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[명강리뷰] 뇌 커넥톰, 마음을 볼 수 있을까? by이준호 | 2017 가을 카오스 강연 '미래과학' 3강

뇌는 수많은 신경세포가 거대한 네트워크를 형성하고 있는 장기입니다. 단순히 세포들이 쌓여 있는 것이 아니라 서로 긴밀하게 소통하며 정보를 주고받는다는 점이 특징입니다. 이러한 신경세포 연결의 총합을 '커넥톰'이라고 부르며, 이는 유전자의 총합인 게놈처럼 뇌가 수행하는 모든 기능의 설계도와 같습니다. 이 정교한 연결망을 분석하는 것은 생명체의 마음과 행동이 어떻게 형성되는지 밝혀내는 핵심적인 과정이며, 뇌과학 연구의 궁극적인 지향점이기도 합니다. 현대 과학은 MRI 기술을 활용해 뇌의 활동을 시각화하고, 사람이 무엇을 보고 생각하는지 유추하는 단계에 이르렀습니다. 특정 사물을 볼 때 활성화되는 뇌의 영역을 기록하여 일종의 '뇌 신호 사전'을 만드는 방식입니다. 비록 아직은 재구성된 영상이 다소 흐릿하고 완벽하지 않지만, 기술의 발전 속도는 놀랍습니다. 머지않은 미래에는 뇌의 신호만으로도 타인의 마음을 읽거나 시각적 경험을 공유하는 것이 가능해질 것이라는 기대를 모으고 있습니다. 인간 뇌의 1,000억 개에 달하는 신경세포를 모두 분석하는 것은 매우 어려운 과제입니다. 그래서 과학자들은 훨씬 단순한 구조를 가진 '예쁜꼬마선충'에 주목합니다. 이 생물은 몸길이가 1mm에 불과하며, 전체 세포 수가 1,000개도 되지 않습니다. 그중 신경세포는 단 302개뿐이지만, 먹이를 찾고 짝짓기를 하는 등 생존에 필요한 고도의 행동을 모두 수행합니다. 단순한 시스템을 통해 복잡한 뇌의 기본 원리를 파악하려는 전략적인 접근인 셈입니다. 1960년대부터 시작된 예쁜꼬마선충 연구는 20여 년의 노력 끝에 302개 신경세포의 연결망을 완전히 규명해냈습니다. 1mm의 선충을 아주 얇게 잘라 전자현미경으로 촬영하고, 수만 장의 사진을 이어 붙여 신경세포 하나하나의 위치와 연결 상태를 파악한 것입니다. 이를 통해 약 8,000개의 시냅스로 이루어진 세계 최초의 커넥톰 지도가 완성되었습니다. 비록 아주 작은 벌레의 뇌일지라도, 그 속에 담긴 정교한 연결 구조는 생명체의 마음이 어떻게 형성되는지 보여주는 중요한 지표가 됩니다. 하지만 현재의 커넥톰 지도는 물리적으로 연결된 '유선' 통신망에 집중되어 있다는 한계가 있습니다. 실제 뇌 안에서는 신경전달물질이 멀리 퍼져 나가며 정보를 전달하는 '무선' 통신도 활발하게 일어납니다. 보이지 않는 이 무선 연결망까지 모두 이해해야만 진정한 의미의 뇌 지도를 완성했다고 할 수 있습니다. 단순한 벌레의 마음에서 시작된 탐구는 이제 더 넓은 영역으로 확장되고 있으며, 이러한 도전은 인간 존재의 근원인 뇌의 신비를 푸는 열쇠가 될 것입니다.

카오스재단명강리뷰&질문Q

[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

[인터뷰] 김진현_불만이 많은 과학자입니다! | 2021 가을 카오스강연 '과학의 희열'

과학자에게 가장 중요한 덕목 중 하나는 현재에 안주하지 않는 건설적인 불만과 끊임없는 질문입니다. 현상을 단순히 받아들이기보다 '왜'라는 질문을 던지고 그 답을 찾아가는 과정이 과학의 본질이기 때문입니다. 특히 뇌과학 분야에서는 뇌의 작용 기작을 이해하기 위해 다양한 접근이 이루어지고 있는데, 그중에서도 뇌의 구조적 연결성을 파악하는 연구는 매우 핵심적인 위치를 차지합니다. 복잡하게 얽힌 신경망의 지도를 그리는 일은 인간의 사고와 행동이 어떻게 발생하는지 이해하는 첫걸음이 되며, 이는 곧 인간 존재에 대한 깊은 통찰로 이어집니다. 과거의 연구와 비교했을 때 현대 뇌과학이 비약적으로 발전할 수 있었던 배경에는 컴퓨터 기술의 등장이 있습니다. 유전자 지도를 작성하던 게놈 프로젝트의 경험을 바탕으로, 이제는 뇌의 복잡한 구조를 디지털화하여 정밀한 정보를 추출하는 것이 가능해졌습니다. 특히 3차원 구현 기술은 평면적인 분석을 넘어 뇌의 입체적인 신경망을 시각화하는 데 큰 기여를 하고 있습니다. 이러한 기술적 진보는 과거에는 상상하기 어려웠던 방대한 데이터를 처리할 수 있게 함으로써, 뇌의 신비를 하나씩 풀어내는 강력한 도구가 되고 있습니다. 인간의 뇌는 약 100조 개의 시냅스로 구성되어 있으며, 그 복잡성은 상상을 초월합니다. 더욱 놀라운 점은 이 거대한 신경망이 고정된 것이 아니라 우리가 태어난 이후에도 끊임없이 변화한다는 사실입니다. 매일 겪는 새로운 배움과 감정의 경험, 그리고 외부에서 오는 다양한 충격에 따라 시냅스의 연결은 어제와 오늘이 다르게 재구성됩니다. 이러한 역동성과 방대한 데이터 규모를 체계적으로 규명하기 위해, 현재 전 세계의 연구자들은 웹사이트를 통해 연구 결과를 공유하고 실시간으로 피드백을 주고받으며 긴밀하게 협력하고 있습니다. 뇌 지도를 완성하는 것은 마치 우리 손안의 스마트폰 지도가 일상생활의 필수적인 인프라가 된 것과 같은 의미를 갖습니다. 지도가 없다면 길을 찾거나 사람을 만나는 기본적인 활동조차 어려워지듯이, 정밀한 뇌 지도는 뇌 질환의 원인을 파악하고 효과적인 신약을 개발하는 데 있어 없어서는 안 될 근본적인 정보가 됩니다. 비록 지도가 완성된다고 해서 뇌의 모든 기능을 즉각적으로 이해할 수 있는 것은 아니지만, 이는 향후 진행될 모든 뇌 연구의 기초 체력이자 인류가 뇌라는 거대한 대륙을 탐험하는 데 있어 가장 중요한 이정표가 될 것입니다. 앞으로의 연구는 인간의 뇌를 넘어 다양한 동물 모델로 확장될 필요가 있습니다. 예를 들어 개미와 같이 단순하지만 고도로 프로그램된 신경계를 가진 곤충을 연구함으로써, 복잡한 인간 뇌의 기본 원리에 대한 중요한 단서를 찾을 수 있습니다. 개미의 사회적 행동과 연결된 신경 구조를 분석하는 것은 유전과 교육의 상관관계를 이해하는 새로운 열쇠가 될 수도 있습니다. 질병 관련 신경 회로를 분석하고 인류에게 실질적인 도움이 되는 지식을 축적해 나가는 이러한 노력들이 모여, 언젠가는 인간의 본질을 설명하는 거대한 과학적 성취를 이룰 것입니다.

