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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.

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[강연] 뇌 커넥톰, 마음을 볼 수 있을까? (1) _ by이준호 | 2017 가을 카오스 강연 '미래과학' 3강 | 3강 ①

뇌는 수많은 신경세포가 복잡하게 얽혀 있는 거대한 네트워크입니다. 이를 '커넥톰'이라 부르는데, 이는 유전체의 총합인 게놈처럼 신경세포 연결의 총합을 의미합니다. 뇌의 모든 기능은 이 정교한 연결망에서 비롯되며, 그 구조는 마치 하나의 예술 작품처럼 아름답고도 심오합니다. 인간의 뇌에는 약 1,000억 개의 신경세포(뉴런)가 존재하며, 이들이 만들어내는 무한한 연결은 우리의 사고와 감정을 결정짓는 핵심적인 토대가 됩니다. 과학자들은 이 복잡한 연결망을 해독함으로써 인간의 마음이 어떻게 작동하는지 밝혀내고자 노력하고 있습니다. 뇌과학 연구에서 '예쁜꼬마선충'은 매우 특별한 위치를 차지합니다. 이 생물은 뇌라고 부르기엔 너무나 단순한 신경계를 가지고 있지만, 지구상에서 신경세포의 연결망인 커넥톰이 완벽하게 밝혀진 유일한 동물이기 때문입니다. 비록 인간의 뇌처럼 복잡한 마음을 가지지는 않았을지라도, 단순함 속에서 생명의 근본적인 원리를 찾으려는 과학자들에게는 가장 완벽한 실험 모델이 되어줍니다. 20년 넘게 이 작은 생명체를 연구해온 과학자들은 이를 통해 뇌의 비밀에 한 걸음 더 다가서고 있으며, 이는 더 복잡한 고등 생물의 뇌를 이해하는 초석이 됩니다. 노벨 생리의학상 수상자인 프랜시스 크릭은 인간의 의식이라는 미지의 영역에 평생을 바쳤습니다. 그는 '놀라운 가설'이라는 저서를 통해 우리의 즐거움, 슬픔, 기억, 그리고 자유의지조차도 결국 수많은 신경세포와 그 속에 들어 있는 분자들의 복잡한 연합의 결과라고 주장했습니다. 이는 마음이라는 추상적인 개념을 물리적인 뇌의 활동으로 치환하여 이해하려는 시도였습니다. 비록 당시에는 증명되지 않은 가설에 불과했지만, 현대 뇌과학은 정교한 기술을 통해 이 가설을 입증하기 위해 끊임없이 도전하며 의식의 실체를 추적하고 있습니다. 현대 기술은 우리가 무엇을 보고 생각하는지를 뇌 영상을 통해 읽어내는 수준에 도달했습니다. 기능적 자기공명영상법(fMRI)은 뇌의 혈류 변화를 측정하여 특정 부위의 활성도를 파악합니다. 이를 통해 사람이 보고 있는 사물이나 풍경을 뇌 신호만으로 재구성하는 것이 가능해졌습니다. 심지어 잠자는 동안의 뇌 활동을 분석하여 꿈의 내용을 영상화하려는 시도까지 이어지고 있으며, 이는 마음을 읽는 시대가 머지않았음을 시사합니다. 이러한 기술적 진보는 인간의 내면세계를 시각적으로 확인하는 놀라운 경험을 선사합니다. 하지만 현재의 MRI 기술에는 명확한 한계가 존재합니다. 약 1mm 정도의 해상도로는 수만 개의 신경세포가 뭉쳐 있는 덩어리만을 볼 수 있을 뿐, 개별 신경세포(뉴런)가 어떤 역할을 수행하는지 정밀하게 파악하기 어렵기 때문입니다. 뇌의 진정한 비밀을 풀기 위해서는 더 높은 해상도의 기술이 필요하며, 이는 현대 과학이 당면한 가장 큰 과제 중 하나입니다. 기술의 진보가 뒷받침될 때 비로소 우리는 뇌의 가장 깊숙한 곳까지 들여다볼 수 있는 열쇠를 얻게 될 것이며, 이는 뇌의 기능을 세포 단위에서 이해하는 출발점이 될 것입니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 등장한 혁신적인 기술 중 하나가 바로 '광유전학'입니다. 이는 신경세포에 빛에 반응하는 단백질을 도입하여, 특정 파장의 빛을 쬐어줌으로써 신경세포(뉴런)의 활성을 자유자재로 조절하는 방법입니다. 전기나 화학적 신호 대신 빛을 이용하기 때문에 원하는 시간에 원하는 세포만을 정밀하게 자극할 수 있습니다. 이 기술을 통해 과학자들은 단일 신경세포 수준에서 뇌의 기능을 분석하고, 특정 행동이나 감정이 유발되는 메커니즘을 규명해 나가고 있습니다. 이는 뇌 질환 치료와 인간 행동 이해에 새로운 지평을 열어주고 있습니다. 뇌의 복잡한 구조를 입체적으로 파악하기 위한 또 다른 돌파구는 뇌를 투명하게 만드는 기술입니다. 불투명한 세포막 성분을 특수한 화학 물질로 치환하면, 뇌를 얇게 자르지 않고도 내부의 신경망 연결 상태를 고해상도로 관찰할 수 있습니다. 이처럼 투명해진 뇌는 마치 지도를 보듯 신경세포 하나하나의 경로를 추적할 수 있게 해줍니다. 이러한 첨단 기술들의 융합은 인간의 마음과 뇌의 관계를 이해하려는 인류의 오랜 꿈을 현실로 바꾸어 놓을 것입니다. 우리는 이제 뇌라는 소우주를 탐험하며 마음의 실체에 그 어느 때보다 가까이 다가가고 있습니다.

