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[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

[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

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

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

이상훈

카오스재단연구뭐하지

뇌인지과학

[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

[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

카오스재단카오스강연

뇌인지과학

[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] 과학이 말하는 인류의 기원은?!ㅣ기원 릴레이 - '모든 것의 기원' 4편_ 인류, 뇌, 지능과 의식(정신)

인류가 침팬지 및 보노보의 공통 조상으로부터 갈라져 나온 시기는 대략 500만 년에서 800만 년 전 사이로 추정됩니다. 흥미로운 점은 이 결정적인 분기점에 해당하는 공통 조상의 화석이 아직 단 하나도 발견되지 않았다는 사실입니다. 학자들은 화석의 부재를 이론적 추론과 상상력으로 채워가고 있으며, 주로 서식지의 분리나 생식적 격리가 새로운 계통의 탄생을 이끌었을 것으로 보고 있습니다. 유전자가 섞이지 않는 환경적 변화가 인류 진화의 첫 단추를 끼운 셈입니다. 진화의 여정은 나무 타기와 두 발 걷기를 병행하던 아르디피테쿠스를 거쳐 오스트랄로피테쿠스로 이어졌습니다. 약 200만 년 전, 기후 변화와 같은 위기 속에서 인류의 조상은 두 갈래 길을 선택했습니다. 식물성 먹이에 집중한 파란트로푸스와 달리, 사바나에서 고기와 지방질을 섭취하며 생존한 이들이 바로 호모속의 시초가 되었습니다. 이후 등장한 호모 에렉투스는 아프리카를 넘어 유럽과 아시아로 확산하며 인류의 영토를 넓혔고, 이는 훗날 호모 사피엔스가 등장하는 기초가 되었습니다. 뇌의 기원을 특정 시점으로 단정하기는 어렵지만, 신경세포의 등장을 그 시작으로 볼 수 있습니다. 전기 신호를 통해 세포 간 정보를 전달하는 신경세포는 다세포 생물이 복잡한 신체 기능을 조절하기 위해 반드시 필요한 장치였습니다. 몸이 정교해질수록 이를 관장하는 중앙 통제 기구의 출현은 필연적인 법칙과도 같았습니다. 하지만 뇌가 없는 박테리아나 식물 또한 각자의 방식으로 생존 문제를 해결한다는 점을 고려하면, 뇌는 생명체가 환경에 적응하기 위해 선택한 여러 전략 중 하나임을 알 수 있습니다. 뇌는 기본적으로 움직이는 동물에게만 존재하는 기관입니다. 세상을 돌아다니며 유용한 자원과 먹잇감을 탐색하는 과정에서 뇌의 역할은 더욱 중요해졌습니다. 특히 인간의 뇌는 단순한 생존을 넘어 강한 호기심을 바탕으로 발달해 왔습니다. 새로운 사물을 탐색하고 이를 유용하게 활용하려는 지적 욕구가 뇌의 크기를 키우고 기능을 고도화하는 원동력이 된 것입니다. 신체의 형태가 복잡해짐에 따라 뇌도 그에 걸맞은 명령을 내릴 수 있도록 상호작용하며 진화해 온 결과라 할 수 있습니다. 과학적 관점에서 지능은 문제를 해결하는 능력으로 정의될 수 있습니다. 정신이나 의식 같은 주관적인 개념과 달리, 지능은 생명체가 환경에서 얼마나 성공적으로 살아남아 번식하는지를 통해 객관적으로 판단이 가능하기 때문입니다. 물론 과학이 우주의 존재 이유나 의식의 본질 같은 근원적인 질문에는 여전히 무능할 수 있지만, 생존을 위한 해법을 찾아가는 과정으로서의 지능 연구는 인류를 이해하는 핵심 열쇠가 됩니다. 결국 뇌와 지능은 생명이라는 거대한 수수께끼를 풀어나가는 가장 강력한 도구입니다.

김대수, 서민아, 이대열, 이상희

카오스재단릴레이 인터뷰

생명과학
뇌인지과학

[카오스 술술과학] 머리 큰 사람은 머리가 좋을까?

