숫자와 논리가 아닌, 타인과 공감하고 가치를 통찰하며 인간성을 회복하는 데서 나옵니다. 뇌 과학에 대한 이해는 결국 '나는 누구인가'라는 질문에 답하며 더 인간답게 살기 위한 이정표가 될 것입니다.

정재승

카오스재단카오스콘서트

뇌인지과학

[강연] 뇌공학의 미래와 사이보그의 탄생 by임창환 | 2016 가을 카오스 콘서트 '뇌 vs AI' 3부 | 3부 ②

영화 <트랜센던스>는 인간의 의식을 컴퓨터에 업로드하여 영생을 누리는 흥미로운 상상을 보여줍니다. 이러한 기술이 현실에서 가능해지려면 고도화된 인공지능과 이를 뒷받침할 슈퍼컴퓨터, 그리고 인간의 뇌에서 생각을 정밀하게 읽어내는 기술이 필수적입니다. 영화 속 주인공은 수많은 단어를 읽으며 발생하는 음성과 뇌파를 데이터화하여 인공지능을 학습시키는데, 이는 마치 알파고가 기보를 학습하듯 뇌의 시냅스 연결 강도를 디지털로 재현하는 과정과 유사합니다. 현대 과학은 이처럼 뇌의 복잡한 신경망 구조를 모방한 심층 신경망 기술을 통해 인간의 사고 과정을 데이터로 변환하는 연구를 지속하고 있습니다. 인간의 뇌는 약 1,000억 개의 뉴런을 단 20와트의 저전력으로 구동하는 지구상에서 가장 효율적인 하드웨어입니다. 반면 기존의 폰 노이만 구조 컴퓨터는 연산 장치와 메모리가 분리되어 있어 정보를 주고받는 과정에서 막대한 에너지 손실과 시간 지연이 발생합니다. 이를 극복하기 위해 뇌의 시냅스 구조를 모방하여 정보 처리와 저장이 동시에 일어나는 '뉴로모픽 칩' 연구가 활발히 진행 중입니다. 미국의 'SyNAPSE' 프로젝트와 같은 신경 모방 시스템은 인간 뇌의 효율성을 하드웨어적으로 구현하려는 시도로, 장차 자비스와 같은 고성능 인공지능 비서가 탄생할 수 있는 기술적 토대가 될 것입니다. 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술은 뇌에서 발생하는 신경 신호를 해석하여 외부 기기를 제어하거나 의사를 전달하는 일종의 '뇌 번역기' 역할을 수행합니다. 이미 2000년대 초반부터 사지마비 환자의 운동 피질에 전극을 삽입하여 마우스 커서를 움직이거나 다관절 로봇 팔을 자유자재로 조종하는 실험이 성공을 거두었습니다. 이는 특정 동작을 상상할 때 나타나는 고유한 뇌파 패턴을 지문 인식처럼 데이터베이스화하여 실시간으로 대조하는 원리를 이용합니다. 이 기술은 운동 의도뿐만 아니라 주관적인 선택이나 감정 상태까지 읽어낼 수 있어, 의사소통이 어려운 환자들에게 새로운 삶의 기회를 제공할 것입니다. 우리의 뇌는 눈앞의 시각 정보가 시각 피질의 신경세포와 일대일로 대응하는 '시각 위상'이라는 독특한 특징을 가지고 있습니다. 이를 활용하면 사람이 현재 보고 있는 장면이나 심지어 꿈꾸는 내용까지 영상으로 재구성하는 것이 이론적으로 가능해집니다. 최근에는 뇌의 복잡한 굴곡을 따라 밀착되는 유연한 전극 기술이 개발되어 뇌 정보를 메모리 카드에 저장하거나 반대로 외부 정보를 뇌에 주입하는 연구도 탄력을 받고 있습니다. 실제로 쥐의 해마에 칩을 장착해 손실된 장기 기억을 복원하는 실험이 성공하면서, 인간의 인지 능력을 증폭시키고 난치성 뇌 질환을 치료하는 데 획기적인 전기가 마련되었습니다. 뇌공학과 인공지능의 결합은 미래의 교육 현장과 사회 구조를 근본적으로 변화시킬 잠재력을 지니고 있습니다. 학생의 집중도와 이해도, 감정 상태를 실시간으로 파악하는 인공지능 교사는 개별 학습자에게 최적화된 인터랙티브 교육을 제공할 수 있습니다. 하지만 기술의 비약적인 발전과 함께 뇌 정보 해킹, 기술 독점에 따른 사회적 불평등, 그리고 디지털화된 자아의 정체성 문제와 같은 윤리적 고민도 깊어지고 있습니다. 트랜스휴머니즘이라는 새로운 시대적 흐름 속에서 우리는 기술적 성취를 넘어 인간의 존엄성을 지키기 위한 사회적 합의와 윤리적 가이드라인을 정립하는 데 지혜를 모아야 합니다.

임창환

카오스재단카오스콘서트

뇌인지과학
융합

[강연] 진화, 뇌를 여는 열쇠 (3) _ 전중환 교수 | 2016 봄 카오스 강연 '뇌 - Brain' 9강 | 9강 ③

여성의 얼굴에서 큰 눈과 갸름한 턱선, 도톰한 눈두덩은 성호르몬인 에스트로겐의 영향으로 형성됩니다. 흥미로운 점은 에스트로겐이 면역력을 저하시키는 일종의 '비싼 비용'을 치르게 하는 호르몬이라는 사실입니다. 따라서 매우 여성적인 얼굴을 가졌다는 것은 그러한 신체적 부담을 감당할 만큼 유전적 자질이 우수하다는 정직한 신호로 작용합니다. 남성들이 본능적으로 여성적인 얼굴에 강한 매력을 느끼는 배경에는 이러한 생물학적 단서가 자리 잡고 있습니다. 남성의 경우 사춘기에 분비되는 테스토스테론이 각진 턱과 돌출된 눈썹뼈 등 강인한 인상을 만듭니다. 이러한 신체적 특징은 남성 간의 직접적인 경쟁에서 승리하기 위한 방어와 공격에 유리한 구조를 제공합니다. 테스토스테론 역시 조건이 같다면 면역력을 떨어뜨리는 특성이 있어, 마초적인 얼굴은 그 남자가 우수한 유전적 자질을 갖추었음을 보여주는 정직한 신호가 됩니다. 그러나 여성들의 선호도는 단순히 외형적 강인함에만 머물지 않고 생존 환경에 따라 더욱 복잡한 선택의 과정을 거치게 됩니다. 여성은 자녀를 함께 양육할 안정적인 파트너와 우수한 유전자를 제공할 강인한 남성 사이에서 전략적인 선택을 해야 합니다. 테스토스테론 수치가 높은 남성은 유전적 경쟁력은 높지만, 가족에 대한 헌신도는 낮을 가능성이 크다는 연구 결과가 존재하기 때문입니다. 이로 인해 여성들은 상황에 따라 다정하고 부드러운 인상의 남성을 선호하며 생존과 번식의 균형을 맞추는 정교한 타협안을 마련하게 되었습니다. 이러한 선택은 자녀의 생존 확률을 높이기 위한 진화적 적응의 일환입니다. 여성의 남성 선호도는 배란 주기에 따라 극적으로 변화합니다. 임신 가능성이 높은 가임기에는 우수한 유전자를 얻기 위해 본능적으로 테스토스테론의 영향이 강한 마초적인 얼굴과 근육질 체형에 더 큰 매력을 느낍니다. 반면, 임신 가능성이 낮은 비가임기에는 자녀 양육에 적합한 안정적이고 부드러운 인상의 남성을 더 선호하는 경향을 보입니다. 이는 환경에 적응하며 최선의 번식 전략을 선택해 온 진화의 결과이며, 무의식적인 수준에서 정교하게 작동하는 생물학적 기제라고 볼 수 있습니다. 인지신경과학 연구에 따르면 가임기 여성이 마초적인 얼굴을 볼 때 보상과 위험 감수를 담당하는 전대상피질이 더욱 활성화됩니다. 이는 여성이 위험을 감수하면서도 우수한 유전자를 선택하려는 뇌의 반응을 보여줍니다. 결국 인간의 행동을 온전히 이해하기 위해서는 '어떻게' 작동하는지에 대한 근접 설명과 '왜' 그렇게 진화했는지에 대한 궁극 설명을 통합해야 합니다. 인지신경과학과 진화심리학의 상호 보완적인 연구는 인간 본성을 이해하는 강력한 틀을 제공하며, 우리 삶의 다양한 현상을 명쾌하게 설명해 줍니다.

