뇌는 '네트워크'다
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우리는 뇌에 관한 사실처럼 알려졌지만 실은 그저 비유일 뿐인 것들에 둘러싸여 있다.
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당신의 왼쪽 뇌가 논리적이고 오른쪽 뇌가 창의적이라는 말을 들었다면 그것은 비유다.
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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.
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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.
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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.
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우리의 뇌 네트워크는 항상 켜져 있다. 신경세포들은 결코 가만히 앉아서 외부세계의 뭔가가 자신들을 켜주기를 기다리지 않는다.
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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.
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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.
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우리 뇌 네트워크도 공항들처럼 클러스터로 묶인다. 공항에서처럼 클러스터 내부 및 외부 연결의 대부분이 로컬이므로, 클러스터는 대부분 로컬 트래픽을 처리한다.
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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.
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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.
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허브는 가장 중요한 기반 시설이다. 뉴어크 국제공항이나 런던의 히드로 공항과 같은 주요 공항 허브가 무너지면 전 세계적으로 항공편이 지연되거나 취소되는 등 파급 효과가 일어난다.
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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.
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허브는 신체예산을 고갈시키지 않으면서 뇌가 작동되도록 하는 효율성의 기점이기 때문에 반대로 취약성의 기점이 되기도 한다.
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(이것은 허브로 연결되는 모든 네트워크 구조들의 공통 특징임)
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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.
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우리의 뇌 네트워크는 정지해있지 않고 지속적으로 변화한다. 어떤 변화는 매우 빠르게 일어난다.
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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.
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이러한 뇌 네트워크의 변화는 즉각적이고 지속적으로 일어난다. 물리적인 뇌 구조는 하나도 달라지지 않는 것처럼 보이더라도 말이다.
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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.
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신경조절물질과 신경전달물질 덕분에 하나의 뇌 구조는 어마어마하게 다양한 활동 패턴을 만들어낸다.
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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.
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이러한 변화는 과학자들이 말하는 가소성(plasticity)의 한 예로 우리가 살아 있는 한 평생에 걸쳐 일어난다.
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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.
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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.
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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.
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마찬가지로 아기가 선천적으로 심한 백내장을 가지고 태어나서 뇌가 시각정보를 입력받지 못하면 시각피질의 신경세포는 다른 감각을 위해 용도가 변경된다.
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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.
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전반적으로 말하면 한 신경세포가 다른 기능들이 아닌 특정 기능에 더 기여할 가능성이 있기는 하지만, 어떤 신경세포도 하나의 심리적 기능만 갖지는 않는다.
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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.
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나는 지금 모든 신경세포가 모든 것을 할 수 있다고 말하는 것이 아니다. 모든 신경세포는 ‘두 가지 이상의 일’을 할 수 있다는 얘기다.
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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.
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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.
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(이 부분이 대단히 중요하다. 나는 프로그래머로써 일하지만, 내가 할 수 있는 일은 프로그래밍만이 아니며, 또한 세상에 나 혼자만 프로그래밍을 할 수 있는 것이 아니다)
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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.
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일반적으로 복잡한 시스템은 다양한 활동 패턴을 만들어내기 위해 협력하고 조정하는 다수의 상호작용하는 부분으로 구성된다. 복잡한 시스템의 작동은 단순히 부분들의 작동을 합쳐 놓은 것 이상이다.
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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.
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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.
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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.
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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.
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새 공항이 열리면 시스템은 이를 수용하도록 재배선한다. 토네이도로 공항이 망가지면 여행은 잠시 방해를 받겠지만 결국 항공사들은 문제를 해결할 것이다.
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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.
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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.
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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.
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기능적으로 말하면 미트로프 브레인은 어느 시점에서든 1,280억 개의 요소가 사실상 하나의 요소에 지나지 않으므로 당신의 뇌보다 복잡성이 낮다.
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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.
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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.
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예컨대 14가지 도구가 달린 실제 주머니칼은 약 16,000개의 패턴(정확히는 개)으로 열릴 수 있으며, 여기에 15번째 도구를 추가하면 이 숫자는 단순히 두 배로 늘어난다.
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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()개에서 약 478만()개로 늘어난다. 다시 말해 기존의 뇌 부분이 더 유연해지면 새로운 부분을 늘리는 것보다 결과적으로 훨씬 더 복잡해진다.
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복잡성이 높은 뇌는 더 많은 것을 기억할 수 있다. 뇌는 컴퓨터에 파일을 저장하는 식으로 기억을 저장하는게 아니라 전기와 소용돌이치는 화학물질으 ㄹ사용해 필요할 때마다 재구성한다.
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우리는 이 과정을 ‘기억(remembering)’이라고 부르지만 사실은 모아서 ‘조합(assembling)’ 하는 것이다.
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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)
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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.
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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.
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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.
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인간의 두뇌는 지구상에서 가장 복잡한 두뇌일 수는 있지만 복잡도가 높은 유일한 두뇌는 아니다.
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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.
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고도로 복잡한 인간의 뇌가 진화의 정점은 아니라는 사실을 잘 기억해두라. 우리 뇌는 다만 우리가 거주하는 환경에 잘 적응했을 뿐이다.
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높은 복잡성은 당신을 인간으로 만드는 너무나 많은 것을 위한 전제 조건일 수 있지만, 그 자체로 뇌가 인간의 마음을 만들 수 있는 능력을 부여하지는 않는다.
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익숙하지 않은 계단을 오르는 데는 높은 복잡성이 도움이 되지만, 권력과 영향력을 얻기 위해 사회적 사다리를 오르는 것이 무엇을 뜻하는지 이해하려면 복잡성만으로는 부족하다.
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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.
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또 신경세포와는 종류가 다르며 과학자들이 아직 완전히 이해하지 못한 방식으로 동작하는 신경교세포(Glial Cell)라고 물리는 뇌세포도 있다.
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놀랍게도 뇌 네트워크는 당신의 장까지도 확장될 수 있다. 과학자들은 신경전달물질을 통해 뇌와 의사소통하는 장내 미생물들을 발견해내기에 이르렀다.