흔히 머리가 크면 지능이 높을 것이라고 생각하지만, 과학적으로 머리의 절대적 혹은 상대적 크기가 지능을 결정한다는 가설은 설득력이 부족합니다. 코끼리는 인간보다 훨씬 큰 뇌를 가졌음에도 지능이 더 높지 않으며, 몸집 대비 머리 크기가 큰 다람쥐 역시 인간의 지능을 뛰어넘지 못합니다. 따라서 단순히 뇌의 부피나 신체 대비 비율만으로 지능을 판단하기에는 무리가 있습니다. 다만 영장류 중에서 인간의 뇌 용량이 유독 커진 과정에는 진화론적인 특별한 이유가 숨어 있을 것이라는 분석이 지배적입니다. 인간의 뇌가 침팬지보다 약 2.5배나 커진 이유는 기후 변화와 같은 환경적 요인보다 복잡한 인간관계에 대응하기 위함이라는 가설이 있습니다. 타인의 마음을 읽고 의도를 간파하며, 때로는 속임수에 대처하는 사회적 능력이 생존의 핵심이 되었기 때문입니다. 이를 '마키아벨리 가설'이라 부르는데, 사회적 관계를 유지하기 위한 지능의 필요성이 뇌 용량의 증가로 이어졌음을 시사합니다. 즉, 인간의 커다란 머리는 우리가 고도의 사회적 동물로 진화해 온 과정에서 얻게 된 소중한 결과물이라고 볼 수 있습니다. 최근 뇌과학계에서는 지능의 핵심을 뇌의 외형적 특징이 아닌 '신경 효율성'에서 찾고 있습니다. 신경 효율성이란 적은 자원으로도 고차원적인 정보를 처리하는 능력을 의미하며, 이는 뇌 영역 간의 연결망이 얼마나 단단하고 원활하게 구축되어 있는지에 달려 있습니다. 특정 정보를 인지하고 반응하는 과정에서 서로 다른 뇌 부위들이 빠르게 소통할수록 지능이 높게 나타납니다. 따라서 평소 쓰지 않던 뇌 영역을 자극하여 새로운 연결고리를 만드는 습관을 들인다면, 뇌의 물리적 크기와 상관없이 지능을 더욱 발달시킬 수 있습니다.

카오스재단술술과학

뇌인지과학
융합

[석학인터뷰] 김대수 ─ 자유의지를 뇌과학으로 어떻게 설명할까요? | 2019 봄 카오스강연 '기원, 궁극의 질문들'

어린 시절 쥐를 잡으러 산과 들을 누비던 호기심은 현대 뇌과학 연구의 중요한 밑거름이 되었습니다. 연구진은 동물이 특정 사물에 강한 관심을 보이는 이유를 탐구한 끝에 뇌 속에서 '호기심 신경 회로'를 발견했습니다. 이 신경 회로를 자극하면 동물은 눈앞의 물건을 집요하게 쫓게 되는데, 여기에 블루투스 기술을 접목하여 동물의 이동 경로를 원격으로 제어하는 '마이다스(MIDAS)' 기술을 개발했습니다. 이는 이론적으로 모든 동물의 행동을 조종할 수 있는 가능성을 열어주며 뇌과학의 새로운 지평을 제시합니다. 뇌과학의 발전은 인간의 자유의지에 대한 근본적인 질문을 던지게 합니다. 비록 뇌 안에는 자유의지 없이도 설명 가능한 수많은 기전이 존재하지만, 스스로 의사결정을 내리는 듯한 현상은 분명히 관찰됩니다. 연구자들은 이러한 현상이 일어나는 구체적인 기전을 밝혀내기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다. 만약 우리에게 자유의지가 전혀 없다면 뇌과학이라는 학문은 그 흥미를 잃게 될지도 모릅니다. 따라서 자유의지의 실체를 규명하려는 시도는 인간 존재의 본질을 이해하려는 희망적인 여정이라고 할 수 있습니다. 우리가 살아가는 세상에는 생존에 필수적인 자원부터 생명을 위협하는 위험 요소까지 수많은 사물이 존재합니다. 뇌는 이러한 외부 자극을 정교하게 인식하고 그에 적합한 행동을 즉각적으로 만들어내며 환경에 최적화된 방식으로 적응해 왔습니다. 이러한 적응 과정은 인간이 현재의 복잡한 뇌 구조를 갖게 된 결정적인 이유가 됩니다. 결국 뇌의 기능을 이해하는 것은 우리가 세상을 어떻게 인지하고 반응하는지에 대한 근본적인 해답을 찾는 과정이며, 이는 인간 행동의 본질을 파악하는 핵심적인 열쇠가 될 것입니다.

