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뇌의 본성을 확인하다!

뇌에 있는 신경줄기세포는 알츠하이머병, 파킨슨병, 척수손상, 뇌졸중 등 다양한 신경질환 치료를 위해 이용할 수 있다. 지금 연구자들은 신경줄기세포를 연구실에서 배양해 특정한 종류의 신경세포로 성숙시킨 뒤 뇌에 이식하는 방법을 연구하고 있다.『일상적이지만 절대적인 뇌과학지식 50』은 낡은 개념을 새로운 증거로 재정립하고 최근에 밝혀낸 정보까지 아울러서 뇌과학을 관통하는 중요한 개념을 일목요연하게 정리한 책이다. 모헤브 코스탄디는 인류가 지난 100년 동안 뇌에 관해 밝혀온 것을 이 책을 통해 담았다. 뇌과학의 본질은 물론 사회적 의미와 한계를 환기할 것이다.

예를 들어 외롭고 궁핍한 환경에서 자란 설치류의 환경을 개선하면 뇌 발달 수준이 나아질 수 있음이 밝혀졌다. 이처럼 어린이에게도 충분한 영양과 다양한 정신적 자극을 제공하면 신경세포의 후성유전적 변화를 통해 빈곤의 부정적 효과를 적어도 얼마간은 되돌리거나 늦출 수 있다. 1,200명 이상을 대상으로 한 최근 연구에서는 빈곤이 건강에 미치는 부정적인 영향을 어머니의 따뜻한 보살핌으로 얼마간 상쇄할 수 있음이 드러났다.

우주에서 가장 복잡한 물질, 뇌
인류는 이제 막 뇌의 본성을 알아가기 시작했다!

▼ 우리가 우리 뇌를 바라보다
2016년 3월, 세계의 이목은 바둑판에 쏠렸다. 인간의 뇌와 인공의 뇌가 바둑판에서 어떤 대결을 보일까에 대한 관심이었다. 대국 전 사람들은 대부분 인간의 낙승을 예상했지만 결과는 석패. 하지만 사람들은 이 과정에서 인간이 가진 뇌의 미래에 대한 무한한 가능성을 보았고 이러한 관심은 최근 시작된 ‘세계 뇌주간’을 거치면서 진지한 호기심으로 발전해 나가고 있다.

뇌는 1,000억 개에 달하는 신경세포로 불과 1,000분의 1초 만에 정보를 전달하는, 우리 몸에서 가장 강력하고 신비로운 기관이다. 그 신비를 파헤치기 위해 과학자들은 수십 년 동안 연구와 실험을 거듭했고 최근에 이르러서야 뇌가 생각과 행동, 기억, 심지어는 자의식까지 지배하는 방법이 조금씩 밝혀졌다.
뇌 연구 초기에는 정확하지 않은 정보들도 많았다. 예컨대 골상학은 머리의 형태와 성격을 연결 지은 19세기 연구 분야로 당대에는 큰 영향력을 발휘했지만 결국 사이비 과학으로 밝혀졌다. 지금도 크게 다르진 않다. 왼쪽 뇌가 논리를 담당하고 오른쪽 뇌가 창의성을 담당한다는 등의 근거가 빈약한 이야기들은 여전히 교육이나 기업경영에 상당한 영향을 끼치고 있다.

《일상적이지만 절대적인 뇌과학지식 50》은 낡은 개념을 새로운 증거로 재정립하고 최근에 밝혀낸 정보까지 아울러서 뇌과학을 관통하는 중요한 개념을 일목요연하게 정리한 책이다. 저자가 서문에서 밝힌 것처럼, 인류가 지난 100년 동안 뇌에 관해 밝혀온 것을 압축해 고스란히 담았다고 할 수 있다.