전중환

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생명과학
뇌인지과학

[강연] 진화, 뇌를 여는 열쇠 (2) _ 전중환 교수 | 2016 봄 카오스 강연 '뇌 - Brain' 9강 | 9강 ②

우리가 초콜릿 케이크를 먹는 이유를 물었을 때, "달콤해서"라는 대답은 시스템이 어떻게 작동하는지를 설명하는 '근접 원인'에 해당합니다. 이는 뇌의 특정 부위가 활성화되거나 호르몬이 분비되는 등 개체의 일생 내에서 일어나는 현상을 다룹니다. 반면, 왜 하필 당분이 풍부한 음식을 달콤하게 느끼도록 설계되었는지를 묻는 것은 '궁극 원인'의 영역입니다. 진화적 관점에서 당분은 생존에 필수적인 에너지원이었기에, 이를 선호하는 개체가 자연선택을 통해 살아남아 우리에게 그 형질을 물려준 것입니다. 현대 신경과학은 fMRI와 같은 기술을 통해 뇌의 활동을 정밀하게 관찰하지만, 때로는 통합적인 이론 틀 없이 현상만을 나열하는 탐색적 연구에 머물기도 합니다. 특정 활동을 할 때 뇌의 어느 부위가 활성화되는지를 확인하는 것은 중요하지만, 왜 하필 그 부위가 그런 방식으로 반응하는지에 대한 근본적인 설명이 부족할 수 있습니다. 진화심리학은 이러한 신경과학적 발견들을 하나의 일관된 체계로 묶어주는 프레임워크를 제공합니다. 즉, 뇌가 왜 그렇게 설계되었는지에 대한 과학적 근거를 제시함으로써 연구의 깊이를 더해줍니다. 진화적 시각은 흩어져 있는 여러 연구 결과를 하나로 통합할 뿐만 아니라, 아직 발견되지 않은 새로운 사실을 예측하는 길잡이 역할을 합니다. 예를 들어, 보상 중추가 초콜릿을 먹을 때뿐만 아니라 사회적 규칙을 어긴 사기꾼이 처벌받는 모습을 볼 때도 활성화되는 이유는 무엇일까요? 이는 집단생활을 하던 우리 조상들에게 무임승차자를 응징하는 것이 공동체의 생존에 유리했기 때문이라는 진화적 해석이 가능합니다. 이처럼 진화론적 가설은 뇌과학이 단순한 관찰을 넘어 인간 심리의 적응적 결과물을 탐구하는 학문으로 발전하도록 돕습니다. 진화적 예측이 실제 연구로 이어진 대표적인 사례는 질투의 성차입니다. 남성은 자신의 유전적 친자 여부를 확신할 수 없는 '부성 불확실성' 때문에 배우자의 성적 부정에 더 민감하게 반응하도록 진화했습니다. 반면 여성은 자녀 양육에 필요한 자원이 다른 곳으로 유출되는 것을 막기 위해 배우자의 정서적 부정, 즉 마음이 떠나는 신호를 더 무겁게 받아들입니다. 이러한 차이는 단순히 문화적 학습의 결과가 아니라, 수천 세대에 걸쳐 생존과 번식이라는 현실적인 문제를 해결하는 과정에서 형성된 심리적 적응 기제라고 볼 수 있습니다. 이러한 진화적 가설은 뇌영상 촬영을 통해 과학적으로 증명되었습니다. 배우자의 부정을 상상하게 했을 때, 남성은 성관계와 공격성에 관여하는 편도체와 시상하부가 여성보다 더 크게 활성화되었습니다. 반면 여성은 타인의 의도와 마음을 읽는 데 관여하는 뒤쪽 위측두고랑 부위가 더 활성화되는 양상을 보였습니다. 이는 뇌과학 연구가 단순히 '어떤 변화가 일어나는가'를 보는 수준을 넘어, 진화적 이론 틀을 바탕으로 세워진 선험적 예측을 검증함으로써 인간 본성에 대한 이해를 한 단계 더 끌어올릴 수 있음을 보여줍니다.

전중환

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생명과학
뇌인지과학

[강연] 시냅스 생쥐 그리고 정신질환 (5) 패널토의 | 2016 봄 카오스 강연 '뇌 - Brain' 8강 | 8강 ⑤

자폐 스펙트럼 장애의 원인을 둘러싼 수많은 오해 중 하나는 영유아기에 접종하는 백신이 자폐를 유발한다는 주장입니다. 하지만 현대 과학의 엄밀한 검증 결과, 백신의 성분과 자폐 발생 사이에는 어떠한 명확한 연관성도 발견되지 않았다는 것이 학계의 정설입니다. 미국 질병통제예방센터(CDC)를 비롯한 전 세계 주요 보건 기구들은 이러한 주장에 근거가 없음을 공식적으로 발표하며 대중의 불안을 해소하기 위해 노력해 왔습니다. 오히려 잘못된 정보로 인해 적절한 백신 접종 시기를 놓치는 것이 아이들의 건강에 훨씬 더 심각하고 실질적인 위험을 초래할 수 있습니다. 따라서 근거 없는 소문에 휘둘리기보다 과학적 사실에 기반한 정확한 정보를 수용하는 태도가 무엇보다 중요합니다. 어린 시절의 경험은 뇌 구조 형성에 결정적인 영향을 미칩니다. 신경 가소성이 매우 뛰어난 시기에 겪는 학대나 극심한 스트레스는 신경세포 간의 정상적인 연결을 방해할 수 있습니다. 이러한 트라우마는 신경 회로를 취약한 상태로 만들어, 이후의 자극에 대한 저항력을 떨어뜨리는 요인이 됩니다. 비록 학대가 반드시 자폐로 이어진다고 단정할 수는 없지만, 뇌 발달 과정에서 환경적 요인이 얼마나 중요한지를 잘 보여줍니다. 건강한 발달을 위해서는 안정적인 환경에서 뇌가 올바른 패턴으로 신경 회로를 형성할 수 있도록 돕는 것이 필수적입니다. 이는 초기 환경이 뇌의 물리적 구조를 결정짓는 중요한 변수임을 시사합니다. 환경과 유전자는 끊임없이 소통하며 서로에게 영향을 미칩니다. 이를 설명하는 대표적인 분야가 후성유전학입니다. 예를 들어, 어미의 돌봄을 충분히 받지 못한 새끼 쥐는 스트레스 호르몬 수용체의 발현을 조절하는 유전자에 변화가 생겨 스트레스 대응 능력이 현저히 떨어지게 됩니다. 이는 외부 환경이 유전자의 발현 방식을 바꾸고, 그 결과가 다시 환경에 대한 반응성을 결정하는 순환 구조를 보여줍니다. 즉, 우리가 물려받은 유전 정보는 고정된 것이 아니라 환경과의 상호작용을 통해 그 기능이 조절될 수 있는 유연한 시스템인 셈입니다. 이러한 메커니즘은 자폐를 포함한 다양한 뇌 질환의 발생 기전을 이해하는 핵심 열쇠가 됩니다. 인간 게놈 프로젝트가 완료되었을 때 인류는 질병 정복에 대한 큰 기대를 품었습니다. 하지만 기대만큼의 성과가 즉각적으로 나타나지 않은 이유는 우리가 아직 유전자의 기능적 지도를 완성하지 못했기 때문입니다. 현재의 기술 수준은 서울 시내의 도로망을 파악한 정도에 불과하며, 특정 시간에 교통량이 어떻게 변하는지 예측하는 수준에는 도달하지 못했습니다. 유전체 정보를 분석하는 것은 필수적인 첫 단계이지만, 그 복잡한 상호작용을 완벽히 이해하기까지는 더 많은 데이터와 시간이 필요합니다. 이는 과학이 직면한 거대한 도전 과제 중 하나이며, 물리적 지도를 넘어 기능적 지도를 완성해 나가는 과정이 앞으로의 핵심 과제가 될 것입니다. 신경 회로가 정상적으로 기능하기 위해서는 신경 가소성이 적절하게 작동해야 합니다. 필요한 신경 회로는 강화되고 불필요한 신경 회로는 약화되는 과정을 통해 효율적인 신경망이 구축됩니다. 그러나 영유아기에 스마트폰이나 영상 매체와 같은 과도한 외부 자극에 노출되면 뇌가 지나치게 흥분된 상태로 신경 회로가 고착될 위험이 있습니다. 이러한 비정상적인 발달은 자폐나 ADHD와 같은 증상을 심화시키는 환경적 요인이 될 수 있습니다. 뇌가 가장 유연한 시기에 주어지는 자극의 질이 아이의 평생 뇌 건강을 좌우할 수 있다는 점을 기억해야 합니다. 따라서 적절한 자극과 휴식의 균형을 맞추는 것이 건강한 뇌 발달을 위해 반드시 필요합니다. 전 세계적으로 자폐 유병률이 증가하는 추세에 대해서는 다각적인 분석이 필요합니다. 진단 기술의 정교화로 과거에는 발견하지 못했던 사례들이 포착되는 측면도 있고, 환경 오염이나 생활 습관의 변화가 영향을 미쳤을 가능성도 배제할 수 없습니다. 한국의 경우 한때 유병률이 매우 높게 보고되어 주목받았으나, 이는 정밀한 조사 방법의 차이에서 기인한 것으로 밝혀졌습니다. 중요한 것은 유병률의 수치 자체보다, 증가하는 환자들을 위해 사회가 어떤 준비를 해야 하는지 고민하는 것입니다. 성별에 따른 발생 차이 등 여전히 풀리지 않은 숙제들이 연구의 동력이 되고 있으며, 이는 더 나은 진단과 지원 체계를 구축하는 밑거름이 됩니다. 미래의 정신 질환 치료는 개인별 맞춤형 접근으로 나아갈 것입니다. 약물 치료의 부작용을 최소화하기 위해 신경 회로의 작동 원리를 규명하고, 식이요법이나 행동 치료 등 다양한 방법을 병행하는 종합적인 치료 모델이 필요합니다. 무엇보다 정신 질환을 생물학적 원인에 의한 현상으로 이해하려는 노력이 중요합니다. 질환의 원인을 유전적, 환경적 맥락에서 파악하게 되면 환자에 대한 막연한 두려움이나 편견을 거두고 공감의 토대를 마련할 수 있습니다. 과학적 이해는 결국 우리 사회가 환자들을 더 따뜻하게 포용하는 길로 인도할 것이며, 이는 질병의 치료를 넘어 사회적 치유로 나아가는 중요한 발걸음이 될 것입니다.