김대수

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생명과학
뇌인지과학

[카오스 술술과학] 뇌의 기원, '카오스 브레인 오디세이' 시작

뇌의 존재 이유를 이해하기 위해서는 생물학적 진화의 관점에서 접근해야 합니다. 식물에게 동물과 같은 뇌가 없는 이유는 그들이 움직이지 않기 때문입니다. 반면, 멍게는 유충 시절 바닷속을 헤엄칠 때는 뇌를 가지고 있지만, 성체가 되어 바위에 정착하면 자신의 뇌를 스스로 소화해 버립니다. 더 이상 움직일 필요가 없어지자 에너지를 많이 소모하는 뇌를 유지할 이유가 사라진 것입니다. 이처럼 뇌는 본래 생명체가 외부 환경에 대응하여 운동하기 위해 진화한 결과물이라고 볼 수 있습니다. 운동의 복잡성이 증가함에 따라 신경계 역시 정교해졌습니다. 해파리와 같은 단순한 생물은 위아래라는 제한적인 움직임에 머물러 신경 조직이 매우 단순합니다. 하지만 플라나리아와 같은 편형동물에 이르면 앞뒤, 좌우를 포함한 3차원적 운동이 가능해지며 뇌의 전신인 신경절이 나타나기 시작합니다. 복잡한 공간 속에서 신체를 조율하고 효율적으로 이동하기 위해 더 높은 수준의 정보 처리가 필요해진 것입니다. 이러한 운동의 내면화 과정이 결국 본격적인 뇌의 탄생을 이끌었습니다. 인간의 뇌는 단순히 움직이는 것을 넘어, 더 잘 움직이기 위해 감정과 이성을 발달시켰습니다. 생존에 유리한 행동을 유도하는 감정의 변연계가 생겨났고, 이를 적절히 통제하기 위해 이성을 담당하는 대뇌피질이 그 위를 감싸게 되었습니다. 이 과정에서 욕망하는 자아와 이를 조절하는 자아가 충돌하며 우리가 '마음'이라 부르는 복잡한 내면세계가 형성되었습니다. 결국 뇌는 생존을 위한 도구에서 시작하여, 이제는 인간의 행동과 의지를 주도하는 우리 존재의 핵심적인 주인이 된 것입니다.