▼ 뇌가 나를 지배한다
내가 나인지 어떻게 알 수 있을까? 우리는 자신이 몸 안에 자리 잡고 있다고 느끼며, 몸이 자신의 것이라고 인식한다. 이처럼 신체 인식이 생기는 것은 자아의 일부인 것과 아닌 것을 뇌가 구분해 신체 소유의식을 불러일으키기 때문이다. 소유의식은 뇌가 신체에서 오는 시각?촉각?고유감각 정보를 통합해 신체의 역동적인 표상을 만들어 생겨난다. 이른바 오래된 연장을 자아의 일부로 여기는 것으로 시각장애인이 지팡이로 ‘촉각’을 대신하는 것도 같은 맥락이다.
자유의지도 신체를 인식하는 데 중요한 요인이다. 자유의지란 스스로 자기 신체를 통제하고 자신의 행동에 책임진다는 감각으로 이는 오랫동안 철학자들의 주된 논쟁거리였다. 최근 뇌과학은 자유의지가 착각에 지나지 않을지도 모른다고 말한다. 우리가 행동을 의식적으로 결정하기 전에 뇌가 이미 그 행동을 준비하고 있다는 연구가 이어지고 있다. 우리의 결정은 우리가 의식하지 못하는 뇌의 메커니즘에 따라 이미 정해져 있다는 것이다. 한 실험에서는 참가자들이 여러 단추 중 어떤 단추를 누를지 스스로 의식하기 10초 전에 뇌 운동영역 활동에 따라 60퍼센트 정확도로 예측할 수 있음을 발견했다. 이는 자유의지에 대한 고전적인 개념과 정면으로 배치된다. 하지만 이들 연구는 여러 가지로 해석될 여지를 남겨두며 아직 논란의 중심에 서있다.

▼ 만들어지는 뇌
가난이 뇌 발달과 장래의 행동 패턴에 강력한 영향을 미칠 수 있다는 사실은 알려진 지 몇 년 되지 않는다. 빈궁한 환경에서 자라는 어린이는 정신적 자극을 충분히 받지 못할 수 있고 따라서 어린 시절에 극심한 스트레스를 받을 수 있다. 이러한 영향은 뇌의 발달을 저해해 학업 성적이 떨어지는 등 아이의 미래에 문제가 될 소지가 있다. 2005년 이후 진행된 여러 연구 사례가 이를 뒷받침해준다. 저소득층 어린이는 언어, 기억, 시각?공간 능력 등 모든 인지발달지수가 중산층 어린이보다 일관되게 뒤처졌다.
이 격차는 뇌 구조 및 기능의 변화와 관련이 있었다. 최근 연구에서 드러난 바로는 저소득층 어린이의 경우 집행기능 및 작업기억에 관여하는 전전두피질의 활동이 특이한 양상을 보이는데 이는 주의력 결핍과 밀접한 연관이 있다. 또 다른 연구에서는 저소득층 어린이가 상대적으로 회백질 밀도가 낮다는 것이 밝혀졌다. 이러한 뇌의 변화는 훗날 우울증, 충동조절 장애 및 성격장애, 알코올 남용을 겪을 가능성을 높일 수 있다.

되돌릴 기회는 있다. 외롭고 궁핍한 환경에서 자란 설치류의 환경을 개선하면 뇌 발달 수준이 나아질 수 있음이 밝혀졌다. 이처럼 어린이에게도 충분한 영양과 다양한 정신적 자극을 제공하면 신경세포의 후성유전적 변화를 통해 빈곤의 부정적 효과를 적어도 얼마간은 되돌리거나 늦출 수 있다. 1,200명 이상을 대상으로 한 최근 연구에서는 빈곤이 건강에 미치는 부정적인 영향을 어머니의 따뜻한 보살핌으로 얼마간 상쇄할 수 있음이 드러났다.

