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이토록 뜻밖의 뇌과학/ 인간의 뇌를 만드는 방식

뇌는 '네트워크'다

우리는 뇌에 관한 사실처럼 알려졌지만 실은 그저 비유일 뿐인 것들에 둘러싸여 있다.
당신의 왼쪽 뇌가 논리적이고 오른쪽 뇌가 창의적이라는 말을 들었다면 그것은 비유다.
대니얼 카너먼이 제시한, 우리 뇌에 빠르고 본능적인 반응을 위한 ‘시스템 1’과 좀 더 천천히 이루어지는 사려 깊은 프로세스인 ‘시스템 2’ 개념도 비유다. —카너먼은 시스템 1과 시스템 2가 마음에 관한 비유임을 분명히 했지만 이것은 종종 뇌 구조처럼 오인되곤 한다.
당신의 뇌는 하나의 신경망 곧 네트워크가. 하나의 단위로 작동하도록 연결된 부분들의 모음이라 할 수 있다. 뇌는 1,280억 개의 신경세포가 하나의 거대하고 유연한 구조로 연결된 네트워크다. 뇌 네트워크라는 말은 비유가 아니다.
수상돌기와 축삭, 시냅스는 이렇게 배치되어 1,280억 개의 개별 신경세포를 하나의 네트워크로 묶는다. 좀 더 간단히 설명하기 위해 나는 이 배치 전체를 뇌의 ‘배선(wiring)’이라고 부를 것이다.
우리의 뇌 네트워크는 항상 켜져 있다. 신경세포들은 결코 가만히 앉아서 외부세계의 뭔가가 자신들을 켜주기를 기다리지 않는다.
모든 신경세포는 배선을 통해 서로 끊임없이 수다를 떤다. 그들의 의사소통이 외부세계나 당신의 몸에서 어떤 일이 일어나는지에 따라 더 강해지거나 약해질 수는 있지만, 이 의사소통은 당신이 죽을 때까지 멈추지 않는다.
뇌에서 일어나는 의사소통은 속도와 비용 사이에서 균형을 잡는 행위다. 각 신경세포는 수천 개의 다른 신경세포에 직접 정보를 전달하고 수천 개의 다른 신경세포로부터 정보를 받으면서 500조 개가 넘는 신경세포와 신경세포 간에 연결을 만들어낸다.
우리 뇌 네트워크도 공항들처럼 클러스터로 묶인다. 공항에서처럼 클러스터 내부 및 외부 연결의 대부분이 로컬이므로, 클러스터는 대부분 로컬 트래픽을 처리한다.
그런데 여기서 그치지 않고 일부 클러스터는 통신을 위한 허브 역할을 한다. 이 클러스터들은 여러 다른 클러스터와 빽빽하게 연결되어 있어서 이들 중 몇몇 축삭은 뇌를 멀리 가로질러 장거리를 연결하는 역할을 한다.
공항 허브처럼 두뇌 허브가 복잡한 시스템을 효율적으로 만드는 것이다. 이들 덕분에 거의 모든 신경세포가 국지적으로 집중하면서도 뇌 전반에 걸친 활동에 참여할 수 있다. 이러한 두뇌 허브는 뇌 전체에서 일어나는 의사소통의 중추다.
허브는 가장 중요한 기반 시설이다. 뉴어크 국제공항이나 런던의 히드로 공항과 같은 주요 공항 허브가 무너지면 전 세계적으로 항공편이 지연되거나 취소되는 등 파급 효과가 일어난다.
뇌 허브에 문제가 생겼을 때 어떤 일이 일어날지 한번 상상해보라. 뇌 허브가 손상되면 우울증, 조현병, 난독증, 만성 통증, 알츠하이머병, 파킨슨병 등 여러 장애가 생길 수 있다.
허브는 신체예산을 고갈시키지 않으면서 뇌가 작동되도록 하는 효율성의 기점이기 때문에 반대로 취약성의 기점이 되기도 한다.