카오스재단술술과학

뇌인지과학

[강연] 인공근육 : 애벌레에서 아이언맨 수트까지 (1) _ by박문정 | 2017 가을 카오스 강연 '미래과학' 6강 | 6강 ①

인공근육은 단순한 기계 장치를 넘어 인간의 삶을 근본적으로 변화시킬 수 있는 미래 과학의 핵심 분야입니다. 특히 선천적 혹은 후천적 장애로 인해 신체적 불편함을 겪는 이들에게 새로운 가능성을 열어준다는 점에서 그 가치가 매우 큽니다. 과학자들은 단순히 기술적인 진보만을 추구하는 것이 아니라, 누군가의 삶이 더 윤택해질 수 있도록 돕는 따뜻한 과학을 실천하고자 노력합니다. 이러한 진심 어린 연구 동기는 인공근육 기술이 애벌레와 같은 자연의 생명체에서 영감을 얻어 아이언맨 슈트와 같은 혁신적인 결과물로 나아가는 원동력이 됩니다. 자연은 로봇 공학자들에게 가장 훌륭한 스승입니다. 예를 들어 애벌레의 움직임을 자세히 관찰해 보면, 단순히 몸을 굽히는 것이 아니라 가슴다리와 배다리의 역할을 철저히 분담하여 효율적인 추진력을 얻는다는 사실을 알 수 있습니다. 배다리는 표면에 단단히 고정되는 역할을 하고, 가슴다리는 방향을 설정하며 전진하는 방식입니다. 이러한 생물학적 메커니즘을 로봇에 적용하면 기존보다 절반의 에너지만으로도 뛰어난 기동성을 확보할 수 있습니다. 이는 관절이 없는 유연한 소재 기반의 소프트 로봇이 나아가야 할 중요한 방향성을 제시해 줍니다. 현재의 로봇 기술은 뇌의 전기 신호를 직접 받아 인공 팔을 움직이는 수준까지 도달했습니다. 하지만 금속 소재로 만들어진 기존의 인공 팔은 무거운 무게와 높은 제작 비용, 그리고 외부 충격에 취약하다는 한계를 지니고 있습니다. 특히 어린이나 노약자가 사용하기에는 부피가 크고 정교한 모터 시스템이 부담스러울 수밖에 없습니다. 이러한 문제점들은 딱딱한 금속 대신 인간의 생체 근육과 유사한 유연한 소재를 활용해야 할 필요성을 역설합니다. 가볍고 충격을 흡수하며 사람의 움직임을 자연스럽게 모사할 수 있는 인공근육 소재의 개발이 시급한 이유입니다. 미래 로봇의 핵심인 소프트 로봇은 관절이 없고 부드러운 소재로만 구성되어 자연스러운 움직임을 구현합니다. 과학자들은 불가사리나 문어와 같은 생물의 유연성을 모사하여, 거추장스러운 모터 없이도 전기를 받으면 즉각적으로 반응하는 시스템을 연구하고 있습니다. 인공근육 소재 자체가 구동기 역할을 수행하므로 전체적인 구조가 단순해지고 생체 적합성 또한 높아집니다. 이러한 기술은 단순히 로봇의 외형을 바꾸는 것을 넘어, 로봇이 인간과 더 안전하고 밀접하게 상호작용할 수 있는 환경을 조성하며 다양한 산업 분야에서 혁신적인 변화를 예고하고 있습니다. 소프트 로봇을 움직이는 주요 동력원 중 하나는 공기압입니다. 탄성 고분자 소재 내부에 정교한 패턴을 설계하고 공기를 주입하면, 특정 부위가 팽창하거나 수축하면서 마치 생명체의 근육처럼 움직이게 됩니다. 공기는 질량 대비 출력 효율이 매우 뛰어나기 때문에 가벼운 소재만으로도 강력한 힘을 낼 수 있는 장점이 있습니다. 비록 정밀한 제어나 뼈대 역할을 하는 지지력 확보라는 과제가 남아있지만, 공기압 기반의 구동 시스템은 산업용 그리퍼부터 재활 보조 기구에 이르기까지 폭넓게 활용될 수 있는 잠재력을 지니고 있어 지속적인 연구가 이루어지고 있습니다. 인공근육 기술은 의료 분야에서도 획기적인 변화를 가져올 수 있습니다. 대표적인 예가 유연한 소재를 활용한 내시경 로봇입니다. 기존의 딱딱한 내시경은 굴곡진 장기를 통과할 때 벽면을 자극하여 환자에게 큰 통증을 유발하지만, 문어의 촉수를 모사한 소프트 로봇은 장기의 형태에 맞춰 부드럽게 삽입될 수 있습니다. 이는 환자의 고통을 획기적으로 줄여줄 뿐만 아니라 수술 중 발생할 수 있는 천공 위험을 최소화하는 데 기여합니다. 부드러움과 정교함을 동시에 갖춘 의료용 소프트 로봇은 미래 의학의 질을 한 단계 높여줄 중요한 기술적 자산이 될 것입니다. 소프트 로봇의 유연함은 때로 지지력 부족이라는 단점이 되기도 하지만, '재밍 트랜지션' 현상을 이용하면 이를 해결할 수 있습니다. 입자들 사이의 공기를 제거하여 입자를 단단하게 결합시키는 이 원리를 적용하면, 평소에는 부드럽던 로봇이 필요할 때만 순식간에 딱딱하게 변할 수 있습니다. 이를 통해 복잡한 형태의 물체를 안정적으로 잡거나 수술 시 필요한 지지력을 확보하는 것이 가능해집니다. 저렴한 소재와 스마트한 제어 기술이 결합된 이러한 인공근육 로봇은 우리 일상 곳곳에서 인간을 돕는 든든한 동반자로서 그 역할을 다하게 될 것입니다.