▼ 뇌과학이 가져올 미래
뇌에 있는 신경줄기세포는 알츠하이머병, 파킨슨병, 척수손상, 뇌졸중 등 다양한 신경질환 치료를 위해 이용할 수 있다. 지금 연구자들은 신경줄기세포를 연구실에서 배양해 특정한 종류의 신경세포로 성숙시킨 뒤 뇌에 이식하는 방법을 연구하고 있다. 전기 및 자기 자극을 뇌 치료에 적극적으로 활용하는 움직임도 일고 있다. 뇌 특정 부분에 가느다란 전극을 심거나 전극이 들어 있는 모자를 써서, 특정 영역의 신경세포 활동을 조정하는 것이다. 뇌의 힘으로 외부 장치를 제어하는 뇌-컴퓨터 인터페이스도 중증 마비 환자들에게 큰 도움이 될 전망이다. 전극을 뇌에 삽입한 한 환자가 로봇 팔에 지령을 내려 물병을 잡고 입 쪽으로 당겨서, 빨대로 물을 마셨다는 사례도 보고되었다. 물론 이런 뇌활용 기술에는 아직 걸림돌이 많지만 그 가능성은 무궁무진하다.
반면 뇌 기술이 발달함에 따라 비판도 불거지고 있다. 이른바 ‘머리 좋아지는 약’이라 불리는 지능향상제는 안전성에 대한 우려와 함께 불공정한 지적 불평등을 초래할 수 있다는 목소리도 나온다. 주로 도파민 전달 체계에 효과를 발휘하는 이 약들은 현재 인터넷으로 쉽게 살 수 있고 학자와 전문가들 사이에선 복용이 빠르게 늘고 있다고 한다. 뇌를 촬영해 사람이 보고 있는 장면을 영상으로 재구성할 수 있는 뇌 촬영기술도 정신적 사생활을 침해에 할 수 있다는 비판에서 벗어나기 힘들다.
그래서 뇌과학에는 윤리적 고민이 반드시 따라야만 한다. 신경윤리학은 뇌과학의 발전으로 말미암은 윤리적인 문제를 광범위하게 다루려 한다. 예컨대 앞서 말한 지능향상제의 허용이나 뇌 촬영의 사생활 침해 문제, 뇌 검사를 기반으로 한 강제 예방 조치, 뇌 손상이 있는 범죄자의 경감 문제 등 수많은 윤리적 난제들을 풀어가야 할 것이다.

뇌과학은 이처럼 우리 일상에 빠르게 스며들고 있으며 그것이 일으킬 파고는 예측하기 어려울 정도다. 그래서 지금 뇌과학을 둘러싼 오해와 잘못된 평가도 적지 않다. 뇌과학의 필요와 관심이 커지는 지금, 《일상적이지만 절대적인 뇌과학지식 50》은 뇌과학의 본질은 물론 사회적 의미와 한계를 환기할 것이다.

들어가는 말 _ 6
뇌와 자아
01신체 인식 _ 12
02자유의지 _ 16
03남녀의 뇌 _ 20
04성격 _ 26
05뇌손상 환자 _ 30
06거울신경세포 _ 35
07커넥톰 _ 40
08체화된 인지 _ 44
09의식의 극장 _ 50
10의식장애 _ 54

사고 과정
11주의 _ 60
12작업기억 _ 64
13학습과 기억 _ 68
14정신적 시간여행 _ 73
15기억 (재)응고 _ 77
16의사 결정 _ 83
17보상과 동기부여 _ 87
18언어 처리 _ 91
19집행기능 _ 95

역동적인 뇌
20세포 이주와 신경섬유 성장 _ 102
21세포사 _ 106
22시냅스 가지치기 _ 110
23신경가소성 _ 115
24사춘기 _ 119
25스트레스와 뇌 _ 125
26뇌의 노화 _ 129
27신경퇴행 _ 133

신경계의 구조와 기능
28신경계 _ 140
29신경세포 _ 144
30신경교세포 _ 149
31신경 임펄스 _ 153
32시냅스전달 _ 159
33감각지각 _ 163
34운동 _ 168
35뇌 지형도 _ 172
36뇌의 전문 영역 _ 178
37뇌의 비대칭 _ 182

도그마를 벗어나
38성체 신경형성 _ 188
39후성유전 _ 192
40디폴트 모드 _ 198
41뇌파 진동 _ 202
42예측오차 _ 207

새로운 기술과 도전
43신경줄기세포 _ 214
44뇌 자극 _ 218
45인지 강화 _ 223
46뇌 촬영 _ 227
47해독 _ 232
48뇌-컴퓨터 인터페이스 _ 236
49신경과학과 법 _ 242
50신경윤리학 _ 246