(이것은 허브로 연결되는 모든 네트워크 구조들의 공통 특징임)
이 간결하고 강력한 허브 구조를 물려받은 우리는 자연선택에 고마워할 만한다. 과학자들은 신경세포가 진화의 시대를 거치면서 이런 종류의 네트워크로 조직된 이유는 이런 네트워크가 에너지 효율이 높고 두개골 안에 쏙 들어갈 만큼 작으면서도 강력하고 빠르기 때문이라 추측한다.
우리의 뇌 네트워크는 정지해있지 않고 지속적으로 변화한다. 어떤 변화는 매우 빠르게 일어난다.
뇌의 배선은 신경세포 간 국지적 연결을 완성하는 화학물질에 푹 잠겨있다. 글루타메이트(glutamate), 세로토닌(serotonin), 도파민(dopamine)을 비롯한 이런 화학물질을 신경전달물질(neurotransmitter)라고 한다. 이 물질들은 신호가 시냅스를 건너가는 것을 더 쉽게 하거나 어렵게 만든다. 그것들은 말하자면 공항 직원들과도 같다.
이러한 뇌 네트워크의 변화는 즉각적이고 지속적으로 일어난다. 물리적인 뇌 구조는 하나도 달라지지 않는 것처럼 보이더라도 말이다.
또한 세로토닌이나 도파민 같은 일부 화학물질은 다른 신경전달물질에 작용해 그 효과를 높이거나 낮출 수 있다. 이런 식으로 작용하는 뇌 화학물질을 신경조절물질(neuromodulator)이라고 한다. 이들은 공항 인근의 날씨와 비슷하다. 날씨가 맑으면 비행기가 빠르게 날지만, 폭풍우가 몰아치면 비행기가 뜨지 못하거나 경로가 변경된다.
신경조절물질과 신경전달물질 덕분에 하나의 뇌 구조는 어마어마하게 다양한 활동 패턴을 만들어낸다.
상대적으로 변화가 느린 네트워크도 있다. 공항이 터미널을 짓거나 개조하는 것처럼 우리 뇌는 끊임없이 공사 중이다. 뇌의 어떤 부분들에서는 신경세포가 죽고 태어난다. 연결은 수없이 많아지며, 신경세포들이 함께 발화할 때에는 더 강해지고 그렇지 않으면 연결은 약화된다.
이러한 변화는 과학자들이 말하는 가소성(plasticity)의 한 예로 우리가 살아 있는 한 평생에 걸쳐 일어난다.
새로운 친구의 이름이나 뉴스에서 나온 흥미로운 사실 등 당신이 무언가를 배울 때마다 이 경험이 배선에 부호화(encoding) 되면서 당신이 기억할 수 있게 된다. 그리고 이러한 부호화가 오랜 시간에 걸쳐 이루어지면 배선을 변화시키기도 한다.
네트워크는 또한 다른 방식으로 동적이다. 신경세포가 대화 상대를 변경하면 같은 신경세포가 다른 역할을 수행할 수 있다. 예컨대 당신의 시각능력은 후두피질(occipital cortex)이라는 영역과 직접적으로 연결되어 있어서 이 영역을 흔히 시각피질(visual cortex)이라 부르는데, 이곳의 신경세포들은 청각 및 촉각과 관련된 정보들을 실어 나르기도 한다.
일반적인 시력을 가진 사람들에게 며칠 동안 눈을 가리고 점자 읽는 법을 가리치면 시각피질의 신경세포가 촉각에 더 집중하게 된다. 눈가리개를 제거하고 24시간이 지나면 그 효과는 사라진다.
마찬가지로 아기가 선천적으로 심한 백내장을 가지고 태어나서 뇌가 시각정보를 입력받지 못하면 시각피질의 신경세포는 다른 감각을 위해 용도가 변경된다.