박문정

카오스재단카오스강연

물리학
화학

[강연] 단백질 : 3차원의 마술사 (4) 김성훈 교수 | 2017 봄 카오스강연 '물질에서 생명으로' 4강 | 4강 ④

우리 몸은 수십 조 개의 세포로 이루어진 거대한 유기체입니다. 이 세포들을 구성하고 기능을 수행하게 만드는 핵심 물질은 바로 단백질입니다. 인체의 약 40%를 차지하는 단백질은 생명 현상을 실질적으로 이끌어가는 주역이라 할 수 있습니다. 물리학자가 숫자의 정밀함에 집중한다면, 생물학자는 생명이 가진 유연성과 조화에 주목합니다. 이러한 관점에서 단백질은 우리 몸의 구조를 형성할 뿐만 아니라, 끊임없이 변화하며 생명 활동을 이어가는 역동적인 기초가 됩니다. 생명체 내의 세포는 끊임없이 재생되지만, 모든 부위가 같은 방식으로 회복되는 것은 아닙니다. 혈액 세포처럼 활발하게 다시 만들어지는 부분이 있는 반면, 신경세포처럼 한 번 손상되면 재생이 어려운 조직도 존재합니다. 이러한 재생의 한계를 극복하기 위해 현대 과학은 줄기세포 연구에 매진하고 있습니다. 특히 척수 마비와 같은 신경 손상을 회복시키려는 노력은 생명의 연속성을 확보하려는 인류의 의지를 보여줍니다. 재생 가능한 영역과 그렇지 못한 영역을 이해하는 것은 우리 몸을 보호하는 첫걸음입니다. 인간 게놈 프로젝트를 통해 밝혀진 유전자의 수는 약 2만 개에서 2만 5천 개 사이입니다. 하지만 우리 몸에서 실제로 활동하는 단백질의 종류는 100만 가지가 넘습니다. 유전자 수와 단백질 수 사이의 이 거대한 차이를 'N-패러독스'라고 부릅니다. 이는 설계도인 DNA의 정보보다 실제 현장에서 일어나는 변화가 훨씬 더 복잡하고 다양함을 의미합니다. 생명은 단순히 고정된 정보를 복제하는 과정이 아니라, 주어진 정보를 바탕으로 무수히 많은 가능성을 창조해 나가는 예술적인 과정이라 할 수 있습니다. 단백질의 다양성은 유전자가 결정된 이후에 일어나는 역동적인 변화에서 기인합니다. 하나의 유전자에서 만들어진 단백질이라도 인산화, 아세틸화, 메틸화와 같은 다양한 단백질 변형 과정을 거치며 수백 가지의 다른 형태와 기능을 갖게 됩니다. 이러한 단백질 변형은 유전자가 직접 조절하지 않는 영역으로, 생명체가 환경에 적응하고 복잡한 기능을 수행할 수 있게 하는 핵심 기작입니다. 아미노산 서열이라는 기본 틀 위에 덧입혀지는 이러한 변화들이 모여 생명의 경이로운 복잡성을 완성하게 됩니다. 생명체를 구성하는 거대 고분자에는 네 가지 핵심 요소가 있습니다. 유전 정보를 담은 핵산, 기능을 수행하는 단백질, 에너지원이 되는 탄수화물, 그리고 세포의 경계를 만드는 지질이 그것입니다. 만약 우리가 외계에서 생명의 흔적을 찾는다면 가장 먼저 이 네 가지 물질의 존재 여부를 확인할 것입니다. 이들은 각각 독립적인 역할을 수행하면서도 서로 긴밀하게 상호작용하며 생명이라는 시스템을 유지합니다. 특히 단백질은 DNA를 복제하고 RNA를 전사하는 효소로서 다른 고분자들의 생성과 유지에도 깊이 관여합니다. 생명 현상의 중심 원리인 '센트럴 도그마' 과정에는 오류를 방지하기 위한 정교한 편집 기작들이 존재합니다. DNA 복제나 단백질 번역 과정에서 실수가 발생하면 세포는 이를 즉시 수정하거나, 잘못 만들어진 단백질을 빠르게 제거하여 시스템의 붕괴를 막습니다. 만약 치명적인 오류가 발생하여 수정이 불가능할 경우, 해당 세포는 스스로 사멸하는 방식을 택하기도 합니다. 이러한 다중 안전장치는 수십억 년 동안 생명이 멸종하지 않고 이어져 올 수 있었던 비결이며, 생명체가 가진 놀라운 정밀함을 대변합니다. 생명은 안정성과 유동성이라는 두 축 사이의 절묘한 균형 위에서 존재합니다. 정보를 보존하려는 DNA의 안정성과 기능을 수행하기 위해 변화를 수용하는 단백질의 역동성은 서로 대립하는 듯 보이지만 사실은 생존을 위한 최고의 파트너입니다. 이러한 생명의 원리는 우리 사회의 구조와도 닮아 있습니다. 다양성을 포용하고 변화에 유연하게 대응하면서도 핵심적인 가치를 지켜나가는 조화로움이야말로 생명이 우리에게 주는 가장 큰 가르침입니다. 우리는 단백질의 세계를 통해 생명의 신비와 삶의 지혜를 동시에 배울 수 있습니다.