김진현

카오스재단카오스강연

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

카오스재단읽다과학

뇌인지과학

[명강리뷰] 시냅스 생쥐 그리고 정신질환 by 김은준ㅣ2016 봄 카오스 강연 '뇌 - Brain' 8강

우리 뇌는 약 1,000억 개의 신경세포가 복잡하게 얽혀 있는 거대한 네트워크입니다. 이 세포들이 서로 정보를 주고받는 물리적인 접합 부위를 '시냅스'라고 부르는데, 이는 그리스어에서 유래한 단어로 두 구조물이 만나 결합한다는 의미를 담고 있습니다. 신경세포의 안테나 역할을 하는 수상돌기와 신호를 전달하는 축삭이 만나는 이 작은 공간에서 신경전달물질이 분비되고 수용체와 결합하며 우리 몸의 모든 활동이 결정됩니다. 뇌 전체에는 무려 100조 개의 시냅스가 실시간으로 작동하며 정교한 신호의 균형을 유지하고 있습니다. 뇌의 건강은 시냅스를 통한 신호 전달의 균형에 달려 있습니다. 흥분성 시냅스와 억제성 시냅스가 적절한 조화를 이루어야 하지만, 이 균형이 무너지면 다양한 뇌 질환이 발생할 수 있습니다. 예를 들어 신호가 과도하게 흥분 쪽으로 치우치면 뇌전증과 같은 증상이 나타나고, 반대로 억제 쪽으로 기울면 수면 장애나 우울증이 유발되기도 합니다. 최근 과학계는 이러한 시냅스의 기능 이상이 정신 질환의 근본적인 원인 중 하나라는 사실에 주목하고 있으며, 유전적 요인과 환경적 요인이 어떻게 시냅스에 영향을 미치는지 밝혀내기 위해 다각도로 연구를 진행하고 있습니다. 정신 질환의 원인을 규명하는 과정에서 유전자의 역할은 매우 중요합니다. 특히 자폐증과 관련된 유전자가 800개 이상 발견되었는데, 이들 중 상당수가 시냅스의 형성이나 기능에 관여하는 것으로 나타났습니다. 과거에는 시냅스를 단순한 신호 전달 통로로만 여겼으나, 현대 과학은 그 안에서 1,000종 이상의 단백질이 상호작용하는 복잡한 체계를 발견했습니다. 1마이크로미터도 안 되는 좁은 공간에 수만 개의 단백질이 밀집해 있는 시냅스는 그 자체로 정교한 시스템이며, 이 중 핵심적인 단백질 하나만 잘못되어도 뇌 기능 전체에 심각한 영향을 줄 수 있습니다. 인간을 대상으로 유전자 변형 실험을 할 수 없기에, 과학자들은 생쥐 모델을 통해 유전자와 행동 사이의 인과 관계를 증명합니다. 특정 시냅스 단백질인 Shank2가 결손된 생쥐는 사회성이 현저히 떨어지거나 동료와의 소통을 위한 초음파 신호를 보내지 않는 등 자폐증과 유사한 증상을 보입니다. 이러한 실험적 증거는 특정 유전자의 이상이 실제 정신 질환으로 이어진다는 사실을 명확히 보여줍니다. 또한, 약물을 통해 시냅스의 신경전달을 조절함으로써 손상된 사회성을 일부 회복시키는 연구 결과는 향후 정신 질환 치료제 개발에 중요한 실마리를 제공하고 있습니다. 유전적 결함이 있더라도 환경적 요인에 의해 증상이 완화될 수 있다는 점은 매우 희망적입니다. 쾌적하고 자극이 풍부한 환경에서 자란 생쥐는 유전적 이상이 있더라도 지능이나 사회성 면에서 훨씬 나은 모습을 보여줍니다. 이는 정신 질환이 단순히 유전자에 의해 결정되는 것이 아니라, 가족과 사회의 따뜻한 관심과 좋은 환경을 통해 충분히 개선될 수 있음을 시사합니다. 현재 전 세계적으로 막대한 연구비가 뇌과학 분야에 투자되고 있는 만큼, 유전과 환경의 상호작용 메커니즘이 명확히 밝혀진다면 인류는 정신 질환이라는 거대한 장벽을 넘어서는 새로운 전기를 맞이하게 될 것입니다.

카오스재단명강리뷰&질문Q

[명강리뷰] 뇌를 읽다, 그리고 마음을 읽다_뇌영상술과 정신질환 by 권준수ㅣ2016 봄 카오스 강연 '뇌 - Brain' 4강

인간의 뇌는 단단한 두개골 속에 보호받고 있어 살아있는 상태로 관찰하기가 매우 어렵습니다. 과거에는 사후 해부를 통해서만 뇌를 연구할 수 있었으나, 현대 과학은 뇌영상기술을 통해 살아있는 뇌의 구조와 기능을 실시간으로 들여다볼 수 있게 해주었습니다. 대표적으로 MRI는 뇌의 구조적 이상을 파악하는 데 쓰이며, fMRI는 혈류량 변화를 통해 특정 자극에 반응하는 뇌 부위를 찾아냅니다. 또한 PET은 포도당 대사를 측정하여 뇌가 에너지를 어떻게 사용하는지 시각적으로 보여줌으로써 뇌과학 발전에 결정적인 역할을 하고 있습니다. 우리의 뇌는 우리가 의식하지 못하는 순간에도 외부 자극을 끊임없이 처리합니다. 예를 들어, 33밀리초라는 아주 짧은 시간 동안 공포스러운 표정을 노출하면 사람은 이를 인지하지 못하지만, fMRI 촬영 결과 뇌의 편도체는 즉각적으로 활성화됩니다. 이는 인간의 감정 반응이 의식적인 판단보다 훨씬 빠르게 무의식 수준에서 일어날 수 있음을 시사합니다. 이러한 뇌영상기술은 인간의 무의식적인 심리 상태를 과학적으로 규명하는 데 큰 도움을 주며, 우리가 스스로 깨닫지 못하는 뇌의 복잡한 활동을 이해하는 열쇠가 됩니다. 뇌의 기능은 신경세포 사이의 간극인 시냅스를 통해 전달되는 신경전달물질에 의해 결정됩니다. 우리 뇌에는 200여 종의 물질이 존재하며, 각각 기억, 감정, 운동 등 다양한 역할을 수행합니다. 아세틸콜린은 인지 기능과 관련되어 치매 치료의 핵심이 되고, 도파민은 쾌락과 동기 부여를 담당하여 중독이나 파킨슨병과 밀접한 연관이 있습니다. 또한 '행복 호르몬'으로 알려진 세로토닌은 감정과 수면을 조절하며, 노르에피네프린은 응급 상황에서의 주의 집중력을 높여줍니다. 이러한 화학 물질들의 균형이 곧 우리의 정신 건강을 좌우합니다. 정신 질환은 특별한 사람만이 겪는 것이 아니라 누구나 경험할 수 있는 뇌의 생물학적 변화입니다. 역사적으로 반 고흐나 슈만 같은 위대한 예술가들도 양극성 장애나 우울증을 앓으며 창작 활동을 이어갔습니다. 특히 주요 우울 장애는 세로토닌이나 노르에피네프린 같은 신경전달물질의 양이 정상보다 감소했을 때 발생합니다. 뇌영상 촬영을 통해 우울증 환자의 뇌를 관찰하면 정상인에 비해 활성도가 현저히 낮아진 것을 확인할 수 있습니다. 다행히 약물 치료를 통해 이러한 뇌의 생물학적 환경을 개선하면 우울 증상을 효과적으로 완화할 수 있습니다. 조현병은 과거 정신분열병으로 불리던 질환으로, 환청이나 망상 같은 증상을 동반합니다. 이는 단순히 성격의 문제가 아니라 뇌 부위 간의 연결성에 문제가 생겨 발생하는 질환입니다. '조현'이라는 명칭은 현악기의 줄을 고르는 조율을 의미하는데, 이는 뇌의 신경망이 너무 느슨하거나 팽팽하지 않게 적절히 연결되어야 한다는 은유를 담고 있습니다. 뇌의 특정 부위가 과도하게 활성화되거나 해마의 구조적 변화가 생기는 등 생물학적 원인이 분명하므로, 사회적 편견을 버리고 적절한 치료와 조율을 통해 관리해 나가는 것이 무엇보다 중요합니다.

카오스재단명강리뷰&질문Q

[명강리뷰] 기억 찾기_ ‘기억’을 찾아서 by 강봉균ㅣ2016 봄 카오스 강연 '뇌 - Brain' 3강

학습은 외부 정보를 습득하는 과정이며, 기억은 이를 저장하고 필요할 때 꺼내 쓰는 과정입니다. 우리 뇌는 기본적으로 전기와 화학의 기관으로, 특정 부위를 자극하면 독특한 인지 기능을 경험할 수 있습니다. 뇌는 컴퓨터처럼 정보를 한곳에 모아 저장하지 않고, 정보가 처리되는 여러 영역에 분산하여 저장한다는 특징이 있습니다. 1,000억 개의 뉴런이 만들어내는 전기 신호와 화학 물질의 상호작용은 우리의 생각과 감정에 따라 매 순간 다른 신호를 만들어내며, 이러한 복잡한 활동이 모여 인간의 고차원적인 정신세계를 구성하게 됩니다. 뉴런과 뉴런이 만나는 연결 부위인 시냅스는 기억의 핵심적인 장소입니다. 이곳에서는 글루탐산과 같은 신경전달물질이 분비되어 정보를 전달하며, 학습에 따라 시냅스의 크기가 커지거나 연결이 강화되는 '시냅스 가소성'이 일어납니다. 특히 정보 처리가 반복될 때 시냅스의 효율이 비약적으로 높아지는 '장기 강화(LTP)' 현상은 기억이 형성되는 분자적 기초가 됩니다. 마치 근육을 단련하듯 뇌의 특정 회로를 자주 사용할수록 시냅스는 더욱 두툼해지고 발달하며, 이러한 역동적인 변화가 모여 우리의 지식과 경험을 구성하게 됩니다. 기억은 크게 말로 표현할 수 있는 서술 기억과 몸으로 익히는 비서술 기억으로 나뉩니다. 해마는 새로운 사실이나 사건을 기억하는 서술 기억에 결정적인 역할을 하며, 이곳이 손상되면 과거의 기억은 유지되더라도 새로운 정보를 저장하지 못하는 장애가 발생합니다. 반면 악기 연주나 운동 기술 같은 비서술 기억은 소뇌나 기저핵 등 다른 부위에서 담당하기 때문에 의식적인 기억이 없더라도 반복을 통해 습득될 수 있습니다. 이처럼 우리 뇌는 다양한 종류의 기억을 서로 다른 영역에서 정교하게 관리하며 인간의 복합적인 인지 활동을 가능하게 합니다. 단기 기억이 장기 기억으로 전환되기 위해서는 '공고화 과정'이라는 단단하게 굳어지는 단계가 필수적입니다. 이 과정에서 해마에 잠시 머물던 정보는 신피질로 이동하여 영구적으로 저장되는데, 이때 해마와 신피질 사이의 활발한 의사소통은 주로 수면 중에 이루어집니다. 낮 동안 습득한 방대한 정보들을 정리하고 금고에 보관하듯 정교하게 분류하는 작업이 우리가 잠든 사이에 진행되는 것입니다. 따라서 충분한 숙면은 단순히 휴식을 넘어, 학습한 내용을 뇌에 온전히 정착시키고 기억의 유효 기간을 늘리는 데 있어 무엇보다 중요한 역할을 수행합니다. 시냅스의 연결 패턴은 개개인의 성격과 자아를 결정짓는 본질적인 요소입니다. 천 조 개에 달하는 시냅스의 미세한 차이가 각자의 사고방식과 행동 양식을 만들어내기에, '당신은 당신의 시냅스'라는 말은 과언이 아닙니다. 하지만 노화나 질병으로 인해 뇌 속에 노폐물이 쌓이면 시냅스 가소성에 문제가 생기고, 이는 기억의 상실과 자아의 해체로 이어지는 치매와 같은 질환을 유발합니다. 기억은 과거와 미래를 잇는 다리이자 현재의 나를 증명하는 수단이므로, 뇌 과학은 결국 인간의 정체성을 지키고 삶의 연속성을 유지하기 위한 숭고한 탐구라고 할 수 있습니다.