어떤 신경세포들은 매우 유연하게 연결되어 있어 여러 업무를 관장하는 경우도 있다. 예컨대 배내측전전두피질(dorsomedial prefrontal cortex)이라고 불리는 전전두피질의 유명한 부위가 하나 있다. 이 뇌 영역은 항상 신체예산에 관여하지만, 기억/ 감정/ 지각/ 의사결정/ 통증/ 도덕적 판단/ 상상/ 언어/ 공감 등 다른 것들과도 자주 관련된다.
전반적으로 말하면 한 신경세포가 다른 기능들이 아닌 특정 기능에 더 기여할 가능성이 있기는 하지만, 어떤 신경세포도 하나의 심리적 기능만 갖지는 않는다.
과학자들이 ‘시각피질’ 또는 ‘언어 네트워크’와 같이 그 기능을 따서 뇌 일부분이 이름 붙인다 하더라도 그 이름은 뇌의 해당 부분이 수행하는 어떤 독점적인 업무가 아니라 그때 그 과학자가 주목하는 것을 반영하는 경향이 있다.
나는 지금 모든 신경세포가 모든 것을 할 수 있다고 말하는 것이 아니다. 모든 신경세포는 ‘두 가지 이상의 일’을 할 수 있다는 얘기다.
또한 서로 다른 신경세포들의 집단이 동일한 결과를 만들어낼 수 있는 것도 사실이다. 지금 당신 앞에 있는 무언가를 잡기 위해 손을 뻗어보라. 손을 거두었다가 아까와 똑같은 방식으로 다시 손을 뻗어보라. 이처럼 무언가를 향해 손을 뻗는 간단한 동작도 한 번 할 때마다 다른 신경세포들의 조합에 의해 이루어질 수 있다. 이런 현상을 ‘축중(degeneracy)’이라 한다.
과학자들은 모든 생물학적 시스템에 축중이 존재한다고 보고 있다. 예컨대 유전학에서는 한 가지 눈 색깔이라도 서로 달느 유전자 조합으로 만들어질 수 있다. 우리의 후각도 축중에 의해 작동하며 면역계도 마찬가지다. 운송 시스템에도 축중이 존재한다. 당신이 런던에서 로마까지 비행기를 타고 간다면 두 번째 비행에서는 처음 탔던 비행기와는 다른 항공사, 항공편, 승무원과 함께 비행할 수 있다.
(이 부분이 대단히 중요하다. 나는 프로그래머로써 일하지만, 내가 할 수 있는 일은 프로그래밍만이 아니며, 또한 세상에 나 혼자만 프로그래밍을 할 수 있는 것이 아니다)
네트워크 조직에는 또 다른 이점이 있다. 그것은 인간의 마음을 만들어내는데 핵심이 되는 특별한 속성을 뇌에 제공한다. 이 특성을 ‘복잡성(complexity)’이라고 부른다. 복잡성이란 ‘엄청난 수의 각기 다른 신경 패턴들’로 스스로 구성해내는 뇌의 능력이다.
일반적으로 복잡한 시스템은 다양한 활동 패턴을 만들어내기 위해 협력하고 조정하는 다수의 상호작용하는 부분으로 구성된다. 복잡한 시스템의 작동은 단순히 부분들의 작동을 합쳐 놓은 것 이상이다.
복잡성은 뇌가 모든 상황에서 유연하게 행동하게 해준다. 우리가 추상적으로 생각할 수 있고, 풍부한 구어를 구사하며, 현재와 매우 다른 미래를 상상할 수 있고, 비행기와 현수교, 로봇 청소기를 만들어내는 창의성과 혁신이 가능한 것은 복잡성 덕분이다.
뇌의 경우 복잡성을 구성하는 것은 무엇일까? 신경전달물질과 신경조절물질, 그리고 갖가지 부가기능의 도움을 받아 일제히 다른 특정 신경세포들에게 신호를 쏘아대는 수십억 개의 신경세포를 상상해 보라. 그 전체 모습이 뇌 활동의 한 가지 ‘패턴’이다.