고재원, 김은준, 한기훈

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뇌인지과학

[강연] 시냅스 생쥐 그리고 정신질환 (4) 패널토의 | 2016 봄 카오스 강연 '뇌 - Brain' 8강 | 8강 ④

뇌는 수많은 신경세포가 복잡하게 얽혀 정보를 주고받는 경이로운 기관입니다. 그 중심에는 신경세포 사이의 연결 고리인 시냅스가 존재하며, 이곳에서 일어나는 미세한 변화가 우리의 인지와 행동, 그리고 정신 건강을 결정짓는 핵심적인 역할을 합니다. 최근 뇌과학 연구는 자폐증이나 조현병과 같은 정신 질환의 원인을 시냅스 수준에서 규명하려는 노력을 지속하고 있습니다. 특히 시냅스를 구성하는 단백질의 변이나 신경 전달 과정의 이상이 다양한 뇌 질환과 밀접한 관련이 있다는 사실이 밝혀지면서, 이를 이해하기 위한 다각도의 학문적 접근이 활발하게 이루어지고 있습니다. 인간의 복잡한 뇌 질환을 연구하기 위해 과학자들은 생쥐와 같은 모델 동물을 주요하게 활용합니다. 생쥐는 인간과 유전자의 종류와 수가 매우 비슷할 뿐만 아니라, 시냅스 수준에서의 신경 전달 메커니즘이 놀라울 정도로 유사하기 때문입니다. 물론 생쥐의 뇌는 인간에 비해 구조가 단순하고 주름이 없다는 차이점이 존재하지만, 특정 유전자를 조작하여 질환의 인과관계를 증명하는 데 있어 필수적인 역할을 수행합니다. 이러한 연구를 통해 발견된 신경 회로의 변화는 향후 새로운 치료제 개발을 위한 중요한 과학적 근거가 되며, 복잡한 인간의 뇌를 이해하는 소중한 징검다리가 됩니다. 동물 실험이 고도화됨에 따라 연구 윤리의 중요성도 함께 강조되고 있습니다. 현재는 실험 동물의 고통을 최소화하고 적절한 개체 수를 사용하도록 하는 엄격한 내부 규제와 심사 과정을 거쳐 연구가 진행됩니다. 한편, 생쥐 모델의 한계를 극복하기 위해 영장류를 이용한 연구도 전략적으로 추진되고 있습니다. 영장류는 사회성과 인지 능력이 인간과 더 유사하여 정신 질환의 기전을 더욱 정확하게 파악할 수 있는 장점이 있습니다. 하지만 영장류 실험은 더 높은 수준의 윤리적 책임과 사회적 합의를 요구하므로, 연구자들은 생명의 가치를 존중하며 신중한 태도로 연구에 임하고 있습니다. 정신 질환의 원인은 단순히 유전적 요인에만 국한되지 않습니다. 유전적 소인이 있더라도 환경적 요인이 복합적으로 작용하여 질환의 발병 여부를 결정짓기 때문입니다. 임신 중 산모의 감염이나 특정 약물 노출과 같은 환경적 변수는 태아의 뇌 발달에 결정적인 영향을 미칠 수 있으며, 최근에는 장내 세균과 뇌의 상호작용인 '장-뇌 축'에 대한 연구도 주목받고 있습니다. 이는 유전적 요인을 완전히 통제할 수 없더라도, 환경적 요인을 조절함으로써 질환을 예방하거나 증상을 완화할 수 있는 새로운 가능성을 제시한다는 점에서 현대 뇌과학 연구의 중요한 한 축을 담당하고 있습니다. 뇌 질환 치료를 위해 단백질의 기능을 직접 교정하는 것은 매우 어렵지만, 단백질이 최적의 활성을 유지할 수 있는 환경을 조성하는 방법이 대안으로 제시됩니다. 예를 들어 아연과 같은 미네랄이나 비타민은 시냅스 단백질의 결합을 도와 신경 회로의 안정성을 높이는 데 기여합니다. 더 나아가 광유전학 기술을 이용해 특정 신경 회로의 활성을 정교하게 조절하려는 시도도 이어지고 있습니다. 전 세계의 수많은 과학자가 협력하여 시냅스와 회로 수준의 비밀을 하나씩 풀어나간다면, 부작용을 최소화하면서도 효과적인 뇌 질환 치료의 길을 열 수 있을 것으로 기대됩니다.

고재원, 김은준, 한기훈

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뇌인지과학

[강연] 시냅스 생쥐 그리고 정신질환 (2) _ 김은준 교수 | 2016 봄 카오스 강연 '뇌 - Brain' 8강 | 8강 ②

세계적인 과학 잡지 '사이언스'는 창간 125주년을 맞아 인류가 반드시 해결해야 할 핵심 과제들을 선정했습니다. 그중 신경과학 분야에서 주목하는 첫 번째 질문은 의식의 생물학적 기전입니다. 우리가 아침에 깨어나 스스로의 존재와 사회적 위치를 인지하는 과정이 뇌 속의 어떤 시냅스와 신경회로를 통해 이루어지는지는 여전히 거대한 수수께끼입니다. 또한 조현병이나 자폐와 같은 정신질환이 발생하는 구체적인 원인을 밝혀내는 것 역시 현대 과학이 반드시 풀어야 할 중요한 미스터리로 남아 있습니다. 정신질환의 원인을 규명하는 과정에서 유전적 요인은 매우 중요한 비중을 차지합니다. 과거에는 정신질환과 유전의 상관관계에 대해 확신하지 못했으나, 최근 10년 사이 비약적인 과학적 진보를 통해 유전자가 깊이 관여한다는 사실이 밝혀졌습니다. 부모로부터 물려받은 유전자뿐만 아니라, 태아가 발달하는 과정에서 자연적으로 발생하는 돌연변이 또한 주요한 원인이 됩니다. 여기에 임신 중 감염이나 영양 부족과 같은 환경적 요인이 복합적으로 작용하여 질환의 발생 여부를 결정하게 됩니다. 최근 유전체 분석 기술의 발전은 정신질환 연구에 혁신적인 변화를 가져왔습니다. 과거에는 막대한 비용이 들었던 전장 유전체 분석이 이제는 비교적 저렴한 비용으로 가능해졌으며, 이를 통해 2만 5천여 개의 유전자를 정밀하게 분석할 수 있게 되었습니다. 특히 부모와 자녀의 유전자를 함께 분석하는 '트리오 연구'는 질환의 원인이 유전적인지 혹은 발생 과정에서의 돌연변이인지를 명확히 구분해 줍니다. 이러한 진단은 임상적 치료뿐만 아니라 가족의 미래 계획을 세우는 데에도 결정적인 정보를 제공합니다. 자폐증과 관련된 유전자를 추적한 결과, 현재까지 약 800여 개의 관련 유전자가 발견되었습니다. 이들은 주로 뇌 발달을 조절하거나 시냅스의 기능을 담당하는 역할을 합니다. 특히 시냅스는 단순한 신경 전달 통로를 넘어, 그 내부에 1,000종 이상의 단백질이 복잡하게 얽혀 있는 거대한 우주와 같습니다. 이 미세한 단위에서 일어나는 오묘한 조합과 조화는 신경 전달의 강도를 세밀하게 조절하며, 여기에 이상이 생기면 신경 회로 전체의 기능 장애로 이어져 정신질환이 발생하게 됩니다. 유전자 이상과 정신질환 증상 사이의 인과 관계를 증명하기 위해 과학자들은 생쥐를 이용한 동물 실험을 진행합니다. 특정 유전자를 인위적으로 결손시킨 생쥐가 사회성 장애와 같은 증상을 보이는지 관찰함으로써 해당 유전자의 역할을 확인하는 것입니다. 예를 들어 '섕크2(Shank2)'라는 시냅스 단백질이 없는 생쥐는 새로운 동료에게 관심을 보이지 않는 등 뚜렷한 사회성 장애를 나타냅니다. 이러한 연구는 수많은 유전자가 뇌 기능에 미치는 영향을 하나씩 검증해 나가는 과정이며, 정신질환의 근본적인 치료법을 찾기 위한 필수적인 여정입니다.

