[스크랩] 뇌연구 어디까지 왔나 현대 뇌과학의 4대 테마 해부

기억이 생성될 때 뇌세포의 변화 밝혀내 2000년 노벨상 수상
뇌종양 수술 과정서 특정부위와 정서의 연관성도 드러나

 

인체에서 마지막 남은 신비의 영역, 뇌(腦). 뇌에 대한 연구는 인간의 본질을 규명해 원천 지식을 축적하는 인류 최후의 연구 분야로 꼽힌다. 21세기에 들어서는 인류 복지와 뇌 질환 극복을 위한 첨단 과학 분야로 새롭게 조명 받고 있다. 베일 속에 감춰졌던 뇌의 비밀이 속속 드러나며 뇌과학을 중심으로 거대한 학문의 재편이 이뤄지고 있다. 정치·경제·사회·윤리·신학 등과 관련된 연구와 논쟁도 뜨겁다. 지난 4월 열린 ‘월드 사이언스 포럼 2008’은 국내 뇌 연구의 오늘과 내일을 짚어준 자리였다. 6월에는 미국 뉴욕 유엔본부 대회의실에서 한국에서 시작된 뇌교육을 세계의 미래교육 패러다임으로 제시하는 컨퍼런스가 열리기도 했다. ‘몸짱’ 열풍에 이어 ‘두뇌짱’ 바람도 뜨겁게 불고 있다. 어린이부터 노인에 이르기까지 ‘브레인 피트니스’를 통해 두뇌 소프트웨어를 한 단계 높이겠다는 것. 전두엽 훈련의 중요성을 강조한 책 ‘앞쪽형 인간’도 출간됐다. 뇌 연구는 어디까지 왔고 어디를 향해 갈 것인가. 2008년 뇌과학을 들여다봤다.


Theme 1 뇌의 모든 비밀 풀어줄 ‘만물이론’ 도전
기억이 생성될 때 뇌세포의 변화 밝혀내 2000년 노벨상 수상
뇌종양 수술 과정서 특정부위와 정서의 연관성도 드러나

사람 뇌에는 정보를 처리하는 신경세포(뉴런)가 1000억개가량 들어 있다. 이들은 서로 시냅스로 연결된다. 뉴런 하나가 1000개에서 1만개의 시냅스를 갖고 있으므로 뇌 안에는 100조개 이상의 시냅스가 존재한다. 사람의 뇌는 몸무게의 2%를 차지하지만 몸이 사용하는 에너지의 20%를 소모한다. 뉴런이 상대적으로 많은 양의 에너지를 사용해 정보를 처리한 결과 뇌에서 마음이 출현하는 것이다.

마음이 하는 일은 인지와 정서로 크게 나뉜다. 인지는 지식·사고·추리·문제해결과 같은 지적인 정신과정을 비롯해 지각·언어·기억·학습까지 포함한다. 인간이 자극과 정보를 지각하고, 여러 가지 형식으로 부호화해, 기억에 저장하고, 뒤에 이용할 때 상기해내는 정신과정이 인지다. 한편 정서는 감정·마음가짐·기분이 결합된 현상이다.

인지와 정서 같은 마음의 생리적 기초를 이해하기 위해 뇌의 구조와 기능을 둘러싼 신비를 밝혀내려는 학문이 신경과학이다. 신경과학에는 인지신경과학과 정서신경과학이 있다. 인지신경과학의 궁극적 목표는 인지 기능이 뇌의 신경회로에서 발생하는 메커니즘을 밝히는 것이다. 인지 기능 연구에서 가장 중심이 되는 것은 기억이다. 지각·언어·학습 등 다른 기능들이 뇌 안에 기억된 정보에 크게 의존하기 때문이다.

기억의 수수께끼에 도전해 성과를 거둔 대표적 인물은 미국 신경과학자인 에릭 칸델이다. 그는 바다달팽이인 군소(Aplysia)의 신경계를 연구해 시냅스 연결 능력이 강화 또는 약화됨으로써 군소의 뇌에 기억이 형성되는 것을 밝혀냈다. 칸델은 시냅스 연결이 항상 바뀔 수 있는 가소성(plasticity)이 기억에 매우 중요한 현상임을 밝혀낸 셈이다. 칸델은 기억이 형성될 때 뇌세포에서 일어나는 변화를 연구한 공로로 2000년 노벨상을 받았다.