복잡성은 뇌가 이전에 만든 오래된 패턴의 조각과 조각을 조합해 엄청나게 다양한 패턴을 만들어낼 수 있음을 의미한다. 그 결과 뇌가 과거에 도움이 되었던 패턴을 불러들여서 새롭게 시도할 만한 패턴을 만들어냄으로써 우리는 끊임없이 변화하는 상황으로 가득한 세상에서 효율적으로 몸을 운영할 수 있게 되었다.
시스템의 복잡도가 더 높거나 낮다는 것은 시스템 자체를 재배선해서 관리할 수 있는 정보의 양이 얼마나 되는지에 달려 있다. 전 세계 항공여행 시스템은 매우 복잡하다. 승객은 다양한 조합의 항공편을 통해 세계 거의 모든 곳으로 비행할 수 있다.
새 공항이 열리면 시스템은 이를 수용하도록 재배선한다. 토네이도로 공항이 망가지면 여행은 잠시 방해를 받겠지만 결국 항공사들은 문제를 해결할 것이다.
반대로 복잡성이 낮은 시스템은 자체적으로 재배선할 수 없다. 특정 경로에 하나의 비행편만 배정되어 있거나 모든 비행기가 한 군데 허브만 드나들어야 한다면 항공여행 시스템의 복잡성은 낮아진다. 만약 그 허브에 문제가 생기면 항공여행 시스템은 아무 기능도 하지 못할 것이다.
높은 복잡성과 낮은 복잡성에 관해 알아보기 위해 당신의 뇌보다 덜 복잡한 가상의 인간 두뇌를 두 가지로 상정해 보자. 첫 번째 가상의 뇌에는 당신과 마찬가지로 1,280억 개의 신경세포가 있지만 모든 신경세포가 다른 모든 신경세포와 연결되어 있다고 해보자.
이때 하나의 신경세포가 발화율(firing rate)을 변경하라는 신호를 받으면 모든 신경세포가 연결되어 있기에 결국 모두 똑같이 변경될 것이다. 모든 영역의 구조가 매우 획일적인 이러한 뇌를 미트로프 브레인(Meatloaf Brain)이라고 하자.
기능적으로 말하면 미트로프 브레인은 어느 시점에서든 1,280억 개의 요소가 사실상 하나의 요소에 지나지 않으므로 당신의 뇌보다 복잡성이 낮다.
두 번째 가상의 뇌에도 신경세포가 1,280억개 있다고 해보자. 하지만 이 뇌는 19세기 골상학자들이 상상했던 뇌와 마찬가지로 시각, 청각, 후각, 미각, 촉각, 생각, 감정 등에 특화된 기능을 제공하는 퍼즐 조각들로 이루어져 있다. 이 두뇌는 함께 작동하는 특수 도구 모음과 같으므로 주머니칼 브레인(Pcketknife Brain)이라고 부르자.
주머니칼 브레인은 미트로프 브레인보다는 복잡도가 높지만 당신의 뇌보다는 복잡도가 현저히 낮다. 왜냐하면 각각의 도구는 주머니칼 브레인이 만들어낼 수 있는 모든 패턴의 조합 이상으로 더 보태는 것이 없기 때문이다.
예컨대 14가지 도구가 달린 실제 주머니칼은 약 16,000개의 패턴(정확히는 2142^{14}개)으로 열릴 수 있으며, 여기에 15번째 도구를 추가하면 이 숫자는 단순히 두 배로 늘어난다.
하지만 뇌의 신경세포에는 패턴의 수를 기하급수적으로 증가시키는 여러 가지 기능이 있다. 만약 14개의 도구를 갖춘 주머니칼이 하나 있고, 각 도구에 기능을 하나씩 추가한 경우 총 패턴 수는 약 16,000(2142^{14})개에서 약 478만(3143^{14})개로 늘어난다. 다시 말해 기존의 뇌 부분이 더 유연해지면 새로운 부분을 늘리는 것보다 결과적으로 훨씬 더 복잡해진다.