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[강연] 헬로 딥러닝 : 직관적이고 명확하게 딥러닝을 이해하기 _ by남세동 ㅣ 2020 가을 카오스강연 'Ai X' 9강 | 9강

컴퓨터는 본질적으로 숫자를 계산하는 기계입니다. 우리가 화면으로 보는 이미지나 듣는 음악도 결국은 디지털화된 숫자의 집합에 불과합니다. 전통적 프로그래밍 방식은 사람이 직접 논리와 절차를 설계하여 알고리즘을 만들고, 이를 코드로 옮기는 과정이었습니다. 하지만 고양이나 개를 구분하는 것과 같이 복잡한 패턴을 인식하는 문제는 인간이 모든 예외 상황을 코드로 정의하기에 한계가 있었습니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 등장한 것이 바로 데이터 스스로 학습하는 딥러닝 기술입니다. 딥러닝의 핵심 구조인 인공신경망은 인간의 뇌 구조에서 영감을 얻었습니다. 인공신경망은 수많은 동그라미 형태의 노드와 이들을 잇는 화살표인 가중치로 구성됩니다. 놀랍게도 이 복잡해 보이는 시스템의 기본 원리는 단순한 곱셈과 덧셈의 반복입니다. 입력값에 가중치를 곱하고 이를 모두 더한 뒤, 활성화 함수를 거쳐 다음 노드로 전달하는 과정이 수없이 반복됩니다. 알파고나 자율주행 엔진 같은 최첨단 기술들도 그 내부를 들여다보면 결국 이러한 단순한 수치 계산의 거대한 집합체라고 할 수 있습니다. 인공지능을 학습시키는 대표적인 방법 중 하나는 정답을 알려주는 지도 학습입니다. 예를 들어 특정 배경색에 어울리는 글자색을 찾을 때, 수많은 예시 데이터를 입력하고 인공지능이 스스로 최적의 가중치를 찾아내도록 유도합니다. 처음에는 무작위로 설정되었던 가중치들이 반복적인 학습 과정을 거치며 점차 정답에 가까운 결과를 내놓게 됩니다. 이는 마치 어린아이가 반복 학습을 통해 사물을 구별하는 법을 배우는 과정과 유사하며, 데이터가 많아질수록 인공신경망은 더욱 정교한 판단을 내릴 수 있게 됩니다. 딥러닝의 가장 신기한 점은 일부 정답 데이터만으로도 학습하지 않은 수많은 사례를 정확히 판별해 낸다는 것입니다. 수천 장의 사진만 학습해도 수억 장의 새로운 사진 속 대상을 구분할 수 있는 이유는 데이터가 가진 고유한 패턴을 3차원 이상의 공간에 매핑하기 때문입니다. 비슷한 특징을 가진 데이터들은 특정 영역에 모이게 되고, 인공신경망은 이 영역들을 구분하는 경계선을 찾아냅니다. 이러한 일반화 능력 덕분에 인공지능은 단순한 암기를 넘어 새로운 상황에 유연하게 대처할 수 있는 지능적인 면모를 갖추게 됩니다. 인공신경망이 최적의 가중치를 찾아가는 과정은 매우 단순하면서도 무식할 정도로 반복적입니다. 입력값에 따른 결과가 정답과 다를 경우, 그 오차를 줄이기 위해 수천만 개에서 수십억 개에 달하는 가중치들을 조금씩 조정합니다. 이를 경사 하강법이라 부르는데, 오차라는 산의 골짜기를 찾아 내려가는 과정과 같습니다. 수학적으로 이러한 가중치가 존재한다는 것은 증명되었지만, 왜 이토록 단순한 방식으로 복잡한 지능이 구현되는지는 여전히 현대 과학의 신비로 남아 있습니다. 최근 딥러닝은 언어 모델인 GPT-3나 단백질 구조를 예측하는 알파폴드 2처럼 인류의 난제를 해결하는 수준에 도달했습니다. 이는 자연계에 존재하는 방대한 패턴을 숫자로 치환하여 분석할 수 있게 되었음을 의미합니다. 문장의 맥락을 파악하여 대화를 나누거나 복잡한 물리 시뮬레이션을 수천 배 빠르게 수행하는 등, 딥러닝은 인간의 지적 능력을 보조하는 강력한 도구가 되었습니다. 결국 딥러닝의 본질은 숫자의 집합속에서 유의미한 패턴을 찾아내어 이를 실용적인 지능으로 변환하는 기술이라 할 수 있습니다. 인류 역사를 돌아보면 기술의 활용이 이론적 이해보다 앞섰던 사례가 많습니다. 증기기관이 열역학 법칙이 정립되기 전부터 산업 혁명을 이끌었듯이, 딥러닝 역시 그 작동 원리를 완벽히 설명하지 못하더라도 이미 세상을 바꾸고 있습니다. 인공지능이 내놓는 결과가 왜 도출되었는지 인간이 완전히 이해하지 못하는 영역이 존재하지만, 이는 오히려 새로운 과학적 발견의 기회가 되기도 합니다. 우리는 이제 딥러닝이라는 거대한 도구를 통해 지능의 본질을 탐구하고 미래의 변화를 맞이할 준비를 해야 합니다.

남세동

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[카오스 술술과학] 뇌 건강: 뇌에 발을 달자?! | 카오스 브레인 오디세이(6)

무라카미 하루키는 자신의 묘비명에 '적어도 끝까지 걷지는 않았다'라고 적고 싶어 할 만큼 달리기에 진심인 작가입니다. 비단 하루키뿐만 아니라 역사 속 수많은 천재들도 걷기와 달리기를 통해 영감을 얻었습니다. 다윈은 집 주변에 '생각하는 길'을 만들어 매일 산책했고, 아인슈타인은 자전거를 타다 상대성 이론의 실마리를 찾았습니다. 스티브 잡스와 마크 저커버그 역시 산책하며 회의하는 것을 즐겼습니다. 이처럼 위대한 성취를 이룬 이들이 운동에 열광한 이유는 그것이 단순한 운동을 넘어 뇌 기능을 극대화하는 열쇠였기 때문입니다. 운동은 신경 세포 생산을 촉진하며, 특히 기억을 담당하는 해마의 활성화를 돕습니다. 뇌과학에서는 학습을 머릿속에 새로운 길을 내는 과정으로, 기억을 그 길을 자주 다니는 상태로 비유합니다. 운동은 이러한 신경 세포 사이의 연결인 시냅스를 강화하여 학습과 기억의 효율을 비약적으로 높여줍니다. 실제로 걷거나 움직이며 창의성 검사를 받은 이들이 앉아 있는 이들보다 60% 더 높은 성적을 거두었다는 연구 결과도 있습니다. 따라서 아이들에게 무엇을 가르칠지 고민하기보다 마음껏 뛰어놀게 하는 것이 학습 능력을 키우는 더 현명한 방법이 될 수 있습니다. 나이가 들면 신경 세포가 더 이상 생성되지 않는다는 통념과 달리, 뇌는 평생에 걸쳐 재생될 수 있습니다. 활발한 운동은 새로운 신경 세포를 지속적으로 만들어 뇌의 노화를 늦추는 결정적인 역할을 합니다. 놀라운 점은 일주일에 5일 정도, 하루 30분 이상 걷는 것만으로도 치매 발생률을 40%나 낮출 수 있다는 사실입니다. 이는 어떤 약물로도 달성하기 힘든 경이로운 수치입니다. 만일 이러한 효과를 내는 약물이 발매되었다면 노벨상 후보로 거론될 만큼 강력한 효능을 지닌 셈입니다. 운동은 노년의 삶을 지키는 가장 강력하고 경제적인 예방책입니다. 현대인의 고질병인 스트레스와 우울증 관리에도 운동은 탁월한 처방전이 됩니다. 우리 뇌가 위협을 느끼면 편도체가 활성화되어 코르티솔을 분비하는데, 운동은 이러한 스트레스 반응에 대한 내성을 키워주는 예방 접종 역할을 합니다. 특히 운동은 감정을 조절하는 전두엽과 폭주하는 편도체 사이의 연결망을 강화하여 이성적인 통제를 가능하게 합니다. 이는 전두엽이 아직 미성숙한 청소년기의 불안감을 해소하는 데에도 큰 도움을 줍니다. 또한 운동은 신경 세포 손상을 유발하는 우울증의 악순환을 끊고, 뇌의 크기를 회복시키며 정서적 안정을 되찾아주는 효과가 있습니다. 뇌 건강을 위한 운동의 핵심은 꾸준함에 있습니다. 일주일에 적어도 세 번, 한 번에 40분 이상 걷거나 달리는 습관을 6개월 이상 유지하는 것이 중요합니다. 이때 도파민, 세로토닌, 엔도르핀 같은 행복 호르몬이 분비되어 뇌에 황홀감을 선사합니다. 이는 과거 인류가 생존을 위해 사냥감을 추적하던 시절부터 이어진 보상 체계의 산물입니다. 의학의 아버지 히포크라테스는 2,400년 전 이미 걷는 것이 최고의 약물이라고 강조했습니다. 지금 당장 운동화를 신고 밖으로 나가는 작은 실천이, 6개월 후 여러분의 몸과 뇌를 완전히 다른 차원으로 변화시킬 것입니다.