김은준

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뇌인지과학

[강연] 시냅스 생쥐 그리고 정신질환 (1) _ 김은준 교수 | 2016 봄 카오스 강연 '뇌 - Brain' 8강 | 8강 ①

우리 뇌 속에는 약 천억 개의 신경세포가 존재하며, 이들은 시냅스라는 접합부를 통해 서로 끊임없이 소통합니다. 시냅스는 신경세포의 축삭 말단에서 분비된 신경전달물질이 다음 세포의 수용체에 결합하며 신호를 전달하는 물리적 장소입니다. 하나의 신경세포에는 수천 개의 시냅스가 마치 크리스마스트리의 전구처럼 촘촘하게 매달려 있습니다. 이러한 방대한 네트워크는 뇌가 정보를 처리하고 명령을 내리는 가장 기초적인 단위가 되며, 우리 몸의 모든 활동을 조율하는 핵심적인 역할을 수행합니다. 시냅스는 크게 신호를 촉진하는 흥분성 시냅스와 이를 억제하는 억제성 시냅스로 나뉩니다. 건강한 뇌 기능을 유지하기 위해서는 이 두 시냅스 사이의 정교한 균형이 무엇보다 중요합니다. 만약 이 균형이 깨져 흥분이 과도해지면 뇌전증과 같은 질환이 발생할 수 있고, 반대로 억제가 지나치면 수면 장애나 우울감이 나타날 수 있습니다. 100조 개에 달하는 시냅스들이 실시간으로 만들어내는 이 역동적인 균형이 곧 우리의 정신적 건강을 결정짓는 핵심 요소라고 할 수 있습니다. 뇌 질환은 크게 신경과 질환과 정신과 질환으로 구분할 수 있습니다. 파킨슨병이나 알츠하이머와 같은 신경과 질환은 주로 신경세포 자체가 사멸하면서 발생하는 반면, 조현병이나 우울증 같은 정신과 질환은 세포의 죽음보다는 시냅스와 신경 회로의 미묘한 기능 변화에서 기인합니다. 즉, 뇌의 하드웨어적인 손상보다는 소프트웨어적인 신호 전달 체계의 이상이 정신 질환의 주요 원인이 되는 것입니다. 이러한 차이를 이해하는 것이 현대 뇌 과학 연구와 치료의 중요한 출발점이 됩니다. 최근 뇌 과학에서는 인지 과정의 중요성이 점차 강조되고 있습니다. 인지는 자기 자신과 주변 환경을 인식하는 능력으로, 이 과정에 문제가 생기면 다양한 정신 질환으로 이어집니다. 예를 들어 자신에 대한 인지가 왜곡되면 망상이나 조현병이 나타날 수 있고, 타인에 대한 인지 부족은 자폐 스펙트럼 장애의 원인이 되기도 합니다. 또한 주의 집중의 대상에 대한 인지 오류는 ADHD를 유발합니다. 결국 우리가 세상을 어떻게 받아들이느냐 하는 인지의 틀이 정신 건강을 지탱하는 중요한 척도가 되는 셈입니다. 신경 정신 질환은 환자 개인의 고통을 넘어 막대한 사회적, 경제적 비용을 발생시킵니다. 전 세계적으로 관련 시장 규모는 수백 조 원에 달하며, 특히 조현병과 우울증은 매우 큰 비중을 차지하고 있습니다. 아직 자폐 스펙트럼 장애와 같이 명확한 치료제가 개발되지 않은 분야도 많지만, 시냅스와 인지 과정에 대한 연구가 깊어짐에 따라 새로운 치료 가능성이 열리고 있습니다. 뇌의 복잡한 메커니즘을 밝혀내고 질병의 원인을 규명하는 일은 인류의 삶의 질을 높이는 가장 도전적이고도 가치 있는 과제 중 하나입니다.

김은준

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뇌인지과학

[강연] 착각하는 뇌(라야 한다) (1) _ 정수영 KIST 뇌과학연구소 선임 연구원 | 2016 봄 카오스 강연 '뇌 - Brain' 7강 | 7강 ①

우리가 세상을 보는 과정은 단순히 외부 세계를 있는 그대로 받아들이는 것이 아니라 뇌가 만들어내는 정교한 착각의 결과입니다. 뇌는 감각 기관을 통해 들어오는 방대한 정보를 무분별하게 수용하기보다, 생존에 유리한 방식으로 데이터를 재구성하고 판단합니다. 에셔의 그림이나 헤르만 격자 같은 착시 현상은 뇌가 정보를 처리하는 과정에서 발생하는 자연스러운 산물입니다. 이러한 현상은 뇌가 잘못 작동해서 생기는 오류가 아니라, 오히려 세상을 더 효율적으로 이해하려는 능동적인 노력의 증거라고 할 수 있습니다. 우리는 착각을 통해 비로소 세상을 제대로 인지하게 됩니다. 지각 시스템은 주변 환경과 과거의 경험, 그리고 개인의 기대에 따라 유연하게 변화합니다. 예를 들어, 영아기에는 모든 언어의 소리를 구별할 수 있지만, 성장하며 자신이 속한 문화권의 언어에 최적화되도록 청각 시스템이 튜닝됩니다. 또한 우리는 태양이나 조명이 항상 위에 있다는 과거의 반복된 경험을 바탕으로 사물의 입체감을 무의식적으로 판단합니다. 이처럼 지각은 객관적인 사실을 탐지하는 것을 넘어, 우리가 처한 상황에 가장 적합한 결론을 내리는 주관적이고 창조적인 과정입니다. 이는 뇌가 외부 자극을 수동적으로 수용하지 않고 능동적으로 재구성함을 의미합니다. 뇌는 생존에 직결되는 정보를 처리하기 위해 한정된 자원을 전략적으로 배분합니다. 인간의 언어 주파수 대역이나 손과 입술의 촉감을 담당하는 뇌 영역이 신체 면적에 비해 훨씬 넓게 할당되어 있는 것이 대표적인 사례입니다. 시각에서도 마찬가지로, 전체 시야에서 아주 작은 부분을 차지하는 중심 시야가 제1차 시각 피질의 절반 이상을 점유합니다. 이는 중요한 부위일수록 더 많은 뇌세포를 투입하여 정밀하게 분석하려는 진화적 선택의 결과이며, 지각이 단순한 데이터 수집을 넘어선 고도의 인지 활동임을 보여줍니다. 이러한 자원 집중은 우리가 복잡한 환경 속에서도 핵심적인 정보를 놓치지 않게 합니다. 시각 정보의 출발점인 눈의 구조를 살펴보면 자연의 신비로운 설계를 엿볼 수 있습니다. 가장 높은 시력을 보장하는 중심와는 빛이 광수용기에 직접 도달할 수 있도록 앞을 가로막는 세포들이 옆으로 비켜나 있는 구덩이 형태를 띠고 있습니다. 또한 중심와 주변에는 혈관조차 배치되지 않아 빛의 경로를 방해하지 않도록 최적화되어 있습니다. 반면 시신경이 뇌로 나가는 통로인 시신경 원판에는 광수용기가 없어 정보를 감지할 수 없는 맹점이 존재하는데, 이는 시각 시스템의 독특한 구조적 특징입니다. 이러한 정교한 구조 덕분에 우리는 아주 미세한 디테일까지 포착할 수 있는 능력을 갖추게 되었습니다. 망막에는 낮에 색과 디테일을 감지하는 추상체와 밤에 미세한 빛을 감지하는 간상체가 조화롭게 분포되어 있습니다. 추상체는 중심와에 밀집되어 높은 해상도를 제공하며 우리가 세상을 선명하게 볼 수 있게 돕습니다. 반면 간상체는 주변부에 주로 분포하며 빛에 대한 민감도가 매우 높아 어두운 곳에서 사물을 인식하는 데 결정적인 역할을 합니다. 이 두 세포는 각각 주간시와 야간시를 담당하며, 정보의 수렴 정도에 따라 민감도와 분해능 사이의 균형을 맞추어 우리가 다양한 환경에서 시각을 유지할 수 있게 합니다. 이는 뇌가 환경의 변화에 대응하여 최적의 시각 정보를 추출해내는 놀라운 메커니즘입니다.