이준호

카오스재단카오스강연

생명과학
뇌인지과학

[강연] 자아의 탄생 : 나를 의식하는 나 (2) _ 강웅구 교수 | 2016 봄 카오스 강연 '뇌 - Brain' 5강 | 5강 ②

의식의 가장 핵심적인 속성 중 하나는 '감각질(Qualia)'이라 불리는 주관적 체험입니다. 이는 현재 내가 느끼는 현실 전체에 대한 고유한 느낌을 의미하며, 철저히 1인칭 시점에서만 존재합니다. 이러한 주관적 성질 때문에 의식은 타인에게 직접 전달하거나 방송할 수 없어 자연과학의 탐구 대상이 되기 어렵다는 비판을 받기도 합니다. 하지만 서로 다른 감각질을 느끼더라도 같은 대상에 대해 동일한 언어적 합의를 이룬다면, 이를 '상호주관성'이라는 측면에서 객관적인 탐구의 대상으로 삼을 수 있습니다. 의식의 또 다른 중요한 특징은 '지향성(Intentionality)'입니다. 이는 의식이 항상 무엇인가를 향하고 있다는 '대상성(Aboutness)'을 의미합니다. 우리가 무언가를 지각하거나 기억을 떠올릴 때, 혹은 미래의 행동을 계획할 때 의식은 반드시 구체적인 내용이나 대상을 가집니다. 그 대상은 외부 환경일 수도 있고, 환경 속에서 존재하는 나 자신이나 의식하는 주체로서의 나일 수도 있습니다. 이처럼 의식은 결코 텅 빈 상태로 존재하지 않으며 늘 무언가에 관한 상태를 유지합니다. 인간의 정신 기능은 다양한 모듈 구조로 이루어져 있으며, 의식은 이러한 여러 기능이 복합적으로 참여하여 형성됩니다. 시각과 청각 같은 기초적인 감각 모듈부터 타인의 마음을 추론하는 '마음 이론(Theory of Mind)'에 이르기까지, 생물학적 진화와 발달 단계에 따라 의식의 복합성은 달라집니다. 예를 들어 5세 이상의 아이는 '마음 이론(Theory of Mind)' 기능을 갖추게 되어 더욱 고차원적인 의식의 재료를 확보하게 됩니다. 결국 의식의 범위와 수준은 해당 개체가 어떤 정신적 모듈을 얼마나 정교하게 갖추고 있느냐에 따라 결정된다고 볼 수 있습니다. 뇌의 각 부위가 모양, 색깔, 움직임을 따로 처리함에도 불구하고 우리는 이를 하나의 통합된 대상으로 인식합니다. 이러한 '지각 연합(Binding)'과 '통합성'은 의식의 신비로운 특징 중 하나입니다. 파편화된 정보들을 하나로 묶어 '통합성'을 부여하는 역할은 주로 무의식의 영역에서 수행됩니다. 무의식은 다양한 정보 처리를 거쳐 완성된 결과물을 의식에 바치며, 우리는 이를 통해 '나'라는 일관된 자아를 유지합니다. 만약 이 '지각 연합(Binding)' 과정에 문제가 생기면 여러 대상을 동시에 인식하지 못하는 병적인 상태가 나타나기도 합니다. 리벳의 실험은 우리가 결심을 내리기 전 이미 뇌에서 준비 전위가 나타난다는 사실을 밝혀내며 자유의지에 대한 논쟁을 불러일으켰습니다. 이는 의식적인 의도가 행위의 직접적인 원인이 아닐 수도 있음을 시사합니다. 실제로 우리 몸은 의식이 인지하지 못하는 자극에도 공포 반응을 보이거나, 운전처럼 숙달된 행위를 무의식적으로 수행하기도 합니다. 하지만 의식이 모든 정보 처리에 개입하지 않는다고 해서 그 가치가 부정되는 것은 아닙니다. 의식은 본능적 반응을 억제하거나 복잡한 상황에서 선택을 내리는 등 고차원적인 조절 기능을 수행하기 때문입니다.

강웅구

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