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[카오스 술술과학] 뉴런, 도대체 왜 이렇게 생긴거야? | 카오스 브레인 오디세이(1)

모든 생명체의 기본 단위는 세포이지만, 뇌와 신경계를 구성하는 신경세포인 뉴런은 그 형태부터가 매우 독특합니다. 19세기 후반 스페인의 신경학자 산티아고 라몬 이 카할은 현미경을 통해 이 기묘한 세포들을 관찰하며 3,000점이 넘는 세밀한 그림을 남겼습니다. 그는 뉴런이 마치 생체 전깃줄처럼 전기 신호를 전달하는 역할을 한다고 추측했습니다. 머리카락 지름의 50분의 1도 안 되는 가느다란 돌기들이 정보를 전달하기 위해 최적화된 구조를 갖추고 있다는 사실은 현대 뇌과학의 위대한 출발점이 되었습니다. 20세기 초 뇌과학계는 뉴런의 존재 여부를 두고 거대한 논쟁에 휩싸였습니다. 카할은 뇌가 독립된 뉴런들로 구성되어 있다는 '뉴런 독트린'을 주장한 반면, 카밀로 골지는 뇌가 거대한 그물처럼 연결된 네트워크 구조라는 '신경 그물설'을 고수했습니다. 흥미롭게도 두 사람은 1906년 노벨 생리의학상을 공동 수상하는 영광을 안았지만, 시상식장에서도 서로의 이론이 옳다며 치열하게 대립했습니다. 이 논쟁은 단순히 세포의 형태를 넘어, 부분을 통해 전체를 설명하려는 환원주의와 전체적인 연결성을 강조하는 관점의 충돌이기도 했습니다. 뇌의 기능을 바라보는 시각은 특정 부위가 특정 역할을 수행한다는 국소주의와 전체가 협력한다는 분산주의로 나뉩니다. 18세기 말 프란츠 갈이 제창한 골상학은 두개골의 모양으로 성격과 지능을 파악할 수 있다는 국소주의적 발상에서 시작되었습니다. 이후 폴 브로카가 언어를 담당하는 '브로카 영역'을 발견하면서 국소주의는 정점에 달했습니다. 비록 골상학은 과학적 근거가 부족한 것으로 판명되었지만, 뇌의 각 부위가 고유한 기능을 담당한다는 생각은 현대 뇌과학의 중요한 한 축을 형성하며 발전해 왔습니다. 시간이 흐르며 뇌를 이해하기 위해서는 개별 뉴런뿐만 아니라 그들의 연결 패턴인 네트워크에 주목해야 한다는 사실이 밝혀졌습니다. 1940년대 도널드 헵은 학습과 기억의 본질이 개별 뉴런의 활동이 아닌, 뉴런들이 서로 연결된 신경망의 변화에 있음을 입증했습니다. 이는 빛이 입자이면서 동시에 파동인 것처럼, 뇌 역시 뉴런이라는 기본 단위와 네트워크라는 활동 체계가 공존하는 복잡계임을 시사합니다. 결국 뇌는 국소적인 기능 수행과 전체적인 협력이 조화를 이루는 역동적인 시스템인 셈입니다. 인간의 뇌에는 약 천억 개의 뉴런이 존재하며, 이들이 형성하는 수백 조 개의 시냅스 연결망을 '커넥톰'이라 부릅니다. 이 거대한 지도는 한 개인의 정체성을 결정하는 핵심적인 요소로 평가받습니다. 20세기가 우주 정복의 시대였다면, 21세기는 인류 최후의 미스터리인 뇌를 탐험하는 '브레인 오디세이'의 시대입니다. 소우주와도 같은 뇌의 복잡한 매트릭스 속에서 자아와 의식이 어떻게 탄생하는지 탐구하는 여정은, 우리가 누구인지에 대한 근원적인 해답을 찾는 과정이 될 것입니다.

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[카오스 술술과학] 뇌 시리즈 '카오스 브레인 오디세이' 시작

생명체의 기본 단위가 세포이듯, 뇌와 신경계의 기본 단위는 뉴런입니다. 뉴런은 일반적인 세포와 달리 세포체, 수상돌기, 축삭돌기라는 독특한 구조를 가지고 있어 마치 외계 생명체나 복잡한 전선망처럼 보입니다. 이러한 구조는 신호를 효율적으로 전달하기 위한 최적의 형태입니다. 뉴런들이 서로 연결되는 지점인 시냅스를 통해 감각과 운동 신호가 오가며, 인간의 뇌는 거대한 연결망을 형성하여 신체를 정교하게 통제합니다. 식물과 달리 동물에게 뇌가 존재하는 근본적인 이유는 바로 움직임에 있습니다. 동물이 진화하며 움직임이 다양해짐에 따라 신경계도 함께 복잡해졌고, 여러 감각기관이 집중된 머리 부분에서 신경조직이 고도로 발달하며 뇌가 탄생했습니다. 인간의 뇌는 이 복잡한 신경계를 통제하는 사령탑 역할을 수행합니다. 뇌는 크게 네 부분으로 구분되며, 각 부위는 생명 유지부터 고차원적인 사고에 이르기까지 저마다의 고유한 기능을 담당하며 유기적으로 작동합니다. 뇌의 하단에 위치한 뇌간은 호흡과 순환 등 생명 유지를 위한 가장 원시적이고 필수적인 기능을 수행합니다. 그 뒤편의 소뇌는 운동 조절과 기억을 담당하여 우리가 자전거나 피아노를 익숙하게 다룰 수 있게 돕습니다. 한편, 뇌의 중심부에 있는 간뇌는 감각과 운동 정보를 분류하여 전달하는 역할을 하며, 체내 항상성을 유지하고 호르몬 분비를 조절합니다. 이처럼 뇌의 하부 구조들은 우리가 의식하지 않아도 생존에 필요한 기본적인 조건들을 완벽하게 조율합니다. 뇌의 대부분을 차지하는 대뇌는 감정을 담당하는 변연계와 사고를 담당하는 대뇌피질로 나뉩니다. 변연계의 해마와 편도체는 기억과 감정을 연결하여 과거의 경험을 생존 전략으로 활용하게 합니다. 반면 대뇌피질은 이를 바탕으로 미래의 전략을 세우고 행동을 결정합니다. 특히 전두엽은 정보를 종합해 판단하는 핵심적인 역할을 하며, 나머지 부위들은 각각 감각, 언어, 시각 정보를 처리합니다. 이러한 구조를 통해 인간은 현재를 넘어 과거와 미래로 의식을 확장합니다. 뇌는 수많은 뉴런과 시냅스가 얽혀 있는 복잡한 조직이지만, 각 부위가 개별적인 역할을 수행하면서도 긴밀하게 협력하는 유기적인 체계입니다. 우리는 뇌를 통해 자아를 형성하고 세상을 인식하지만, 역설적으로 뇌 자체에 대해 우리가 알고 있는 지식은 여전히 매우 적습니다. 뇌는 인류에게 남겨진 마지막 미개척지와 같습니다. 이 신비로운 사령탑을 이해하려는 노력은 곧 인간 본연의 가치와 존재의 의미를 찾아가는 여정이 될 것입니다.

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[강연] 뇌 커넥톰, 마음을 볼 수 있을까? (2) _ by이준호 | 2017 가을 카오스 강연 '미래과학' 3강 | 3강 ②