정수영

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뇌인지과학

[강연] 영화로 만나는 뇌과학 (4) _ 패널토의 | 2016 봄 카오스 강연 '뇌 - Brain' 6강 | 6강 ④

영화는 허구의 이야기이지만, 제작자들은 이를 현실감 있게 전달하기 위해 과학적 사실을 적극적으로 활용합니다. 최근에는 물리학자가 제작에 참여하거나 과학 잡지에 글을 기고하는 등 과학과 영화의 교류가 활발해지고 있습니다. 특히 뇌과학은 인간의 의식과 기억을 다룬다는 점에서 영화적 상상력을 자극하는 훌륭한 소재가 됩니다. 감독들은 뇌의 복잡한 메커니즘을 스크린에 옮겨 관객들에게 경이로운 경험을 선사하며, 때로는 과학적 사실을 변주하여 극적인 긴장감을 극대화하기도 합니다. 페드로 알모도바르 감독의 영화 '그녀에게'는 식물인간 상태의 여성을 사랑하는 두 남자의 이야기를 통해 의식의 경계를 탐구합니다. 의학적으로 식물인간은 뇌간의 기본 기능만 남은 상태로 회복이 매우 어렵지만, 영화는 주인공이 깨어나는 설정을 통해 비극성을 심화시킵니다. 이는 과학적 사실과는 거리가 멀 수 있으나, 희망과 절망 사이에서 고뇌하는 인간의 감정을 표현하기 위한 필수적인 장치로 작용합니다. 영화는 식물인간을 단순히 멈춰있는 존재가 아니라, 고유한 삶의 방식을 가진 인격체로 묘사하며 관객에게 깊은 울림을 줍니다. 전문적인 시각에서 볼 때 영화 속 의학적 고증 오류는 몰입을 방해하는 요소가 되기도 합니다. 예를 들어 극심한 통증을 동반하는 지주막하 출혈 환자가 비명을 지르는 묘사는 실제 임상 현장과는 차이가 있습니다. 하지만 많은 과학자는 영화가 가진 환상성을 인정하며, 완벽한 고증보다는 이야기의 흐름과 감동을 중시합니다. 뇌과학적 기둥이 단단하게 세워진 영화는 관객에게 지적 즐거움을 주지만, 때로는 의도적인 허구가 인간의 내면을 더 진실하게 비추기도 합니다. 과학과 예술의 적절한 조화는 영화를 더욱 풍성하게 만드는 핵심입니다. 크리스토퍼 놀란 감독의 '메멘토'는 단기 기억상실증을 소재로 인간 인지의 한계를 실험적으로 보여줍니다. 해마 손상으로 10분밖에 기억하지 못하는 주인공의 상황을 표현하기 위해 영화는 흑백과 컬러 영상을 교차 편집하며 시간을 재구성합니다. 관객은 주인공처럼 파편화된 정보를 조합하며 극도의 불안과 혼란을 직접 체험하게 됩니다. 이는 단순한 정보 전달을 넘어 영화적 형식을 통해 질환의 본질을 이해하게 만드는 고도의 연출 기법입니다. 기억의 부재 속에서 정체성을 찾으려는 투쟁은 뇌과학과 영화가 만나는 지점을 상징적으로 보여줍니다. 인간의 기억은 녹화된 영상처럼 온전하지 않으며, 감정과 상황에 따라 끊임없이 재구성됩니다. 심리학적 실험에 따르면 가짜 기억이 실제 경험처럼 뇌에 자리 잡기도 하는데, 이는 우리가 믿는 기억이 얼마나 취약한지를 시사합니다. 영화는 이러한 기억의 불완전성을 파고들어 인간 존재의 근원을 묻습니다. 뇌과학 영화들은 우리가 세상을 어떻게 인식하고 기억하는지를 성찰하게 하며, 치매나 기억 장애와 같은 사회적 이슈에 대해서도 관심을 갖게 합니다. 결국 뇌를 탐구하는 영화는 곧 인간 자신을 이해하려는 노력의 일환이라 할 수 있습니다.

김종성, 장영엽

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뇌인지과학
융합

[강연] 자아의 탄생 : 나를 의식하는 나 (5) _ 패널토의 | 2016 봄 카오스 강연 '뇌 - Brain' 5강 | 5강 ⑤

자아 형성에 있어 유전과 환경의 역할은 오랜 논쟁의 대상입니다. 성격이나 기질은 개인이 타고난 특성으로, 가족성을 띠는 등 유전적인 영향을 강하게 받는다는 점은 부인할 수 없는 사실입니다. 비록 특정 유전자가 어떤 기질을 결정하는지에 대한 구체적인 연구는 진행 중이지만, 우리가 가진 본성은 자아의 기초를 형성하는 중요한 축이 됩니다. 외부 자극에 의한 학습 환경도 중요하지만, 그 자극을 받아들이는 틀 자체가 유전적으로 결정된 기질에 뿌리를 두고 있기 때문입니다. 인공지능(AI) 기술의 발전으로 기계의 인식 능력은 이미 인간을 넘어섰습니다. 페이스북의 딥페이스(DeepFace)와 같은 소프트웨어는 사람보다 더 정확하게 얼굴을 식별하고 이름을 매칭합니다. 하지만 거울 속의 자신을 인지하는 능력이 곧 인간과 같은 자아를 가졌음을 의미하는지는 또 다른 문제입니다. 기계적으로 명사로서의 '나'를 학습하여 인식하는 것과, 주관적인 존재로서의 '나'를 느끼는 것은 본질적으로 다르기 때문입니다. 현재의 기술은 높은 인식률을 자랑하지만, 철학적 의미의 자아를 구현하기에는 여전히 한계가 있습니다. 무의식은 인간 창조성의 원천으로 여겨지기도 합니다. 프로이트와 융의 이론에 따르면, 의식이라는 검열관을 통과하거나 꿈을 통해 흘러나오는 무의식의 파편들이 예술적 영감과 창의성을 결정짓는 중요한 요소가 됩니다. 이러한 내면의 흐름은 평소 우리가 인지하지 못하는 깊은 곳에 자리 잡고 있다가, 정신 분석이나 예술적 활동을 통해 그 모습을 드러내며 인간의 정신적 영역을 확장하는 동력이 됩니다. 이는 인류가 문명을 발전시키고 새로운 가치를 창출하는 데 있어 핵심적인 역할을 수행합니다. 뇌과학 분야에서 리베트 실험은 자유 의지에 대한 근본적인 질문을 던졌습니다. 실험 결과, 우리가 무언가를 하겠다고 의식적으로 결심하기 전에 이미 뇌파에서 활동이 감지되었다는 사실은 큰 충격을 주었습니다. 이는 인간의 의지가 행동의 주도권자가 아닐 수도 있다는 가능성을 시사합니다. 물론 뇌 영상 기술의 시간적, 공간적 해상도 한계로 인해 특정 부위의 활성화가 모든 정신 활동을 완벽히 설명할 수는 없지만, 의식과 뇌 활동 사이의 상관관계를 이해하는 데 중요한 단서를 제공합니다. 인공지능(AI) 연구에서 자유 의지는 가정의 대상이 아닌 인과관계의 결과물로 다루어집니다. AI의 모든 결정은 학습된 데이터와 알고리즘에 기반한 인과적 선택이며, 이는 지도 학습이나 강화 학습과 같은 메커니즘을 통해 정교해집니다. 특히 보상뿐만 아니라 공포와 같은 요소도 하나의 부정적 크레딧으로 작용하여 기계의 행동을 제어하는 학습 방식이 됩니다. 결국 인간의 의식적 과정이 생략된 채 입력과 출력 사이의 명확한 인과관계로 동작하는 AI는, 자아의 본질을 공학적 관점에서 재정의하게 만듭니다.