정서신경과학은 그 역사가 길지 않다. 정서는 주관적이고 애매한 데다가, 인간만이 갖고 있는 능력인 이성의 반대로 간주돼 과학적 연구의 대상으로 여겨지지 않았기 때문이다. 정서 연구에 획기적 돌파구를 만든 사람은 미국 신경과학자인 안토니오 다마지오다. 그는 엘리어트란 환자의 뇌종양을 제거하기 위해 전두엽 일부를 잘라냈다. 수술은 성공적이었지만 엘리어트는 일상적인 일에서 결정을 내리지 못하는 사람이 됐다. 다마지오는 엘리어트의 뇌종양이 그의 이성을 파괴했기 때문이라고 생각했지만, 종양수술로 상실된 것은 정서 기능으로 드러났다. 엘리어트 연구를 계기로 이성과 정서가 함께 긴밀하게 작용하지 않으면 누구나 올바른 의사결정을 내릴 수 없는 것으로 결론이 났다.

신경과학의 발달로 뇌의 수수께끼가 밝혀지고 있지만 이러한 연구결과를 뭉뚱그려 뇌가 어떻게 작동하는지 설명하는 단일이론을 만들어내는 것은 결코 쉬운 일이 아니다. 물리학의 초끈이론처럼 신경과학에서도 ‘만물의 이론’이 존재해 뇌의 모든 것을 설명할 수 있을지조차 확실치 않다. 캐나다의 제프리 힌턴과 미국의 테렌스 세이노브스키가 이러한 문제에 도전했는데 그들의 연구는 난관에 부딪혔지만 그들로부터 아이디어를 얻은 영국 런던대학의 칼 프리스턴이 성과를 거둔 것으로 알려졌다. 영국 주간지 ‘뉴 사이언티스트’ 5월 31일자에 따르면 프리스턴은 뇌의 거의 모든 것을 설명할 수 있는 단일법칙을 만들었다고 주장해 논란의 대상이 되고 있다.

▲ 독일 뒤셀도르프에서 열린 의료기기 전시회 ‘메디카 메세’에 출품된 뇌 질환 여부 측정기. photo AP/ 캐나다 캘거리대 신경외과의인 서덜랜드 박사가 개발한 뇌 미세 수술용 로봇 ‘뉴로암(NeuroArm)’. photo 로이터

Theme 2 뇌연구와 과학기술의 융합
뇌파 이용해 손 안대고 컴퓨터·로봇 등 기계 제어
2020년엔 생각만으로 비행기 조종도 가능할 전망

뇌연구와 과학기술이 융합한 대표적인 분야가 신경공학과 계산신경과학이다. 신경공학은 사람의 뇌를 조작하는 기술을 총칭한다. 신경공학은 뇌 질환의 치유가 주요 목적이지만 결국 뇌 기능을 향상시키는 쪽으로 활용 범위가 확대될 것임에 틀림없다.

신경공학의 대표적 기술은 뇌-기계 인터페이스(BMI)다. 뇌의 활동 상태에 따라 주파수가 다르게 발생하는 뇌파의 특성을 이용하여 생각만으로 컴퓨터나 로봇 등 기계를 제어하는 기술이다. 머리에 띠처럼 두른 장치로 뇌파를 모아 컴퓨터로 보내면 컴퓨터가 뇌파를 분석해 적절한 반응을 일으키는 방식이다. 뇌파로 조작하는 비디오게임 장치는 이미 판매되고 있으며 전신마비 환자들이 생각하는 것만으로 휠체어를 운전할 수 있는 기술도 연구되고 있다. 궁극적으로는 하반신 불수 환자의 다리 근육에 전기장치를 이식하고 뇌파로 제어해 보행을 가능하게 만드는 장치가 개발될 것으로 기대된다. 2020년경에는 비행기 조종사들이 손 대신 단지 머릿속 생각만으로 각종 계기를 움직여 비행기를 조종하게 될 것으로 전망된다.

신경과학과 신경공학의 발전은 필연적으로 윤리적 문제를 야기한다. 가령 전자장치로 만든 해마, 즉 인공해마로 뇌를 보철한 환자가 기억능력을 스스로 제어할 수 있게 된다면 망각 능력까지 상실하게 돼 엄청난 정신적 고통을 치르게 될지도 모를 일이다.

신경윤리의 정의는 크게 두 가지로 나뉜다. 2003년 ‘신경윤리’라는 용어를 처음 사용한 미국 칼럼니스트인 윌리엄 새파이어는 ‘사람 뇌의 질환치료 또는 기능 향상에 관한 옳고 그름을 검토하는 철학의 한 분야’라고 정의했다. 미국의 신경과학자 마이클 가자니가는 2005년 펴낸 ‘윤리적 뇌’에서 “뇌의 기초를 이루는 메커니즘을 이해함으로써 알게 된 질병, 죽음, 생활철학 등의 사회적 쟁점을 우리가 어떻게 다루기 바라는지를 검토하는 분야”라고 정의했다. 그는 신경윤리가 뇌의 질병 치료에 국한되지 않고 광범위한 사회적·생물학적 맥락에서 개인의 책임을 따지며, 뇌에 기반을 둔 생명철학을 지향하는 노력이라고 강조했다.