뇌는 수천억 개의 신경세포가 복잡하게 얽혀 있는 거대한 우주와 같습니다. 현대 과학은 MRI나 광유전학 같은 첨단 기술을 통해 뇌의 구조와 기능을 밝혀내려 노력하고 있지만, 그 복잡성을 온전히 이해하기에는 여전히 기술적 한계가 존재합니다. 이 거대한 문제를 해결하기 위한 가장 효과적인 전략 중 하나는 복잡한 시스템을 단순화하여 본질에 접근하는 것입니다. 과학자들은 뇌의 모든 것을 한꺼번에 설명하려 하기보다, 특정 기능을 수행하는 최소한의 단위를 분석함으로써 거대한 수수께끼의 실마리를 찾고자 합니다. 노벨상 수상자인 프랜시스 크릭과 크리스토프 코흐는 의식이라는 거대한 주제를 탐구하기 위해 시각 정보 처리라는 구체적인 영역에 집중했습니다. 이들은 의식이 신경세포와 분자들의 복잡한 총합이라는 가설을 세우고, 문제를 표면화하여 단순화된 모델을 구축했습니다. 이러한 '환원주의적' 접근 방식은 복잡한 현상을 이해 가능한 수준으로 쪼개어 분석함으로써, 훗날 더 큰 문제를 해결할 수 있는 토대를 마련해 주었습니다. 비록 의식의 모든 비밀을 풀지는 못했지만, 이는 뇌 과학 연구의 중요한 이정표가 되었습니다. 분자생물학의 혁명을 이끌었던 시드니 브레너는 DNA 구조 규명 이후 생물학의 궁극적인 목표가 신경계의 신비를 푸는 것이라고 주장했습니다. 그는 인간의 뇌보다 훨씬 단순하면서도 생명 현상의 핵심을 간직한 모델 생물로 '예쁜꼬마선충'을 선택했습니다. 이 작은 생물은 전체 세포가 1,000개도 되지 않으며, 그중 신경세포는 단 302개에 불과합니다. 하지만 이 적은 수의 신경세포만으로도 이동, 먹이 활동, 종족 보존을 위한 복잡한 행동을 수행하며 인간의 뇌를 이해하기 위한 완벽한 기초 모델이 되어줍니다. 1970년대부터 시작된 '벌레의 마음(Mind of a Worm)' 프로젝트는 예쁜꼬마선충의 신경망 지도인 '커넥톰'을 완성하는 거대한 도전이었습니다. 연구자들은 1mm 남짓한 예쁜꼬마선충을 얇게 저며 전자현미경으로 13,000장 이상의 사진을 찍고, 이를 수작업으로 이어 붙여 302개 신경세포의 연결 상태를 분석했습니다. 그 결과 약 8,000개의 시냅스로 이루어진 정교한 신경망 구조가 드러났습니다. 이는 인류가 생명체의 신경계 전체 연결망을 시냅스 수준에서 파악한 최초의 사례로, 뇌의 작동 원리를 규명하는 핵심 지도가 되었습니다. 완성된 커넥톰 데이터는 컴퓨터 시뮬레이션과 수학적 모델링을 통해 살아있는 생명체의 행동을 예측하는 단계로 진화했습니다. 오픈 소스 프로젝트인 '오픈웜'이나 다양한 IT 기술과의 협업을 통해, 예쁜꼬마선충의 신경망 정보만으로 앞으로 가거나 뒤로 가고, 방향을 트는 등의 동작을 가상 공간에서 재현해낸 것입니다. 또한 특정 신경세포의 활성을 수학적으로 조절하여 산소 농도 변화에 따른 반응을 예측하는 등, 커넥톰은 단순한 지도를 넘어 뇌의 기능을 실시간으로 분석하고 실험할 수 있는 강력한 도구로 활용되고 있습니다. 최근 연구는 예쁜꼬마선충의 특정 발달 단계인 '다우어(dauer)' 시기에 나타나는 독특한 행동에 주목하고 있습니다. 척박한 환경에서 생존하기 위해 다른 동물에 매달려 이동하는 '닉테이션' 행동은 고도의 신경계 작용을 필요로 합니다. 연구 결과, 특정 신경세포 세트가 이 행동을 조절한다는 사실이 밝혀졌으며, 이는 발달 단계에 따라 커넥톰이 유연하게 변화할 수 있음을 시사합니다. 현재 과학자들은 이 시기의 신경망을 새롭게 재구성하는 '다우어와이어' 프로젝트를 통해 뇌의 가소성과 발달에 따른 변화를 심도 있게 추적하고 있습니다. 커넥톰 연구는 물리적인 신경 연결을 넘어, 신경전달물질이 공간으로 퍼져나가는 '무선 통신'의 영역으로 확장되고 있습니다. 유선으로 연결된 시냅스 외에도 보이지 않는 화학적 신호들이 뇌 전체의 상태를 조절하기 때문입니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 시민들이 참여하는 시민과학 형태의 연구가 도입되고 있으며, 이는 복잡한 뇌의 신비를 푸는 데 대중의 힘을 모으는 계기가 되고 있습니다. 302개의 신경세포에서 시작된 이 여정은 결국 인간의 마음과 의식을 이해하는 거대한 문을 여는 열쇠가 될 것입니다.

이준호

카오스재단카오스강연

생명과학
뇌인지과학

[강연] 현재 : 21세기 과학 혁명 | 2017 카오스 콘서트 '지구, 생명, 인간' 1부 | 1부 ②

약 138억 년 전 빅뱅으로 시작된 우주의 역사 속에서 지구는 약 46억 년 전에 탄생했습니다. 칼 세이건이 '창백한 푸른 점'이라 명명했듯, 광활한 우주에서 지구는 아주 작은 존재에 불과하지만 생명이 숨 쉬는 유일하고 아름다운 터전입니다. 지구와 생명은 서로 영향을 주고받으며 공진화해 왔으며, 이러한 유기적인 관계는 우리 존재의 근원을 이해하는 핵심적인 열쇠가 됩니다. 푸른 빛을 띠는 지구의 모습은 그 자체로 생명력이 넘치는 역동적인 역사를 대변하고 있습니다. 오늘날 지구는 인류의 활동으로 인해 전례 없는 위기에 직면해 있습니다. 기상 관측 이래 가장 높은 기온을 기록하고 이산화 탄소 농도가 급격히 상승하는 등 지구 온난화는 가속화되고 있습니다. 학자들은 인류가 지구 환경에 결정적인 영향을 미치는 현시대를 '인류세'라고 부르며 경고의 메시지를 보냅니다. 기후 변화는 단순한 자연 현상을 넘어 인류의 이기심과 경제적 논리가 결합된 복합적인 문제입니다. 우리가 직면한 환경적 재항을 막기 위해서는 공동의 대응과 성찰이 절실한 시점입니다. 생명 과학의 발전은 인류를 유전자의 '생존 기계'에서 유전자를 조작하는 '설계자'의 위치로 격상시켰습니다. 1953년 DNA 이중나선 구조의 발견 이후, 인류는 유전 정보를 해독하고 크리스퍼 유전자 가위를 통해 생명 정보를 편집하는 수준에 도달했습니다. 이는 40억 년 생명 역사에서 자연 선택의 원리를 넘어선 인공 선택의 시대를 의미합니다. 인간이 스스로의 설계도를 수정할 수 있게 됨에 따라, 진화의 주도권이 자연에서 인간의 손으로 옮겨가고 있으며 이는 생명의 본질에 대한 새로운 질문을 던집니다. 지능은 단순히 인간이나 고등 동물의 전유물이 아니라, 변화하는 환경 속에서 복잡한 문제를 해결해 나가는 생명체 보편의 능력입니다. 뇌가 없는 식충식물인 파리지옥이 자극의 횟수를 세어 소화액을 분비하거나, 기생충이 숙주의 행동을 조종하는 사례는 지능의 다양한 층위를 보여줍니다. 모든 생명체는 각자의 방식대로 생존과 복제를 위해 지능적인 전략을 구사합니다. 이러한 관점에서 지능은 유전자가 자신의 목적을 달성하기 위해 대리인에게 부여한 고도의 생존 도구라고 정의할 수 있습니다. 인류는 자신의 지능을 모방한 인공지능을 창조하며 새로운 진화의 단계에 들어섰습니다. 인간의 뇌가 유전자의 대리인으로서 복잡한 신경망을 통해 작동하듯, 인공지능 역시 인간의 필요에 의해 설계된 강력한 연산 도구입니다. 현재 인공지능의 발전 속도는 무어의 법칙을 따르며 인간의 지적 능력을 위협할 정도로 빠르게 성장하고 있습니다. 1,000억 개의 신경세포와 천조 개의 시냅스를 가진 인간의 뇌와 수십억 개의 트랜지스터를 가진 컴퓨터의 대결은 미래 사회의 가장 중요한 화두가 될 것입니다.

이대열

카오스재단카오스콘서트

뇌인지과학

[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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[강극] 뇌 안에 너 있다(2) | 2016 가을 카오스 콘서트 '뇌 vs AI' 2부 | 2부 ②

뇌 수술 중 언어 중추인 브로카 영역을 보호하기 위해 각성 수술을 진행하는 경우가 있습니다. 이는 뇌의 신비로움을 단적으로 보여주는 장면입니다. 수술 중 환자와 대화를 나누며 전기 자극을 통해 언어 기능을 실시간으로 확인하는 과정은 인간의 의식과 뇌의 물리적 구조가 얼마나 밀접하게 연결되어 있는지 깨닫게 합니다. 1.4kg의 작은 덩어리 안에서 벌어지는 이 정교한 작업은 우리가 세상을 인지하고 소통하는 근원이 바로 뇌에 있음을 증명하며, 인간 존재의 경이로움을 다시금 확인시켜 줍니다. 우리 머릿속의 뇌는 천억 개의 신경 세포와 수백조 개의 시냅스로 구성된 거대한 우주와 같습니다. 뇌는 단순히 정보를 수동적으로 받아들이는 기관이 아니라, 감각 정보를 바탕으로 우리 삶의 모든 시나리오를 써 내려가는 창조자입니다. 시지각 정보를 처리하고 기억의 패턴을 엮어내며, 우리는 뇌가 만들어낸 세계 안에서 사유하고 존재합니다. 뇌는 우리가 경험하는 모든 현상의 합이자, 그 자체로 하나의 거대한 세계를 구축하며 인간이라는 존재의 본질을 정의하는 핵심적인 역할을 수행합니다. 사랑이라는 감정 또한 뇌의 정교한 활동 결과입니다. 우리가 누군가와 깊은 사랑에 빠지면, 뇌는 사랑하는 대상의 존재를 자신의 신체 일부처럼 생생하고 열정적으로 받아들입니다. 사랑의 환상이 뇌를 사로잡는 순간, 타인은 더 이상 외부의 존재가 아닌 자아의 연장이 됩니다. 그렇기에 사랑하는 사람을 잃는 고통은 뇌에게 있어 자신의 일부를 도려내는 것과 같은 물리적인 아픔으로 다가옵니다. 뇌는 사랑이라는 이름으로 타인과 하나가 되는 놀라운 경험을 설계하며 우리 삶에 가장 깊은 의미와 동기를 부여합니다. 플라톤의 '동굴의 비유'처럼 우리의 뇌는 두개골이라는 어두운 동굴 속에 갇힌 채 외부 세계를 지각합니다. 눈을 통해 들어오는 빛과 감각 촉수들이 전달하는 신호는 실체가 아닌 뇌가 편집한 영상일 뿐입니다. 우리는 결코 사물의 참모습인 이데아를 직접 볼 수 없으며, 오직 뇌가 해석한 그림자만을 진실이라 믿으며 살아갑니다. 뇌는 생존을 위해 불완전한 정보를 바탕으로 정교한 허구를 만들어내고, 우리는 그 엉성한 허구 속에서도 완전한 공감을 느끼며 현실을 살아갑니다. 우리가 보는 세상은 결국 뇌가 그려낸 정교한 지도인 셈입니다. 인공지능 기술의 발전은 인간의 뇌가 가진 한계를 넘어서는 새로운 가능성을 제시합니다. 강한 인공지능이 자아와 영혼에 관한 방대한 데이터를 학습한다면, 인간처럼 감정을 느끼고 스스로 죽음을 선택하는 존재가 될지도 모릅니다. 이러한 시대에 프랜시스 베이컨이 강조한 합리적 회의주의는 더욱 중요해집니다. 우리가 가진 편견과 우상을 타파하고, 당연하게 믿어왔던 지식들을 의심하는 태도는 뇌가 만들어낸 환상 속에서 진정한 진리에 다가가는 강력한 백신이 될 것입니다. 끊임없는 질문과 성찰만이 우리를 더 넓은 세계로 인도할 것입니다.