복잡성이 높은 뇌는 더 많은 것을 기억할 수 있다. 뇌는 컴퓨터에 파일을 저장하는 식으로 기억을 저장하는게 아니라 전기와 소용돌이치는 화학물질으 ㄹ사용해 필요할 때마다 재구성한다.
우리는 이 과정을 ‘기억(remembering)’이라고 부르지만 사실은 모아서 ‘조합(assembling)’ 하는 것이다.
복잡한 뇌는 미트로프 브레인이나 주머니칼 브레인보다 더 많은 기억을 모을 수 있다. 그리고 당신이 같은 기억을 불러올 때마다 당신의 뇌에서는 매번 다른 신경세포 덩어리들이 그 기억을 조합해냈을 것이다. (이것이 축중이다)
더 복잡한 두뇌는 또한 더 창의적이다. 복잡한 뇌는 과거 경험을 새로운 방식으로 결합해 이전에 한 번도 경험하지 않은 일에도 대처할 수 있다. 예컨대 당신이 낯선 산이나 계단을 오른다면 과거에 비슷한 것을 올라봤기 때문에 넘어지지 않고 올라갈 수 있다.
복잡한 두뇌는 변화하는 환경이 시시각각 다른 신체예산을 요구하는 것에 더 빨리 적응할 수 있다. 이것은 인간이 수많은 기후와 다양한 사회구조에서 성공적으로 살아갈 수 있는 이유 중 하나다.
그뿐 아니라 복잡성이 높을수록 뇌가 손상에 더 탄력적으로 대응할 수 있다. 신경세포들의 덩어리 하나가 작동을 멈추면 다른 신경세포 덩어리들이 그 자리를 대신할 수 있기 때문이다. 이것이 자연선택이 복잡한 두뇌를 선호하는 이유 중 하나다. 주머니칼 브레인이라면 이런 능력이 없어서 어떤 신경세포들이 사라지면 그 기능도 잃을 것이다.
인간의 두뇌는 지구상에서 가장 복잡한 두뇌일 수는 있지만 복잡도가 높은 유일한 두뇌는 아니다.
지적 행동은 뇌 구조가 다른 여러 종에서 이미 수차례 나타났다. 복잡한 뇌가 몸 전체에 분포해 있는 문어가 한 예다. 문어는 퍼즐을 풀 수 있고 수족관 수조를 탈출할 수도 있다. 새들도 복잡한 두뇌를 가질 수 있다. 어떤 새는 신경세포가 대뇌피질로 조직화되어 있지 않은데도 간단한 도구를 사용할 수 있고 약간의 언어능력도 있다.
고도로 복잡한 인간의 뇌가 진화의 정점은 아니라는 사실을 잘 기억해두라. 우리 뇌는 다만 우리가 거주하는 환경에 잘 적응했을 뿐이다.
높은 복잡성은 당신을 인간으로 만드는 너무나 많은 것을 위한 전제 조건일 수 있지만, 그 자체로 뇌가 인간의 마음을 만들 수 있는 능력을 부여하지는 않는다.
익숙하지 않은 계단을 오르는 데는 높은 복잡성이 도움이 되지만, 권력과 영향력을 얻기 위해 사회적 사다리를 오르는 것이 무엇을 뜻하는지 이해하려면 복잡성만으로는 부족하다.
우리 머리속의 복잡한 네트워크는 비유가 아니지만, 지금 내 설명은 불완전할 수 밖에 없다. 당신의 뇌는 단순한 신경세포들 그 이상이다. 뇌에는 내가 아직 얘기하지 않은 혈관들과 다양한 체액이 들어 있다.
또 신경세포와는 종류가 다르며 과학자들이 아직 완전히 이해하지 못한 방식으로 동작하는 신경교세포(Glial Cell)라고 물리는 뇌세포도 있다.
놀랍게도 뇌 네트워크는 당신의 장까지도 확장될 수 있다. 과학자들은 신경전달물질을 통해 뇌와 의사소통하는 장내 미생물들을 발견해내기에 이르렀다.