계산신경과학은 뇌의 기능 중 뉴런이 정보를 처리하는 과정을 계산적 모델을 적용해 설명하기 위해 컴퓨터과학과 신경과학이 융합하여 출현한 학제 간 연구다. 1943년 미국의 워런 매컬럭과 월터 피츠가 함께 발표한 논문이 그 효시로, 뉴런이 학습과 같은 정신 과정을 수행하기 위해 어떻게 서로 연결돼 신경회로망이 형성되는지 보여줬다. 영국 생리학자인 앨런 호지킨과 앤드루 헉슬리는 뉴런의 신호전달 메커니즘을 밝혀 노벨상(1963년)을 받았고, 미국의 데이비드 허블과 스웨덴의 토르스텐 비셀은 뉴런의 시각정보처리를 연구해 노벨상(1981년)을 탔다. 현재는 컴퓨터 이론과 신경과학을 융합해 마음과 뇌의 관계를 밝히려는 연구가 활발히 진행되고 있다.

Theme 3 뇌연구와 인문학의 만남
“뇌 구조와 도덕성·정치 성향도 관계있다”
 구매동기에 영향 미치는 뇌기능 연구 등 범위 확산

뇌연구와 인문학이 융합한 대표적 분야로 사회신경과학·신경경제학·신경신학을 꼽을 수 있다. 사회신경과학은 인간의 사회적 인지나 행동의 기초가 되는 생물학적 메커니즘을 탐구하기 위해 사회심리학과 신경과학이 융합해 출현한 학제 간 연구로, 2006년 미국에서 전문 학술지의 창간을 계기로 독립된 학문의 모습을 갖추기 시작했다.

인간의 사회생활과 뇌의 구조와의 관계를 연구하는 사회신경과학의 주제는 도덕적 행동, 모방 심리, 정치 성향 등 갈수록 그 범위가 확대되고 있다. 특히 ‘거울 뉴런(mirror neuron)’ 연구가 기대를 모은다. 남의 행동을 그대로 비추는 거울 같다는 의미에서 거울 뉴런이라 한다. 신생아가 부모의 얼굴 표정을 흉내 내거나, 다른 사람의 하품하는 모습에 저절로 입을 벌리거나, 영화의 주인공이 눈물을 흘리면 감정이입에 따라 함께 울게 되는 것은 다른 사람의 행동을 지켜볼 때 마치 자신이 그 행동을 하는 것처럼 활성화되는 뉴런 집단이 뇌 안에 존재하기 때문이다.

신경경제학은 경제학에 신경과학과 심리학을 융합, 인간의 선택과 의사결정을 연구하는 분야이다. 1999년 미국 신경과학자인 폴 글림셔가 과학전문지 ‘네이처’에 원숭이 뇌에서 의사결정에 관련된 신경세포를 연구한 논문을 발표한 것을 계기로 새로운 학문으로 모습을 드러냈다. 신경경제학은 행동경제학의 접근방법에 추가로 신경과학의 연구를 융합한 것이다. 1979년 대니얼 카너먼과 아모스 트버스키가 발표한 ‘프로스펙트 이론’을 계기로 태동한 행동경제학은 경제 주체가 완전히 합리적인 존재라고 전제하는 신고전파 경제학과는 달리 인간의 합리성을 인정하지 않으며, 인간이 실제로 어떻게 선택하고 행동하는지 고찰하는 학문이다. 신경마케팅도 기대를 모은다. 신경마케팅은 기능성 자기공명영상장치를 사용해 소비자의 구매 동기에 영향을 미치는 뇌의 구조와 기능을 연구하는 분야다.

신경신학 또는 영적 신경과학은 인간이 영성을 주관적으로 체험할 때 뇌 안에서 발생하는 현상을 연구해 영성과 뇌 사이의 관계를 밝히려는 학문이다. 신경신학은 신과 종교의 기원을 신경과학에 바탕을 두고 연구한다. 종교의식은 1970년대까지만 해도 순전히 문화적 현상으로 간주됐다. 종교의식을 생물학적 산물로 여기지 않았기 때문에 의식행위의 신경과학적 측면을 연구해보려는 시도는 거의 없었다. 그러나 1975년 행동신경학의 창시자인 미국의 노먼 게슈빈트는 간질 발작이 뇌의 측두엽에서 발생한다는 것을 처음으로 밝혀내고 간질이 때때로 종교적 체험을 유발한다고 주장했다. 그 후 뇌의 변연계나 전두엽에서도 종교적 감정이 발생한다는 연구결과가 보고됐다.