강웅구, 김기현, 정두석

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뇌인지과학

[강연] 자아의 탄생 : 나를 의식하는 나 (4) _ 패널토의 | 2016 봄 카오스 강연 '뇌 - Brain' 5강 | 5강 ④

의식과 자아는 인류가 마주한 가장 심오한 질문 중 하나로, 철학적 관점에서 의식은 우리가 되돌아보는 마음에 의해 파지될 수 있는 상태를 의미합니다. 반면 자아는 이러한 개별적인 의식과 무의식 상태를 하나의 개체 속에서 통합하는 실체로 정의됩니다. 즉, 자아는 단순히 순간적인 심리 상태의 나열이 아니라, 여러 현상에 통일성을 부여하는 주체로서의 역할을 수행합니다. 이러한 통합적 관점은 우리가 스스로를 하나의 독립된 존재로 인식하게 만드는 근간이 되며, 마음의 복잡성을 이해하는 첫걸음이 됩니다. 자아의 존재 여부에 대한 논쟁은 근대 철학의 역사와 깊은 관련이 있습니다. 대륙 철학은 개별적인 심리 현상에 앞서 자아라는 전제가 존재한다고 보았으나, 영국의 경험주의자들은 구체적인 경험의 집합이 곧 마음을 구성한다고 주장했습니다. 현대적 관점에서는 이를 선천적인 기질과 후천적인 경험이 누적되어 형성되는 특정 성향으로 이해하기도 합니다. 결국 자아는 고정된 실체라기보다, 한 개체 내에서 지속성을 유지하며 형성되는 독자적인 정체성으로 볼 수 있으며, 이는 인간의 개별성을 설명하는 핵심적인 개념입니다. 공학적 관점에서 자아는 외부 현상에 반응하여 나타나는 특질로 해석될 수 있습니다. 인공지능 연구자들은 선험적인 전제보다는 학습과 경험을 통한 조직화 과정을 중시합니다. 특히 실시간으로 오감을 통해 학습하는 '온라인 러닝' 시스템이 구축된다면, 인공지능 역시 자신만의 독특한 반응 체계를 가질 수 있다는 가능성이 제기됩니다. 이는 자아를 신비로운 영역이 아닌, 복잡한 정보 처리 과정에서 발생하는 현상학적 결과물로 바라보는 시각을 제공하며, 기계가 인간의 학습 방식을 모방하는 과정에서 나타나는 자연스러운 산물입니다. 하지만 인공지능이 진정한 의미의 자아를 가질 수 있는지에 대해서는 여전히 신중한 접근이 필요합니다. 시스템이 스스로를 교정하고 타 개체와 구분되는 정체성을 갖는 것은 가능할지 모르나, 기존 알고리즘을 넘어선 자유의지를 발휘하는 행위 주체로서의 자아는 또 다른 차원의 문제입니다. 현재의 기술 수준에서 인공지능은 설계된 목적 내에서 최적의 해답을 찾을 뿐, 인간처럼 자유의지에 기반해 새로운 행동을 촉발하는 단계에는 이르지 못했습니다. 이는 인공지능이 도달해야 할 궁극적인 과제이자 철학적 한계로 남아 있습니다. 생명체의 뇌와 인공지능의 결정적인 차이는 '지향성'과 '생존'이라는 목적에 있습니다. 인간의 의식은 진화 과정에서 살아남기 위해 발달했으며, 정답이 정해지지 않은 환경에서 생존에 유리한 선택을 하도록 설계되었습니다. 반면 인공지능은 외부에서 주어진 목적을 수행하는 데 집중합니다. 인간은 인지적 작업뿐만 아니라 감정적인 반응을 통해 즉각적인 생존 전략을 구사하지만, 인공지능의 지향성은 여전히 인간이 설정한 프레임워크 안에 머물러 있습니다. 이러한 생물학적 동기는 인공지능이 흉내 내기 어려운 인간만의 고유한 영역입니다. 의식 연구의 실무적인 영역에서는 '주의 메커니즘'이 중요한 화두로 떠오르고 있습니다. 수많은 정보 중 특정 대상에 집중하는 능력은 의식의 발현과 밀접한 관련이 있기 때문입니다. 인공지능이 문맥에 맞게 정보를 선별하고 처리하는 과정은 뇌 과학에서 말하는 의식의 작용과 맞닿아 있습니다. 이러한 공학적 접근은 의식이라는 추상적인 개념을 구체적인 데이터 처리 모델로 변환하여 이해하려는 시도로, 향후 뇌 과학과 인공지능 연구의 접점을 넓혀줄 것으로 기대됩니다. 이는 복잡한 뇌의 기능을 기계적으로 구현하는 중요한 열쇠가 될 것입니다. 현대 과학은 의식의 신경 상관물을 찾거나 알고리즘적 접근을 통해 이 미스터리를 풀고자 노력하고 있습니다. 그러나 현재의 기계론적이고 계산적인 패러다임만으로는 의식의 본질을 완벽히 설명하기에 한계가 있다는 지적도 나옵니다. 과학이 진화함에 따라 새로운 패러다임이 등장한다면, 지금은 막막해 보이는 자아와 의식의 비밀도 언젠가는 명확히 규명될 수 있을 것입니다. 비관론에 빠지기보다는 과학의 가능성을 열어두고 다학제적인 논의를 지속하는 것이 중요하며, 이는 인간 존재에 대한 이해를 한 단계 높이는 계기가 될 것입니다.

강웅구, 김기현, 정두석

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뇌인지과학

[강연] 뇌를 읽다, 그리고 마음을 읽다 (4) 패널토의 | 2016 봄 카오스 강연 '뇌 - Brain' 4강 | 4강 ④

현대 뇌과학은 우리가 인지하지 못하는 무의식의 영역을 뇌 영상 기술을 통해 들여다보는 단계에 이르렀습니다. 뇌 활동의 상당 부분은 무의식적인 심리 과정을 반영하며, fMRI와 같은 기술은 이러한 흐름을 포착하는 데 매우 자연스러운 도구가 됩니다. 하지만 뇌 영상이 보여주는 활성화 부위가 반드시 해당 심리 작용의 근원이라고 단정하기는 어렵습니다. 마치 목이 말라 물을 마실 때 이두박근이 움직인다고 해서 이두박근을 갈증의 중추라고 볼 수 없는 것과 같습니다. 따라서 뇌과학은 단순한 물리적 반응을 넘어 그 이면에 숨겨진 복잡한 알고리즘과 연결성을 해석하는 방향으로 나아가고 있습니다. 도덕적 판단 역시 순수한 이성의 영역이라기보다 뇌의 감정 처리 과정과 밀접하게 연관되어 있습니다. 유명한 '트롤리 딜레마' 실험에 따르면, 타인을 직접 희생시켜야 하는 상황에서 우리 뇌의 복내측 전전두피질이 강하게 활성화됩니다. 이 부위는 감정 처리를 담당하는데, 이곳이 손상된 환자들은 일반인과는 다른 공감 능력을 보이기도 합니다. 이는 우리가 내리는 고귀한 도덕적 결정조차 무의식적인 감정적 기제에 기반하고 있음을 시사합니다. 결국 인간의 도덕성은 뇌라는 물리적 토대 위에서 감정과 이성이 상호작용한 결과물이라고 볼 수 있습니다. 최근 뇌과학의 비약적인 발전은 인간의 꿈이나 상상까지 시각화하는 수준에 도전하고 있습니다. 특정 이미지를 볼 때 나타나는 시각 피질의 활동 패턴을 분석하여, 이를 다시 컴퓨터 스크린에 재구성하는 기술이 등장한 것입니다. 심지어 렘수면 상태에서 꾸는 꿈의 이미지를 복원하려는 시도도 성공적인 결과를 보여주었습니다. 이는 머지않은 미래에 우리가 상상하는 바를 모니터로 직접 확인할 수 있는 시대가 올 것임을 예고합니다. 꿈을 단순한 환상이 아닌 해석 가능한 데이터로 바라보는 이러한 시각은 인간의 내면세계를 이해하는 새로운 지평을 열어주고 있습니다. 사랑이라는 고귀한 감정 또한 뇌의 신경전달물질과 특정 부위의 작용에서 자유롭지 못합니다. 임상 사례에 따르면 측두엽 부위가 손상된 환자는 감정 조절에 변화를 겪으며 본능적인 애정 표현이 과도해지기도 합니다. 이는 사랑이 추상적인 관념을 넘어 뇌의 물리적 상태에 기반하고 있음을 보여주는 증거입니다. 물론 정신의 고귀함을 믿는 이들에게는 이러한 물질적 해석이 다소 불편하게 느껴질 수 있습니다. 그러나 인간은 신경세포라는 물질적 기반과 마음이라는 형이상학적 개념이 정교하게 연결된 존재임을 인정할 때, 비로소 인간 본성에 대한 더 깊은 이해에 도달할 수 있습니다. 뇌 영상 연구가 사랑을 쾌감 중추의 활성화로 설명하곤 하지만, 이는 수많은 피험자의 데이터를 평균화한 결과라는 점을 기억해야 합니다. 개별적인 인간이 사랑하는 대상을 바라볼 때 느끼는 독특한 기억과 경험, 그리고 그로 인해 발생하는 고유한 뇌 반응은 평균화 과정에서 생략되기 마련입니다. 즉, 과학이 보편적인 사랑의 메커니즘을 밝혀낼 수는 있어도, 각자가 간직한 사랑의 개별성과 특별함까지 모두 설명하기에는 한계가 있습니다. 이러한 개별적인 층위야말로 사랑을 정의하는 가장 중요한 요소일 수 있으며, 이는 여전히 과학이 탐구해야 할 미지의 영역으로 남아 있습니다. 창조성과 정신 질환 사이의 미묘한 경계 또한 뇌과학의 흥미로운 연구 주제입니다. 조현병과 같은 질환을 앓는 이들 중 일부는 서로 상관없는 개념들을 독특하게 연결하여 뛰어난 창의성을 발휘하기도 합니다. 이는 뇌의 신경 회로가 일반적인 범주보다 느슨하게 형성되어 있어 엉뚱하고 새로운 발상을 가능하게 하기 때문입니다. 이러한 '좋은 이상함'이 현실감과 판단력을 유지하며 발현될 때 우리는 그것을 천재성이나 창조성이라 부릅니다. 결국 정상과 비정상의 경계는 고정된 것이 아니라, 뇌의 독특한 신경 회로가 사회적으로 어떻게 기능하느냐에 따라 달라질 수 있는 것입니다. 인간의 뇌는 고정된 구조에 갇혀 있지 않으며 환경과 경험에 따라 끊임없이 변화하는 뇌 가소성을 지니고 있습니다. 긍정적인 말 한마디가 도파민 분비를 촉진하고, 특정 훈련이 관련 뇌 부위의 부피를 키우기도 합니다. 특히 명상은 뇌의 신경 회로를 구체적으로 변화시키는 강력한 도구로 주목받고 있습니다. 연구에 따르면 꾸준한 명상은 스트레스 반응을 조절하는 전두엽과 편도체 사이의 연결성을 변화시켜 정서적 안정을 돕습니다. 이처럼 우리는 뇌의 물리적 한계를 수동적으로 받아들이는 존재가 아니라, 명상과 학습 등 능동적인 노력을 통해 자신의 뇌를 더 나은 방향으로 재설계할 수 있는 존재입니다.