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[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

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뇌인지과학
융합

[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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[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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[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] 뇌를 읽다, 그리고 마음을 읽다 (2) _ 권준수 교수 | 2016 봄 카오스 강연 '뇌 - Brain' 4강 | 4강 ②

인간의 뇌는 신체의 각 부위와 밀접하게 연결되어 특정 기능을 수행하는 영역이 정해져 있습니다. 시각은 후두엽, 청각은 측두엽에서 담당하며, 운동과 감각 기능 또한 뇌의 특정 부위와 일대일로 매칭됩니다. 캐나다의 신경외과 의사 펜필드는 수술 중 전기 자극을 통해 이러한 뇌 지도를 완성했습니다. 흥미로운 점은 뇌가 관장하는 면적이 실제 신체 부위의 크기가 아니라, 그 부위의 정교함이나 예민함에 비례한다는 사실입니다. 예를 들어, 미세한 움직임이 필요한 손가락이나 혀를 담당하는 뇌 영역은 복부보다 훨씬 넓은 면적을 차지하며 우리 몸의 기능을 정교하게 조절합니다. 사고, 판단, 계획과 같은 고차원적 인지 기능은 특정 부위에 국한되지 않고 전두엽을 포함한 여러 뇌 영역의 복합적인 상호작용으로 이루어집니다. 이러한 정보 전달의 핵심은 신경세포인 뉴런 사이의 틈새인 '시냅스'에 있습니다. 뉴런들은 서로 완전히 붙어 있지 않고 미세한 간격을 두고 떨어져 있는데, 이 공간을 가로질러 정보를 전달하기 위해 화학 물질이 필요합니다. 이것이 바로 신경전달물질입니다. 뇌 속에는 200여 가지 이상의 신경전달물질이 존재하며, 이들이 분비되고 수용체에 결합하는 과정을 통해 우리는 복잡한 정보를 처리하고 다양한 감정을 느끼며 행동하게 됩니다. 대표적인 신경전달물질로는 기억과 관련된 아세틸콜린, 즐거움과 동기부여를 담당하는 도파민, 감정 조절의 핵심인 세로토닌 등이 있습니다. 아세틸콜린의 수치 변화는 치매와 밀접한 관련이 있으며, 도파민은 중독이나 파킨슨병과 연관됩니다. 특히 도파민은 청소년기에 활발하게 분비되어 감정 변화를 주도하며, 나이가 들면서 점차 그 기능이 자연스럽게 감소하는 특성을 보입니다. 또한 현대인에게 익숙한 세로토닌은 걷기 운동이나 특정 음식 섭취를 통해 합성을 도울 수 있으며, 이러한 물질들의 균형은 우리의 정신 건강을 유지하고 일상적인 기분을 유지하는 데 결정적인 역할을 합니다. 사랑에 빠진 사람의 뇌를 기능적 자기공명영상(fMRI)으로 촬영해 보면 매우 흥미로운 변화가 관찰됩니다. 사랑하는 사람의 사진을 볼 때 뇌의 '보상 회로'인 복측 피개 영역이 강력하게 활성화되는데, 이는 마약을 했을 때 나타나는 반응과 유사한 양상을 보입니다. 반면 단순한 지인이나 좋아하는 연예인의 사진을 볼 때는 이러한 보상 회로가 같은 수준으로 반응하지 않습니다. 사랑이라는 감정은 단순히 마음의 문제가 아니라, 뇌가 특정 대상에 대해 강렬한 쾌락과 보상을 갈구하는 신경학적 상태임을 보여줍니다. 결국 우리가 느끼는 깊은 애착과 갈망도 뇌의 보상 회로가 만들어낸 결과물인 셈입니다. 뇌의 기능을 인위적으로 조절하여 질병을 치료하거나 상태를 개선하려는 시도도 계속되고 있습니다. 심각한 강박증 환자의 뇌에 전극을 심어 자극을 주는 '심부 뇌 자극술'은 약물로 해결되지 않는 증상을 호전시키는 데 사용됩니다. 최근에는 머리 표면에 미세한 전류를 흘려보내는 방식의 기기들도 등장하고 있습니다. 비록 일부 기술은 아직 과학적 검증 단계에 있지만, 뇌의 특정 부위를 자극함으로써 감정과 사고를 변화시킬 수 있다는 사실은 분명합니다. 미래에는 우울한 기분을 전기 자극으로 조절하는 시대가 올 수도 있으며, 이는 뇌 과학이 인류의 삶의 질을 바꾸는 중요한 열쇠가 될 것임을 시사합니다.

권준수

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뇌인지과학

[강연] 기억 찾기 (4) 패널토의 | 2016 봄 카오스 강연 '뇌 - Brain' 3강 | 3강 ④

유아기 뇌 발달과 교육의 관계는 많은 부모의 관심사입니다. 뇌과학에서는 특정 기능을 습득하기에 가장 적합한 '결정적 시기'가 존재한다고 설명합니다. 예를 들어 시각이나 언어 회로는 특정 시기에 적절한 자극을 받아야 정상적으로 발달하며, 이 시기를 놓치면 나중에 회복하기가 매우 어려울 수 있습니다. 하지만 동물을 대상으로 한 연구 결과를 인간의 조기 교육에 그대로 대입하는 것은 주의가 필요합니다. 인간의 학습은 훨씬 복잡하며, 정교하게 통제된 연구를 통해 각 기능에 맞는 적기 교육의 기준을 세우는 것이 중요합니다. 기억력을 높이기 위해 시각과 청각 등 여러 감각을 동시에 활용하는 것은 과학적 근거가 있습니다. 우리 뇌에서 시냅스가 강화되는 현상인 장기 강화(LTP)가 일어날 때, 다른 경로의 정보가 함께 입력되면 기억 형성을 돕는 시너지 효과가 발생합니다. 단순히 눈으로 읽는 것보다 손으로 쓰면서 외울 때 더 잘 기억되는 이유도 여기에 있습니다. 다양한 감각 정보가 뇌로 들어오면 신경세포 간의 연결이 더욱 단단해지며, 이는 정보를 더 효율적으로 저장하고 나중에 다시 인출하기 좋게 만드는 밑거름이 됩니다. 기억은 카메라처럼 세상을 그대로 기록하는 것이 아니라, 뇌 안에서 나름의 방식으로 재구성되는 과정입니다. 정보를 저장할 때 시각, 청각, 촉각 등 다양한 감각적 '문고리'를 만들어두면 나중에 이를 인출하기가 훨씬 수월해집니다. 특히 영장류인 인간은 뇌의 절반가량을 시각 정보 처리에 할애할 정도로 시각에 민감합니다. 따라서 기억 전문가들이 사용하는 장소법처럼 정보를 시각적 이미지와 결합해 저장하는 방식은 뇌의 특성을 가장 잘 활용하는 효율적인 전략이라 할 수 있으며, 이는 정보의 장기 보존에도 유리합니다. 최근 전자기기 사용 증가로 인한 '디지털 치매'에 대한 우려가 큽니다. 하지만 이는 전자파의 직접적인 영향이라기보다 정보를 대하는 태도와 감각의 단조로움에서 기인할 가능성이 큽니다. 종이책은 특유의 질감과 냄새 등 풍부한 감각 정보를 제공하지만, 디지털 매체는 시각적 자극에 치중되어 기억의 깊이가 얕아질 수 있습니다. 또한 언제든 검색이 가능하다는 심리적 안도감이 뇌의 기억 중요도를 낮추기도 합니다. 매체의 변화에 적응하는 것도 필요하지만, 뇌를 능동적으로 사용하여 정보를 내면화하는 습관이 중요합니다. 나이가 들면서 겪는 자연스러운 기억력 감퇴와 알츠하이머와 같은 치매는 엄연히 다른 현상입니다. 노화에 따라 단순 암기력은 줄어들 수 있지만, 판단력이나 종합적인 인지 능력은 80대 이후까지도 건강하게 유지될 수 있습니다. 유전적 요인이나 생활 습관에 따라 개인차는 존재하지만, 뇌를 지속적으로 자극하고 관리한다면 고령에도 높은 수준의 지적 활동이 가능합니다. 따라서 건망증을 무조건 치매의 전조로 보며 불안해하기보다는, 뇌의 고차원적인 기능을 믿고 꾸준히 독서나 대화 등을 통해 뇌 건강을 관리하는 자세가 필요합니다. 기억의 실체는 특정 단백질이나 물질이 아니라 신경세포 사이의 연결인 '시냅스 가소성'에 있습니다. 우리가 무언가를 기억할 때 뇌는 정보를 여러 조각으로 나누어 각기 다른 회로에 분산 저장합니다. 예를 들어 할머니에 대한 기억은 얼굴 모습, 목소리, 함께했던 추억 등이 뇌 전체에 퍼져 있다가, 회상하는 순간에 다시 하나로 조립됩니다. 이 과정에서 시냅스의 구조를 키우고 연결을 공고히 하기 위해 단백질 합성이 일어나는 것이며, 이러한 역동적인 연결망 자체가 바로 우리 기억의 본질이자 외부 저장 장치와 차별화되는 지점입니다. 건강한 삶을 위해서는 잘 기억하는 것만큼이나 잘 잊어버리는 '망각'의 조화가 필수적입니다. 모든 것을 기억하는 과잉 기억은 오히려 과거에 매몰되게 만들어 미래로 나아가는 발목을 잡을 수 있습니다. 반대로 모든 것을 잊는다면 자아의 정체성을 잃게 됩니다. 결국 기억과 망각 사이의 적절한 균형이 우리의 자아를 지탱하고 변화하는 세상에 적응하게 만드는 힘입니다. 과거를 발판 삼아 현재를 살아가고 미래를 설계하는 인간의 위대한 능력은 바로 이 기억의 메커니즘에서 비롯되며, 이는 우리가 개성을 가진 존재로 우뚝 서게 합니다.