김성훈, 신석민, 한병우

카오스재단카오스강연

생명과학

[강연] 진화, 뇌를 여는 열쇠 (4) 패널토의 | 2016 봄 카오스 강연 '뇌 - Brain' 9강 | 9강 ④

인간의 지능과 뇌 크기의 상관관계는 오랜 논쟁의 대상입니다. 흔히 뇌가 클수록 똑똑할 것이라 생각하지만, 절대적인 크기보다는 체중 대비 뇌 비율이나 대뇌피질의 복잡성이 더 중요한 지표로 여겨집니다. 특히 인류는 사회적 관계 속에서 타인의 의도를 읽고 복잡한 상호작용을 수행하기 위해 뇌를 팽창시키는 방향으로 진화해 왔습니다. 이를 '마키아벨리적 지능 가설'이라 부르기도 하는데, 이는 인간이 자연환경보다 다른 인간과의 관계를 해결하는 데 더 큰 지적 에너지를 쏟았음을 시사합니다. 현대 뇌과학은 뇌의 크기보다 '신경 효율성'에 주목합니다. 뇌는 수많은 신경세포의 연결망인 시냅스로 구성되며, 이 연결이 얼마나 단단하고 효율적으로 이루어지느냐가 지능의 핵심입니다. 특정 사물을 인식하고 이를 언어와 결합하여 행동으로 옮기는 과정은 뇌의 여러 영역이 하나의 회로처럼 유기적으로 움직일 때 가능해집니다. 단순히 뇌의 부피를 키우는 것이 아니라, 복잡한 주름을 통해 표면적을 넓히고 신경전달의 속도와 정확성을 높이는 방향으로의 진화가 인간 지성의 근간이 되었습니다. 우리가 설탕이나 지방에 열광하는 이유는 진화의 역사 속에서 찾을 수 있습니다. 과거 수렵채집 시대에는 에너지가 풍부한 단맛과 감칠맛을 선호하는 개체가 생존과 번식에 유리했습니다. 하지만 영양 과잉의 시대인 현대에 들어서면서 이러한 진화적 선호는 오히려 당뇨나 고혈압 같은 부작용을 낳고 있습니다. 과거에는 생존을 돕던 귀한 영양소들이 이제는 건강을 위협하는 존재가 된 것입니다. 이는 생물학적 진화 속도가 급격히 변한 현대 사회의 환경을 따라잡지 못해 발생하는 일종의 '진화적 부적응' 사례라 할 수 있습니다. 뇌의 보상회로는 생존에 필수적인 행동을 할 때 도파민을 분비하여 쾌락을 느끼게 합니다. 식사나 번식, 사회적 유대감 형성이 즐거운 이유는 이 시스템 덕분입니다. 그러나 술, 담배, 도박, 심지어 인터넷 게임과 같은 현대적 자극들은 이 보상회로를 비정상적으로 강력하게 활성화합니다. 반복된 자극은 뇌의 내성을 유발하고, 결국 더 큰 자극 없이는 일상적인 즐거움을 느끼지 못하는 중독 상태에 빠뜨립니다. 진화의 산물인 보상 시스템이 현대의 인공적인 자극과 만나면서 예상치 못한 사회적 병리 현상을 만들어낸 셈입니다. 모든 행동이 뇌의 물리화학적 작용이라는 과학적 설명은 때로 허무함이나 책임 회피의 근거로 오해받기도 합니다. 하지만 행동의 원인을 설명하는 것과 그 행동을 도덕적으로 정당화하는 것은 전혀 다른 차원의 문제입니다. 유전자나 호르몬, 뇌 회로를 통해 폭력성이나 특정 행동의 기제를 밝혀내는 것은 그 문제를 더 효과적으로 해결하고 예방하기 위한 방책을 찾는 과정입니다. 과학은 우리에게 면죄부를 주는 것이 아니라, 인간 본성에 대한 깊은 이해를 통해 더 나은 사회적 시스템을 설계할 수 있는 지표를 제공합니다. 유전자가 행동의 경향성을 결정할 수는 있지만, 그것이 곧 피할 수 없는 운명은 아닙니다. 실제로 반사회적 유전적 소인을 가졌음에도 불구하고 교육과 환경의 영향으로 훌륭한 학자가 된 사례는 환경의 중요성을 잘 보여줍니다. 유전자의 발현은 태어난 이후의 경험과 학습에 의해 얼마든지 조절될 수 있는 가소성을 지니고 있습니다. 따라서 우리는 생물학적 결정론에 빠져 허무해하기보다, 적절한 환경 조성과 교육을 통해 잠재된 부정적 요인을 억제하고 긍정적인 방향으로 나아갈 수 있는 가능성에 주목해야 합니다. 과학이 삶의 신비로움을 파괴한다는 우려와 달리, 진화와 뇌과학은 우리가 왜 지금의 모습으로 존재하는지에 대한 가장 아름답고 정교한 답을 들려줍니다. 인간만이 유일하게 자신의 기원과 존재의 이유를 과학적으로 탐구할 수 있는 종이라는 사실은 그 자체로 경이로운 일입니다. 또한 인간의 마음이 뇌에서 비롯된다는 사실은 우리와 다른 생명체들이 공유하는 진화적 연결고리를 확인시켜 줍니다. 이러한 겸허한 성찰은 인간 중심적인 사고에서 벗어나 생태계 전체를 이해하고 공존하는 지혜를 선사합니다.