권준수, 김학진, 신용욱

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뇌인지과학

[강연] 인간의 뇌는 과연 특별한가? (1) _ 김경진 교수 | 2016 봄 카오스 강연 '뇌 - Brain' 2강 | 2강 ①

인간의 뇌가 과연 특별한가라는 질문은 인류가 오랫동안 품어온 근원적인 의문입니다. 진화론적 관점에서 인간은 약 600만 년 전 침팬지와 공통 조상에서 갈라져 나왔지만, 그 과정에서 인간의 뇌는 독특한 발달 경로를 걸어왔습니다. 발생 생물학, 유전학, 진화학 등 다양한 학문적 증거들은 우리가 어떻게 지금의 인간이 되었는지를 설명해 줍니다. 뇌과학은 단순히 신체 기관을 연구하는 것을 넘어, 뇌가 뇌를 탐구함으로써 마음의 미래를 이해하고 인간다움의 본질을 규명하려는 거대한 시도라고 할 수 있습니다. 생명체를 관통하는 보편적인 원리는 DNA에서 단백질로 이어지는 유전 정보의 흐름에 있습니다. 뇌 역시 이러한 생물학적 토대 위에 존재하며, 특히 '시냅스 가소성'이라는 거대한 법칙을 통해 작동합니다. 신경 세포들이 동시에 활성화될 때 그 신경망이 강화된다는 '헵의 법칙'은 학습과 기억의 핵심 기전입니다. 뇌는 고정된 장치가 아니라 외부 자극과 경험에 따라 끊임없이 구조와 기능을 변화시키는 역동적인 시스템이며, 이러한 유연성이야말로 생명체가 환경에 적응하고 정보를 처리하는 근본적인 방식입니다. 성인의 뇌는 무게가 약 1.4kg 정도로 체중의 2.5%에 불과하지만, 전체 에너지의 20%를 사용하는 매우 활발한 조직입니다. 약 천억 개의 신경 세포와 백조 개에 달하는 시냅스가 복잡한 그물망을 형성하고 있으며, 좌뇌와 우뇌가 서로 다른 기능을 담당하는 비대칭성을 띠기도 합니다. 신경 세포의 기본 구조인 수상돌기와 축삭은 다른 신경 세포들과 끊임없이 소통하며 정보를 교환합니다. 이러한 천문학적인 연결성과 복잡성 때문에 현대 과학은 뇌를 우리 몸 안의 '소우주'라고 부르며 그 신비를 밝히기 위해 노력하고 있습니다. 현대 신경과학은 분자 수준부터 행동과 인지, 그리고 인공지능과 맞닿아 있는 모델링까지 매우 넓은 연구 스펙트럼을 가지고 있습니다. 인간의 뇌를 직접 실험하기 어렵기에 예쁜꼬마선충, 초파리, 생쥐와 같은 모델 생물을 활용하여 뇌의 작동 원리를 규명합니다. 특히 1mm 크기의 예쁜꼬마선충은 모든 신경망의 지도인 '커넥톰'이 완벽하게 해독된 유일한 생명체로, 뇌 연구의 중요한 이정표가 됩니다. 이러한 연구들은 뇌가 신체의 사령탑으로서 어떻게 모든 생명 현상을 제어하고 복잡한 행동을 만들어내는지 구체적으로 보여줍니다. 흔히 뇌를 완벽하게 설계된 슈퍼컴퓨터에 비유하곤 하지만, 생물학적 관점에서 뇌는 진화의 과정에서 나타난 일종의 클루지(Kluge) 결과물에 가깝습니다. 신경 세포의 신호 전달 속도는 컴퓨터의 연산 속도에 비해 현저히 느리며, 과거의 구조 위에 새로운 기능이 덧대어진 진화의 흔적을 고스란히 간직하고 있습니다. 뇌는 최적의 효율을 가진 정밀한 기계라기보다 생존을 위해 환경에 적응하며 유연하게 변화해 온 유기체입니다. 이러한 불완전함과 우연성이야말로 인간의 뇌가 가진 진정한 생물학적 특성이며, 우리가 기계와 차별화되는 지점이기도 합니다.

김경진

카오스재단카오스강연

뇌인지과학

[강연] 우리는 빛을 어떻게 인지할까? - 빛의 인식 (3) _최철희 교수 | 2015 가을 카오스 강연 '빛 색즉시공' 3강 | 3강 ③

우리가 사물을 보는 과정은 빛이라는 물리적 에너지를 화학적 신호로 변환하는 정교한 메커니즘에서 시작됩니다. 안구의 앞부분이 렌즈 역할을 하여 초점을 맞추면, 빛은 망막에 도달해 비타민 A 유도체인 레티날과 옵신을 자극합니다. 이 과정에서 발생하는 전기화학적 신호는 시신경을 통해 대뇌로 전달되어 비로소 우리가 색과 형태를 인지하게 됩니다. 망막에는 명암을 구분하는 간상세포와 색을 감지하는 원추세포가 있어, 빛의 정보를 안테나처럼 수집하여 뇌가 처리할 수 있는 데이터로 바꾸어 줍니다. 인간은 빨강, 초록, 파랑의 세 가지 원추세포를 통해 수많은 색상을 조합해 인지합니다. 하지만 대부분의 포유류는 두 가지 색소만을 가져 적색과 녹색을 잘 구별하지 못합니다. 이는 진화의 역사와 깊은 관련이 있는데, 공룡이 지배하던 시절 포유류의 조상들이 야행성 생활을 하며 색 구별 능력을 포기했기 때문입니다. 이후 영장류로 진화하며 붉은 과일을 찾기 위해 다시 녹색과 적색을 구별하는 능력을 발달시킨 것으로 보입니다. 이러한 진화적 선택은 우리가 세상을 다채롭게 바라보는 기초가 되었습니다. 자연계에는 인간보다 훨씬 복잡하거나 독특한 시각 체계를 가진 생명체들이 존재합니다. 곤충은 자외선 영역을 볼 수 있어 꽃의 위치를 파악하며, 새들은 네 종류의 색소를 가져 인간보다 더 화려한 세상을 경험합니다. 특히 갯가재의 일종인 맨티스 쉬림프는 무려 12종류의 색소를 보유하고 있어 빛의 편광까지 감지할 수 있습니다. 이는 투명한 먹잇감을 사냥하기 위해 최적화된 결과입니다. 이처럼 시각은 각 생명체가 처한 환경과 생존 전략에 맞춰 각기 다른 방식으로 정교하게 진화해 왔음을 알 수 있습니다. 시각 인지 능력은 유전적 요인에 의해서도 차이를 보입니다. 적색을 감지하는 옵신 유전자는 X 염색체에 위치하기 때문에, 남성이 여성보다 적록색맹이 나타날 확률이 훨씬 높습니다. 흥미로운 점은 위대한 화가 고흐 역시 색맹이었을 가능성이 제기된다는 것입니다. 그의 작품을 색맹의 시각으로 변환해 보면 일반인이 보는 것과 유사한 색감을 띠기도 합니다. 이는 시각적 한계가 예술적 창의성을 가로막지 않으며, 우리가 보는 세상이 절대적인 것이 아니라 각자의 감각 기관이 해석한 결과물임을 시사합니다. 눈의 탄생은 생명체의 진화 속도를 비약적으로 앞당겼습니다. 포식자를 피하기 위해 이동 속도가 빨라졌고, 몸을 보호하기 위한 골격이 발달하기 시작했습니다. 또한 시각은 번식을 위한 유혹의 수단으로도 활용되어 공작새처럼 화려한 색채를 뽐내게 만들었습니다. 이때 나타나는 화려한 색은 단순히 색소에 의한 '흡수색'뿐만 아니라, 나노 구조를 통해 빛을 반사하는 '구조색'인 경우도 많습니다. 결국 시각은 생존과 번식이라는 생명의 근본적인 목적을 달성하기 위해 끊임없이 변화하며 세상을 풍요롭게 만들어 왔습니다.