강봉균, 김상정, 최준식

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[강연] 기억 찾기 (3) 패널토의 | 2016 봄 카오스 강연 '뇌 - Brain' 3강 | 3강 ③

트라우마는 뇌과학적 관점에서 우리가 피하고 싶은 불쾌한 경험이 기억으로 남은 상태를 의미합니다. 영화 '이터널 선샤인'처럼 특정 기억만을 선택적으로 지우는 것이 가능할지에 대한 연구는 이미 동물 실험 단계에서 유의미한 결과를 보여주고 있습니다. 특정 기억을 담당하는 신경세포(엔그램)만을 골라내어 억제함으로써 원하지 않는 공포 기억을 제거하는 방식입니다. 이러한 기술은 심각한 사고 후유증을 겪는 환자들에게 새로운 치료의 가능성을 제시하며, 이는 단순히 기억을 망각하는 것을 넘어 고통스러운 과거로부터 개인을 자유롭게 하는 의학적 진보의 시작이라 할 수 있습니다. 기억을 단순히 지우는 것을 넘어, 그 내용을 긍정적인 방향으로 변형시키는 연구도 진행되고 있습니다. 과거의 고통스러웠던 기억을 보상과 연결하여 간직하고 싶은 기억으로 전환하는 방식인데, 이는 일종의 '허구 기억'을 생성하는 과정이기도 합니다. 하지만 이러한 기술은 인간에게 적용될 때 심각한 윤리적 문제를 야기할 수 있습니다. 기억은 개인의 정체성을 형성하는 핵심 요소이기 때문입니다. 따라서 기술적 가능성과는 별개로, 기억의 수정과 삭제에 대한 사회적 합의와 엄격한 윤리적 기준 마련이 반드시 선행되어야 하며, 그 적용 범위에 대한 철저한 검증이 우리 사회의 중요한 과제로 남을 것입니다. 모든 것을 기억하는 '과잉기억증후군(Hyperthymesia)'은 부러움의 대상이 되기도 하지만, 당사자에게는 일종의 뇌 기능 이상으로 인한 고통이 될 수 있습니다. 이들의 뇌를 조사해 보면 기억을 담당하는 측두엽과 습관, 강박에 관여하는 미상핵이 일반인보다 비대해진 경우가 많습니다. 이로 인해 과거의 기억을 끊임없이 반추하는 강박적인 사고에 시달리거나, 세부 사항에 너무 집착한 나머지 전체적인 맥락을 파악하고 추상적인 판단을 내리는 고차원적 인지 능력이 오히려 떨어지는 부작용을 겪기도 합니다. 결국 모든 것을 기억한다는 것은 축복이라기보다 뇌가 정보를 처리하는 과정에서 발생하는 일종의 과부하 상태에 가깝다고 볼 수 있습니다. 기억력이 남다른 이들 중에는 감각 처리가 독특한 '공감각'을 가진 사례도 보고됩니다. 소리를 들을 때 동시에 특정 맛을 느끼거나 시각적 섬광을 경험하는 식인데, 이러한 강렬하고 복합적인 감각 경험이 기억을 더욱 생생하게 저장하는 데 기여합니다. 비록 현대 과학으로 그 정확한 기전을 완벽히 규명하기는 어렵지만, 여러 감각 경로가 섞이면서 발생하는 이러한 현상은 인간의 기억이 단순한 정보 저장을 넘어 얼마나 복잡한 신경망의 상호작용을 통해 이루어지는지를 잘 보여줍니다. 이러한 독특한 감각의 결합은 인간의 인지 세계가 얼마나 다채롭고 신비로운 방식으로 구성되어 있는지를 다시 한번 일깨워 줍니다. 일상에서 기억력을 높이는 가장 효과적인 방법 중 하나는 정서적인 자극을 활용하는 것입니다. 우리가 강렬한 감정을 느낄 때 분비되는 아드레날린과 같은 신경전달물질은 시냅스의 변화를 촉진하여 기억이 더 오랫동안 유지되도록 돕습니다. 이를 '시냅스 태깅' 현상이라고 하는데, 중요하지 않은 정보라도 정서적 고양 상태에서 입력되면 뇌가 이를 중요한 정보로 인식하여 장기 기억으로 전환할 가능성이 커집니다. 따라서 새로운 것을 배울 때 즐거움이나 호기심 같은 감정을 개입시키는 것은 과학적으로도 매우 타당한 전략이며, 감정은 우리가 세상을 배우고 기억하는 방식에 결정적인 영향을 미치는 생물학적 촉매제와 같습니다. 나이가 들면서 기억력이 감퇴하는 것은 시냅스 가소성이 점차 탄력을 잃기 때문입니다. 어린 시절에는 신경망이 매우 유연하여 새로운 정보를 빠르게 흡수하지만, 성인이 되면 단백질 합성 효율이 떨어지고 신호 전달 체계에 변화가 생기면서 기억의 효율이 낮아집니다. 그러나 모든 인지 기능이 동시에 퇴화하는 것은 아닙니다. 단순 암기 능력은 줄어들 수 있어도 언어 사용 능력이나 암묵적 기억은 노년기까지 비교적 잘 유지됩니다. 또한 반복 학습이나 정보 간의 연결 고리를 만드는 요령을 통해 이러한 생리적 퇴화를 보충할 수 있는 길이 충분히 열려 있으며, 끊임없는 학습은 뇌의 활력을 유지하는 가장 좋은 방법입니다. 기억이 단기 기억에서 장기 기억으로 넘어가기 위해서는 '공고화'라는 과정이 필수적입니다. 이 과정에는 반드시 새로운 단백질 합성이 수반되어야 하며, 해마에 잠시 머물던 정보가 신피질이라는 안전한 저장소로 이동해야 비로소 오래 지속되는 기억이 됩니다. 벼락치기 공부가 금방 잊히는 이유는 정보가 신피질로 넘어가지 못하고 해마에만 머물다 사라지기 때문입니다. 따라서 정보를 오랫동안 간직하기 위해서는 충분한 시간과 반복을 통해 뇌가 정보를 단단하게 굳힐 수 있는 여유를 주어야 합니다. 진정한 학습의 완성은 단순히 정보를 받아들이는 속도가 아니라, 그것을 얼마나 깊이 있게 내면화하고 공고히 하느냐에 달려 있습니다.

강봉균, 김상정, 최준식

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[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? (2) _ 김경진 교수 | 2016 봄 카오스 강연 '뇌 - Brain' 2강 | 2강 ②

생명체의 발생 과정은 경이로운 신비로 가득 차 있습니다. 초기 배아 시기의 물고기, 닭, 사람을 비교해 보면 전문가조차 구별하기 어려울 정도로 흡사한데, 이는 모든 생명체가 공통 조상에서 기원했음을 시사하는 강력한 형태학적 증거입니다. 특히 영장류의 진화 과정을 살펴보면 침팬지와 인간은 약 600만 년 전 공통 조상을 공유하며 갈라져 나왔습니다. 이러한 생물학적 역사는 인간이 만물의 영장으로 거듭나기까지 거쳐온 일련의 진화적 고리들을 보여주며, 뇌의 구조적 발달 또한 이러한 진화의 흐름 속에서 기존의 구조 위에 새로운 층이 덧씌워지는 방식으로 정교해졌음을 알 수 있습니다. 인간의 발생은 수정란에서 시작하여 정교하게 계획된 세포 분열 과정을 거칩니다. 난할을 통해 세포 수가 늘어나고 낭배 시기에 접어들면 외배엽, 중배엽, 내배엽이라는 세 개의 층이 형성됩니다. 이 중 가장 바깥쪽의 외배엽은 장차 표피와 신경계로 분화하며, 신경판이 말려 들어가 신경관을 형성함으로써 뇌와 척수의 기틀을 마련합니다. 임신 기간 동안 뇌는 크기가 커질 뿐만 아니라 전후 관계가 분명해지며 복잡한 모양을 갖추어 갑니다. 이러한 발생 과정은 유전적 프로그램에 의해 통제되지만, 여전히 현대 과학이 풀어야 할 수많은 수수께끼를 간직하고 있습니다. 인간의 뇌는 태어난 이후에도 멈추지 않고 끊임없이 변화하고 성장합니다. 출생 시 머리 크기가 제한적인 것은 산도를 통과하기 위한 진화적 타협의 결과이며, 본격적인 발달은 영유아기와 청소년기에 걸쳐 일어납니다. 특히 신경 세포의 신호 전달 속도를 높여주는 수초화 작업은 청소년기까지 지속되며, 시냅스의 형성과 불필요한 회로를 정리하는 가지치기 과정이 활발하게 진행됩니다. 이러한 뇌의 재축조 과정은 추론이나 이성적 판단과 같은 고차원적인 기능을 완성하는 데 필수적입니다. 따라서 성인이 되기까지의 뇌는 환경과 상호작용하며 역동적으로 변모하는 가소성의 결정체라 할 수 있습니다. 모든 신체 세포는 동일한 유전 정보를 가지고 있다는 유전체 등가성 원리를 따릅니다. 하지만 특정 부위에서 어떤 유전자가 발현되느냐에 따라 신경세포나 근육세포로 분화하는 운명이 결정됩니다. 언어 능력 또한 유전적 기초 위에 세워지는데, FOXP2와 같은 전사 조절 인자가 인간 특유의 언어 발달에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있습니다. 현대 과학은 MRI나 PET와 같은 첨단 영상 장비를 통해 살아있는 뇌의 활동을 실시간으로 관찰하며 언어, 감정, 사고가 뇌의 어느 부위에서 일어나는지 정밀하게 추적하고 있습니다. 이는 유전자와 뇌 기능 사이의 간극을 메우는 결정적인 열쇠가 됩니다. 뇌과학의 궁극적인 목표는 뇌를 통해 인간의 마음을 이해하는 것입니다. 최근에는 뇌의 신경망 지도를 그리는 커넥토믹스 연구가 활발히 진행되고 있으며, 이는 나노 스케일의 해상도로 신경 회로를 재구성하는 도전적인 과제입니다. '나는 누구인가'라는 존재론적 질문에 대해 뇌과학은 '나는 나의 커넥톰이다'라는 답변을 제시합니다. 즉, 우리의 기억, 성격, 마음은 뇌 속에 얽혀 있는 복잡한 신경 연결망에 저장되어 있다는 것입니다. 뇌 지도를 완성해 나가는 과정은 인간에 대한 이해를 넓히는 동시에, 미래 사회의 새로운 가치를 창출하는 고부가가치 기술 집약적 연구로서 그 중요성이 더욱 커지고 있습니다.