구자욱, 김태원, 전중환

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생명과학
뇌인지과학

[강연] 영화로 만나는 뇌과학 (1) _ 김종성 교수 | 2016 봄 카오스 강연 '뇌 - Brain' 6강 | 6강 ①

인류 문명의 초기인 고대 이집트 시대부터 인간은 사후세계와 환생을 믿으며 미라를 제작했습니다. 흥미로운 점은 당시 사람들이 장기를 보관하면서도 뇌는 가차 없이 버렸다는 사실입니다. 그들은 심장을 감정과 지성의 중심지로 여겨 소중히 보관했지만, 뇌는 그저 머릿속을 채우고 있는 불필요한 조직으로 치부했습니다. 코를 통해 뇌를 끄집어내 버리는 고도의 기술을 가졌음에도 정작 우리 존재의 핵심인 뇌의 가치를 알아보지 못한 것입니다. 이러한 오해는 수천 년간 지속되어 현대인들조차 여전히 심장을 마음의 상징으로 사용하곤 합니다. 우리가 누군가를 사랑할 때 가슴이 두근거리는 것은 심장이 감정을 느껴서가 아니라, 뇌가 내린 명령에 반응한 결과입니다. 심장은 단순히 온몸에 피를 공급하는 펌프 역할을 할 뿐, 실제로 미워하고 슬퍼하며 생각하는 모든 고등 정신 활동은 뇌에서 이루어집니다. 현대 과학의 발전으로 우리는 MRI와 같은 장비를 통해 뇌가 어떻게 마음을 만드는지 실시간으로 관찰할 수 있게 되었습니다. 이제는 국기에 대한 경례를 하거나 사랑을 고백할 때 손을 가슴이 아닌 머리로 가져가야 할지도 모릅니다. 뇌야말로 진정한 우리 자신을 정의하는 기관이기 때문입니다. 영화 '밀리언 달러 베이비'는 뇌와 신체의 연결이 얼마나 중요한지 극적으로 보여줍니다. 주인공이 경기 중 사고로 사지마비가 되는 과정은 뇌의 운동중추와 팔다리를 잇는 전기회로가 끊어지는 것과 같습니다. 우리의 움직임은 뇌의 특정 부위에서 시작된 전기신호가 척수를 타고 전달되는 정교한 과정입니다. 만약 뇌졸중으로 인해 뇌세포가 손상되거나 사고로 신경통로가 차단되면, 아무리 튼튼한 근육을 가졌더라도 몸을 움직일 수 없게 됩니다. 뇌는 우리 몸의 모든 관절과 근육을 조절하는 보이지 않는 지휘자와도 같은 존재입니다. 뇌 질환 중에서도 특히 무서운 것은 퇴행성 질환입니다. 알츠하이머병이 대뇌의 손상으로 기억을 앗아간다면, 루게릭병은 정신은 멀쩡한데 몸의 근육만 서서히 마비되는 고통을 안겨줍니다. 야구선수 루게릭의 이름을 딴 이 병은 뇌에서 근육으로 신호를 전달하는 말초신경세포가 파괴되면서 발생합니다. 영화 '유아 낫 유'에서 묘사되듯 환자는 점차 스스로 숨을 쉬거나 말을 하는 기능조차 잃게 됩니다. 신체는 쇠약해지지만 의식은 또렷하게 남아 있다는 점이 이 병의 가장 잔인한 특징이자, 우리가 뇌과학 연구에 더욱 매진해야 하는 이유이기도 합니다. 대뇌가 우리의 의지를 담당한다면, 뇌간은 생명유지의 핵심인 무의식의 영역을 관장합니다. 단 2~3cm에 불과한 이 작은 부위는 우리가 의식하지 않아도 숨을 쉬게 하고 심장을 뛰게 만들며 온몸의 기능을 조절합니다. 최근 인공지능 기술이 비약적으로 발전하며 인간을 위협한다는 우려도 있지만, 생명의 신비를 간직한 뇌간의 정교한 메커니즘을 완벽히 구현하기란 불가능에 가깝습니다. 뇌는 단순히 지능의 집합체가 아니라, 수억 년의 진화 과정이 응축된 생존의 결정체입니다. 뇌를 이해하는 것은 결국 인간 생명의 근원을 탐구하는 여정과 같습니다.