최철희

카오스재단카오스강연

물리학
생명과학

[강연] 뇌 : 신비한 세계로의 초대 (3) _ 신희섭 | 2016 봄 카오스 강연 '뇌 - Brain' 1강 | 1강 ③

공감은 인간만의 전유물이 아닙니다. 실험을 통해 쥐 또한 타자의 고통에 공감하는 모습을 보여주며, 이는 뇌에서 발생하는 복잡한 상호작용의 결과임을 알 수 있습니다. 뇌과학적 관점에서 공감은 단순한 심리적 현상을 넘어 생존과 사회적 관계 형성을 위한 필수적인 기제입니다. 이러한 발견은 인간의 고유한 특성이라 여겼던 고등 정신 작용들이 사실은 생물학적 진화의 산물임을 시사하며, 뇌의 신비를 푸는 중요한 열쇠가 됩니다. 타자의 감정을 읽고 반응하는 능력은 생명체가 공동체를 유지하며 살아가는 데 있어 핵심적인 역할을 수행합니다. 감정은 흔히 하나로 묶여 불리지만, 뇌과학적으로는 '에모션'과 '필링'으로 구분하여 이해할 수 있습니다. 에모션은 외부 자극에 대해 신체가 즉각적으로 보여주는 생리적 반응이며, 필링은 이러한 신체적 변화를 의식적으로 인지하는 느낌을 의미합니다. 에모션은 이성적인 판단이 내려지기 전 훨씬 빠르게 작동하여 생존을 돕습니다. 우리가 위험한 상황에서 논리적으로 계산하기 전에 몸이 먼저 반응하는 것은 바로 이러한 감정의 원초적 기능 덕분입니다. 이러한 구분은 우리가 자신의 내면 반응을 보다 객관적으로 이해하는 데 도움을 줍니다. 인공지능 알파고는 방대한 데이터를 계산하여 최적의 수를 찾지만, 인간은 감정을 통해 훨씬 효율적인 결정을 내립니다. 모든 가능성을 계산하는 대신 감정적 동기부여를 통해 가장 의미 있는 선택지에 집중하기 때문입니다. 감정은 때로 이성적인 판단을 방해하기도 하지만, 리스크를 감수하고 잠재된 능력을 끌어올리는 원동력이 되기도 합니다. 이처럼 감정과 이성은 뇌 안에서 강력하게 연결되어 상호 보완적인 역할을 수행하며 인간의 행동을 결정합니다. 감정이 배제된 지능은 효율적일 수 있으나, 생명체 특유의 유연한 대처 능력에는 한계가 있습니다. 뇌과학의 핵심 화두 중 하나인 '커넥톰'은 뇌 속 천억 개의 뉴런이 맺고 있는 거대한 연결망 지도를 뜻합니다. 이는 마치 우주의 수많은 별처럼 복잡하게 얽혀 있으며, 인간의 행동과 정체성을 결정짓는 근간이 됩니다. 우리가 누구인지 정의하는 것은 단순한 세포의 집합이 아니라 그들이 어떻게 연결되어 소통하느냐에 달려 있습니다. 커넥톰 지도를 완성하는 것은 인간의 마음과 질병을 이해하는 지름길이 될 것입니다. 이 거대한 지도는 우리가 세상을 인지하고 반응하는 모든 과정이 정교한 회로의 결과물임을 증명하며, 뇌 연구의 새로운 지평을 열어주고 있습니다. 뇌의 기능은 유전자라는 하드웨어와 회로라는 소프트웨어의 조화로 이루어집니다. 특정 유전자가 결손되면 공포를 느끼지 못하거나 학습 능력이 떨어지는 등 하드웨어적인 결함이 발생할 수 있습니다. 하지만 유전자가 모든 것을 결정하는 것은 아닙니다. 뇌 회로는 매우 유연하며, 환경적 요인에 따라 그 연결성이 강화되거나 변화할 수 있기 때문입니다. 따라서 뇌 질환을 이해하기 위해서는 개별 유전자의 역할을 넘어 전체적인 회로의 연결성을 파악하는 것이 필수적입니다. 하드웨어가 갖춰져 있더라도 환경과의 상호작용을 통해 회로가 어떻게 최적화되느냐가 중요합니다. 후성유전학은 환경이 유전자 발현에 어떻게 영향을 미치는지 설명해 줍니다. 우리가 먹는 음식, 겪는 스트레스, 주변 환경 등은 유전자의 작동 방식을 바꾸어 뇌 기능과 성격에까지 영향을 줄 수 있습니다. 이러한 변화는 당대에 그치지 않고 다음 세대로 전달되기도 하며, 유전자만으로는 설명할 수 없는 생명 현상의 신비를 보여줍니다. 환경이 뇌의 시냅스 단백질 구성을 바꾸고 결과적으로 행동의 변화를 이끌어낸다는 점은 뇌의 놀라운 가소성을 증명합니다. 이는 우리가 처한 환경과 경험이 단순한 기억을 넘어 생물학적 각인으로 남을 수 있음을 시사합니다. 뇌 연구는 이제 뉴런을 넘어 교세포와 같은 다양한 세포들의 역할로 그 지평을 넓히고 있습니다. 뇌는 단순한 세포의 합이 아니라 유전자, 환경, 그리고 복잡한 회로가 층층이 쌓여 만들어진 고차원적인 시스템입니다. 인공지능이 인간의 지능을 모방하려 노력하고 있지만, 감정과 이성이 정교하게 결합된 인간 뇌의 통합적 메커니즘을 완전히 재현하기란 쉽지 않습니다. 끊임없는 학습과 노력을 통해 변화하는 뇌의 무한한 가능성은 여전히 우리에게 많은 탐구 과제를 던져줍니다. 우리는 뇌를 이해함으로써 인간 본연의 가치와 생명의 경이로움을 다시금 확인하게 됩니다.

신희섭, 이창준, 이현숙

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뇌인지과학

[강연] 뇌 : 신비한 세계로의 초대 (2) _ 신희섭 | 2016 봄 카오스 강연 '뇌 - Brain' 1강 | 1강 ②

뇌의 출현과 진화 과정을 살펴보면 생명체가 환경에 적응하기 위해 얼마나 정교한 구조를 갖추게 되었는지 알 수 있습니다. 가장 단순한 형태인 칠성장어의 뇌에서 시작하여 개구리와 파충류를 거치며 뇌는 점차 복잡해졌습니다. 특히 파충류 단계에 이르러 대뇌 피질이 형성되고 감정을 조절하는 편도체가 등장한 것은 진화사에서 매우 중요한 전환점입니다. 이러한 구조적 변화는 단순한 감각 처리를 넘어 생존을 위한 복합적인 반응을 가능하게 했으며, 인간의 뇌가 가진 고차원적인 기능의 토대가 되었습니다. 우리는 흔히 감정과 기분을 혼용하여 사용하지만, 뇌과학적 관점에서 이 둘은 명확히 구분됩니다. '이모션(Emotion)'은 의식적인 인지 이전에 발생하는 신체의 생리적 반응으로, 위험한 대상을 마주했을 때 심장 박동이 빨라지거나 체온이 오르는 현상을 말합니다. 반면 '필링(Feeling)'은 이러한 신체 변화를 뇌가 의식적으로 인지하고 언어로 표현할 수 있는 상태를 의미합니다. 즉, 감정은 생존을 위해 논리적 계산보다 앞서 작동하는 본능적인 회로이며, 우리가 위험으로부터 즉각적으로 회피할 수 있도록 돕는 필수적인 장치입니다. 뇌가 복잡해짐에 따라 개체 전체를 일관된 방향으로 움직이게 하는 강력한 동기 부여 시스템이 필요해졌는데, 이것이 바로 '쾌락 중추'와 '보상 회로'입니다. 식사나 번식, 호기심 충족과 같은 생존에 유리한 행동을 할 때 뇌는 보상을 제공하여 해당 행동을 반복하게 만듭니다. 하지만 이 시스템이 통제를 벗어나면 중독과 같은 문제가 발생하기도 합니다. 처음에는 생존을 위한 필요에 의해 생겨난 보상 회로가 때로는 뇌 전체를 지배하는 주인이 되기도 한다는 점은 뇌와 몸의 관계를 마스터와 슬레이브의 관점에서 다시 생각하게 만듭니다. 공포는 생존에 필수적인 감정이지만, 적절히 조절되지 못할 때 질환으로 이어지기도 합니다. 정상적인 뇌는 위험이 사라진 환경에서 공포 반응을 점차 줄여나가는 '공포 소거' 과정을 거칩니다. 그러나 외상 후 스트레스 장애(PTSD) 환자의 경우, 이 소거 기능이 제대로 작동하지 않아 과거의 공포 기억이 현재의 생리적 반응으로 고스란히 재현되는 고통을 겪습니다. 생쥐 실험을 통해 밝혀진 이러한 메커니즘은 공포가 단순한 심리적 위축을 넘어 뇌 회로의 오작동으로 인한 신체적 고통임을 보여주며, 이를 치료하기 위한 다양한 연구의 근거가 됩니다. 사회적 동물에게 공감은 개체 간의 유대를 강화하는 중요한 기제입니다. 타인의 고통을 보며 자신도 유사한 통증을 느끼는 '공감 고통'은 인간뿐만 아니라 생쥐와 같은 동물에게서도 관찰됩니다. 특히 이러한 공감 반응은 상대방과의 친밀도나 유대감에 따라 그 강도가 달라진다는 점이 흥미롭습니다. 오랜 시간 함께 지낸 동료나 가족의 고통에 더 민감하게 반응하는 뇌의 특성은 우리가 왜 사회적 관계를 맺고 서로를 돌보며 살아가는지를 생물학적으로 설명해 줍니다. 결국 뇌는 나라는 개체를 넘어 타인과 연결되도록 설계되어 있는 셈입니다.

신희섭

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뇌인지과학