전두엽이 기도와 명상을 통해 신자들이 자신을 초월해 절대자와 영적으로 일체감을 느끼는 신비체험과 관련된 것으로 밝혀짐에 따라 신경신학 연구는 뇌의 다른 영역으로도 확대됐다. 2007년 9월 캐나다 신경과학자인 마리오 보리가드는 ‘영적인 뇌’에서 신비체험이 뇌 전체에서 발생하는 현상이라고 밝혔다. 신경신학의 연구결과를 곧이곧대로 받아들이면 신은 인간의 뇌가 만들어낸 개념에 불과하며 뇌 안에 항상 머무는 존재이다. 과연 그럴까.

Theme 4 의식의 기원 추적
뇌와 마음의 ‘연결고리’ 찾기 위한 탐구 계속 이어져
주관적 경험 좌우하는 특정 부위의 작용 놓고도 공방

신경과학이 풀지 못한 최대 수수께끼 중 하나가 인간의 의식이다. 의식은 무엇이며, 의식은 왜 존재하는가를 완벽하게 설명한 이론은 아직까지 없다. 의식은 주관적인 현상이기 때문에 객관성에 의존하는 과학의 연구 대상으로 환영 받지 못했다. 그러나 신경과학의 발달에 따라 과학자들은 의식이 과학적으로 설명될 수 없다는 고정관념을 거부하고 의식의 신비에 도전했다.

의식을 과학의 영역으로 끌어들인 핵심 인물은 1953년 디옥시리보핵산(DNA) 분자 구조를 밝혀 1962년 노벨상을 받은 프랜시스 크릭이다. 크릭에 따르면, 의식은 뇌의 상이한 부분에 있는 신경세포들이 동시에 동일한 주파수에서 진동할 때 생긴다. 그는 사람의 정신 활동을 전적으로 뉴런의 행동에 의한 것으로 설명한 자신의 이론을 ‘놀라운 가설’이라고 명명해 많은 논란을 불러일으켰다. 크릭과 함께 의식의 수수께끼에 도전한 인물은 신경과학자인 크리스토프 코흐이다. 그는 의식의 메커니즘을 탐구하는 지름길은 의식과 상관된 신경세포들, 이른바 NCC(Neural Correlates of Consciousness)를 발견하는 것이라고 주장한다. 뇌 안에서 의식과 가장 관련이 많은 신경세포들을 찾아서 그 기능을 밝혀내면 의식을 이해할 수 있다는 의미다.

면역학 연구로 1972년 노벨상을 받은 제럴드 에델먼은 신경다윈론(neural Darwinism)이라고 명명한 과정으로부터 의식이 생긴다는 독특한 이론을 내놓았다. 찰스 다윈의 자연선택 이론을 신경세포에 적용한 것으로, 신경세포 집단 사이에서 벌어지는 자연선택에 의해 인간의 사고 기능이 발휘된다는 주장이다. 에델먼은 지난 4월 28일 서울에서 열린 ‘월드 사이언스 포럼 2008’에서 기조강연을 했는데, 현대과학이 아직까지 해결하지 못한 대표적 과제는 뇌와 마음의 연결고리이며 ‘신경과학적 의식의 근거(NCC)’를 찾으려는 노력이 뇌과학의 주된 주제라고 강조했다.

신경과학이 의식을 설명할 수 있을지에 대해 근본적인 회의를 표명하는 학자들이 적지 않다. 주로 철학과 물리학 분야의 학자들인데, 영국의 물리학자인 로저 펜로즈는 ‘황제의 새 마음’(1989)에서 “의식은 뇌의 세포에서 양자역학적 현상에 의해 생성된다”고 주장했다. 이른바 ‘양자의식 이론’은 신경과학자들로부터 마음의 수수께끼를 풀기는커녕 오히려 신비화시켰다는 비난과 함께 조롱까지 당했다. 뇌의 어느 곳에서 양자역학이 요술을 부리는지를 몰랐기 때문이다. 그러나 1993년 행운이 찾아왔다. 미국의 마취학 교수인 스튜어트 하메로프가 의식은 미세소관(microtubule)에서 일어나는 양자역학적 과정으로부터 생긴다는 이론을 제공했기 때문이다. 미세소관은 뉴런을 비롯한 거의 모든 세포에서 골격 역할을 하는 세포 내 소기관으로, 단백질로 만들어진 관이다.

의식연구는 아직도 갈 길이 까마득하다. 2007년 미국 월간지 ‘사이언티픽 아메리칸’ 10월호가 인간이 주관적 경험을 할 때 뇌의 어느 부위가 활성화되는지를 놓고 신경과학자들이 토론한 내용을 게재한 것이 그 좋은 예다. 크리스토프 코흐는 주관적 경험 각각에 대해 특정 뇌 영역의 뉴런이 관련된다고 주장한 반면, 영국의 수전 그린필드는 뇌 전체의 뉴런이 동시에 협동하여 활성화된다고 반박했다. ▒


/ 이인식 과학문화연구소장

출처 : 트리티_Doctorkimh

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