김종성

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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] 응답하라, 작은 것들의 세계여 - 현미경과 미시세계 (4) _김성근 교수 | 2015 가을 카오스 강연 '빛 색즉시공' 5강 | 5강 ④

현미경의 발명은 인류가 생명의 근원을 바라보는 방식을 완전히 바꾸어 놓았습니다. 17세기 로버트 훅은 코르크 조각을 관찰하며 작은 방 모양의 구조에 '세포'라는 이름을 붙였고, 레벤후크는 직접 깎은 렌즈로 미생물의 존재를 처음으로 세상에 알렸습니다. 이러한 발견은 질병이 신의 저주가 아닌 미세한 생명체에 의한 것임을 깨닫게 하는 전환점이 되었습니다. 보이지 않는 미시 세계를 시각화하려는 인간의 끊임없는 열망은 현대 생명 과학의 기초를 다지는 가장 중요한 동력이 되었습니다. 새로운 관측 기술의 등장은 항상 새로운 과학적 발견을 예고합니다. 과학자들에게 혁신적인 기기는 단순히 도구를 넘어 인류의 지식 지평을 넓히는 열쇠와 같습니다. 과거에는 상상조차 할 수 없었던 미시 세계의 역동적인 움직임을 실시간으로 관찰할 수 있게 되면서, 우리는 생명 현상의 본질에 한 걸음 더 다가서게 되었습니다. 첨단 현미경 기술은 보이지 않는 진실을 드러냄으로써 과학의 진보를 이끄는 가장 강력한 무기가 되고 있으며, 이는 미래 과학의 방향을 결정짓는 중요한 요소가 됩니다. 우리가 일상에서 보는 금의 황금색은 원자 하나가 가진 고유한 색이 아닙니다. 개별 원자는 가시광선을 흡수하는 방식이 달라 색이 없다고 볼 수 있지만, 수많은 원자가 모여 상호작용을 시작하면 비로소 특정한 색을 띠게 됩니다. 금 원자가 약 1억 개 정도 모여 일정한 크기를 형성할 때 우리가 아는 찬란한 노란색이 나타나는 것입니다. 이는 물질의 성질이 개별 단위가 아닌 집합체로서의 상호작용을 통해 결정된다는 오묘한 과학적 원리를 잘 보여주는 대표적인 사례라고 할 수 있습니다. 흥미롭게도 물질의 크기를 나노 단위로 쪼개면 우리가 알던 색과는 전혀 다른 모습이 나타납니다. 예를 들어 순금을 나노 입자로 만들면 붉은색 용액으로 변하는데, 이는 표면에서 일어나는 나노 효과인 플라스몬 현상 때문입니다. 귀금속의 가치는 그 영롱한 색에 있지만, 과학적 관점에서 보면 그 색조차 입자의 크기와 배열에 따라 변하는 가변적인 현상일 뿐입니다. 이러한 나노 세계의 특성은 물질을 바라보는 우리의 고정관념을 깨뜨려 주며 새로운 기술적 가능성을 제시합니다. 원자의 내부를 들여다보면 거시 세계의 상식과는 동떨어진 놀라운 광경이 펼쳐집니다. 원자는 대부분 텅 빈 공간으로 이루어져 있으며, 그 질량의 대부분은 아주 작은 원자핵에 집중되어 있습니다. 운동장 한가운데 놓인 모래알 하나가 원자핵이라면 나머지 공간은 전자가 헤엄치는 광활한 빈터와 같습니다. 하지만 이 텅 빈 공간은 전자의 상호작용으로 인해 다른 물질이 쉽게 침범할 수 없는 견고한 경계를 형성합니다. 미시 세계는 이처럼 비어 있음과 가득 참이 공존하는 신비로운 곳입니다. 현대 과학은 이제 인간의 의식과 정신 작용이라는 미지의 영역에 도전하고 있습니다. 과거에는 영혼의 영역이라 여겨졌던 생각과 감정조차 뇌 속 신경세포들의 복잡한 신호 전달 과정으로 이해하려는 시도가 이어지고 있습니다. 뇌 회로를 정밀하게 매핑하는 프로젝트는 인간의 사고 체계가 어떻게 작동하는지 과학적 기반 위에서 규명하고자 합니다. 비록 정신의 모든 비밀을 풀기에는 아직 갈 길이 멀지만, 인지 과학의 발전은 인간에 대한 이해를 새로운 차원으로 끌어올리고 있습니다. 영화 속 아이언맨처럼 새로운 원소를 창조하는 것은 물리 법칙상 매우 어려운 일이지만, 분자의 세계는 여전히 무궁무진한 가능성을 품고 있습니다. 인류는 지난 수십 년간 수천만 개의 새로운 분자를 합성하며 물질의 진화를 이끌어 왔습니다. 과거에 절대 불가능하다고 믿었던 광학적 한계들이 기술의 발전으로 깨졌듯이, 오늘의 과학적 상식 또한 내일의 새로운 발견에 의해 뒤바뀔 수 있습니다. 과학은 고정된 정답을 찾는 과정이 아니라, 끊임없이 질문하며 한계를 극복해 나가는 여정입니다.

김성근, 심상희

카오스재단카오스강연

물리학
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