김경진

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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

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뇌인지과학

[강연] 기억 찾기 (1) _ 강봉균 교수 | 2016 봄 카오스 강연 '뇌 - Brain' 3강 | 3강 ①

우리 뇌는 무수히 많은 별이 반짝이는 밤하늘처럼 신비로운 우주와 같습니다. 인간의 삶에서 기억은 단순히 과거를 회상하는 도구를 넘어, 걷고 말하며 타인과 소통하는 모든 일상적 행위의 근간이 됩니다. 만약 우리에게 기억이 없다면 가족의 얼굴을 알아보지 못하는 것은 물론, 태어날 때부터 학습한 걸음마조차 잊어버려 정상적인 생활이 불가능해질 것입니다. 이처럼 뇌는 우리가 살아가는 매 순간 기억에 의존하며 작동하는 정교한 기관이며, 기억이 없다면 우리의 존재 자체도 정의하기 어려울 것입니다. 뇌는 기본적으로 전기 신호와 화학 신호의 원리로 작동하는 기관입니다. 측두엽, 두정엽, 전두엽 등 각 부위는 시각 및 청각 정보 처리부터 고차원적인 의사 결정까지 서로 다른 인지 기능을 담당합니다. 우리가 특정한 영상을 보거나 깊은 생각을 할 때마다 뇌의 특정 부위에서는 미세한 전기 신호가 발생하고 화학 물질이 분비됩니다. 이러한 전기 신호와 화학 신호의 상호작용을 통해 뇌는 외부 환경의 정보를 받아들이고 이를 처리하여 우리 몸의 반응을 이끌어냅니다. 특정 부위를 인위적으로 자극하면 인지 기능을 조절할 수 있다는 점은 뇌가 물리적 실체임을 보여줍니다. 뇌 속에는 약 1,000억 개의 뉴런이 존재하며, 이들은 각자 고유한 전기 신호인 활동 전위를 만들어냅니다. 심장 세포들이 일제히 박동하며 합창을 하는 것과 달리, 뇌세포들은 각기 다른 리듬으로 신호를 내보내며 마치 오케스트라의 교향곡과 같은 복잡한 조화를 이룹니다. 이러한 뉴런들은 서로 촘촘하게 연결되어 거대한 신경 회로망을 형성합니다. 우리가 누군가의 이름을 떠올리려 할 때 이 회로가 원활하게 작동해야 비로소 온전한 정보를 끄집어낼 수 있게 됩니다. 만약 이 회로가 일시적으로 막히면 잘 아는 이름도 기억나지 않는 현상이 발생하기도 합니다. 뉴런과 뉴런이 만나는 지점인 시냅스는 기억이 저장되는 핵심적인 장소입니다. 이곳에서는 글루탐산과 같은 신경 전달 물질이 분비되어 정보를 전달하며, 흥분성과 억제성 시냅스가 균형을 이루어 뇌의 정상적인 운영을 돕습니다. 특히 시냅스 가시의 크기와 형태는 학습에 의해 역동적으로 변화하는데, 이를 '시냅스 가소성'이라고 부릅니다. 학습을 통해 시냅스 연결이 강화되거나 변형되는 과정 자체가 바로 우리 뇌에 기억이 새겨지는 물리적인 실체라고 할 수 있습니다. 1,000조 개에 달하는 시냅스의 변화가 곧 우리의 학습과 기억의 역사가 되는 셈입니다. 기억은 크게 말로 표현할 수 있는 서술 기억과 몸으로 익히는 비서술 기억으로 나뉩니다. 서술 기억은 뇌의 해마를 중심으로 처리되며, 우리가 경험한 사건이나 지식을 저장하는 역할을 합니다. 해마가 손상되면 새로운 사실을 기억하지 못하는 장애가 발생하기도 하는데, 이는 해마가 새로운 기억을 형성하는 관문임을 시사합니다. 반면 운동 기술과 같은 비서술 기억은 소뇌나 기저핵 등 다른 부위에서 담당하며 반복적인 훈련을 통해 습득됩니다. 이처럼 뇌는 기억의 성격에 따라 저장 위치를 달리하고 효율적으로 관리하며 인간의 다채로운 지적 활동을 뒷받침합니다.

강봉균

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뇌인지과학

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

생명체의 기본 단위가 세포이듯, 우리 뇌와 신경계를 구성하는 핵심 단위는 신경 세포인 뉴런입니다. 뉴런은 일반적인 세포와 달리 수상 돌기와 축삭 돌기라는 독특한 구조를 통해 전기 신호를 주고받으며 복잡한 그물망을 형성합니다. 인간의 뇌에는 약 1,000억 개의 뉴런이 존재하며, 이들이 만나는 지점인 시냅스는 무려 100조 개에 달합니다. 이러한 방대한 연결망을 '커넥톰'이라 부르는데, 이는 단순한 생물학적 구조를 넘어 우리의 자아와 정체성을 규정하는 중요한 지도가 됩니다. 식물과 달리 동물이 뇌를 갖게 된 결정적인 이유는 바로 '움직임'에 있습니다. 진화의 과정에서 동물은 생존을 위해 더 효율적이고 복잡하게 움직여야 했고, 이를 통제하기 위해 신경계가 발달했습니다. 감각 기관이 머리 쪽으로 집중되면서 신경절이 진화하여 오늘날의 뇌가 형성된 것입니다. 결국 뇌는 외부 환경에서 오는 다양한 감각 신호를 통합하고, 그에 맞는 적절한 운동 명령을 내리기 위해 탄생한 고도의 통제 센터라고 할 수 있습니다. 인간의 뇌는 크게 뇌간, 간뇌, 소뇌, 대뇌로 구분되며 각자 고유한 역할을 수행합니다. 가장 아래쪽의 뇌간은 호흡과 순환 등 생명 유지의 기본을 담당하며, 소뇌는 운동 조절과 자전거 타기 같은 절차적 기억을 관리합니다. 간뇌는 마치 컴퓨터의 라우터처럼 감각과 운동 정보를 분류하여 전달하고 우리 몸의 항상성을 유지합니다. 이들은 마치 하나의 축구 팀처럼 유기적으로 협력하며 우리가 의식하지 못하는 순간에도 생존을 위한 최적의 상태를 만들어냅니다. 뇌의 80%를 차지하는 대뇌는 감정의 뇌인 변연계와 사고의 뇌인 대뇌 피질로 나뉩니다. 해마와 편도체가 포함된 변연계는 과거의 기억에 감정을 입혀 저장함으로써 위험으로부터 우리를 보호합니다. 반면 대뇌 피질은 이러한 정보를 바탕으로 미래의 전략을 세우고 행동을 결정합니다. 뇌간이 현재의 생존을 조율한다면, 대뇌는 과거와 미래를 연결하여 생존 전략을 확장합니다. 이러한 확장의 과정에서 비로소 인간 특유의 의식과 자아가 탄생하게 됩니다. 진화론적 관점에서 뇌의 존재 이유는 더욱 명확해집니다. 단세포 생물인 박테리아는 뇌 없이도 화학 주성을 통해 먹이를 찾지만, 다세포 생물인 해파리는 전신을 동시에 수축시키기 위해 최초의 신경 그물을 만들었습니다. 더 나아가 좌우 대칭 구조를 가진 편형동물은 3차원적인 이동을 위해 신경 세포가 모인 신경절을 발달시켰습니다. 움직임이 필요 없는 성체 멍게가 뇌를 퇴화시키는 사례는, 뇌가 환경 정보를 분석하여 목적 있는 이동을 수행하기 위해 존재한다는 사실을 강력하게 뒷받침합니다.

신희섭

카오스재단카오스강연

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