남녀의 뇌는 미묘하게 다르며, 이 차이는 아마 자궁에서 확립될 것이다. 태내에서 각 기관이 발달할 때 수정란을 남성화시키거나 여성화시키는 성호르몬이 영향을 미치기 때문이다. 하지만 우리는 성호르몬이 발달하는 뇌에 미치는 효과나, 남녀의 뇌에서 알아볼 수 있는 미묘한 차이가 성별 행동 차이와 어떤 관계가 있는지를 아직 알지 못한다. -21쪽

초기 연구 가운데 한 사례에서는 양전자방출단층촬영(PET)을 통해, 외향적인 사람보다 내향적인 사람에게서 전두엽과 시상 앞부분으로 가는 혈류가 더 많음을 보였다. 연구자들은 이것이 혼자 있기를 좋아하고 자기반성을 잘하는 내향적인 사람의 성향과 관계있다는 견해를 내놓았다. -28쪽

의식의 극장에서 무대는 단기간에 제한된 정보를 간직하고 조작하는 ‘작업기억working memory’의 장이다. 무대는 경험이 ‘마음의 눈’에 투영되는, 일종의 스크린이다. 그리고 일부 배우의 연기를 드러내기 위해 밝은 스포트라이트로 무대를 비추는 ‘선택적 주의selective attention’가 쇼를 만든다. 주의를 쏟는 스포트라이트는 의식의 내용을 드러낸다. 의식의 내용은 일부 배우가 무대를 벗어나거나 다른 배우들로 교체되면서 시시각각 바뀐다. -51쪽

뇌가 손상된 환자 집단에서도 감정이 의사 결정에 중요한 역할을 한다는 증거가 나왔다. 흔히 금융시장이 탐욕과 공포에 따라 움직인다고들 하는데, 이것은 개인이 재테크를 하는 경우에도 마찬가지다. 우리는 대부분 돈을 잃기 싫어하며, 그래서 돈을 잃을 위험을 최소화할 수 있는 결정을 내린다. 연구자들은 2010년에 편도체가 단단해지다가 괴사하게 된 희귀한 뇌손상 환자 두 명을 검사했다. 편도체는 감정, 특히 두려움을 처리하는 데 관계한다. 편도체가 손상된 환자는 말 그대로 아무런 두려움을 느끼지 못하며, 따라서 도박을 하는 실험 과제에도 큰돈을 잃을 수 있는 매우 위험한 결정을 내린다. -85, 87쪽

실제로는 우리가 하는 모든 것이 ‘뇌를 재구성한다.’ 가소성에 따라 뇌가 발달하고 형성되며, 새로운 경험에 따라 그 물리적 구조가 이리저리 바뀌는 것이다. 예컨대 학습과 기억은 분산된 신경세포망에서 이뤄지는 시냅스 강화와 연관된다. -118쪽

청소년은 신기한 것과 감흥을 추구하기 때문에 위험을 감수한다. 친숙한 곳을 떠나 새로운 경험을 추구하고 새로운 영토를 발굴한다. 이것은 부모가 만든 안전한 환경에서 떠나 바깥세상으로 나가기 위한 준비다. 인생에서 매우 중요한 이 시기에 경험을 통해 배울 수 있도록 사춘기의 뇌가 더 유연해지는 셈이다. 우리 조상들이 10대에 터무니없는 행동을 하지 않았다면 실로 인류는 지구 구석구석까지 퍼지지 못했을지도 모른다. -122, 123쪽

사람의 뇌에는 수천억 개에 이르는 세포가 매우 조직적으로 배열되어 있다. 흔히 우주에서 가장 복잡한 구조로 이뤄졌다고들 한다. 하지만 그 무게는 1.5킬로그램밖에 되지 않는다. 뇌의 왼쪽 반구는 몸의 오른편, 오른쪽 반구는 몸의 왼편을 제어하며 그쪽에서 정보를 받아들인다. 각 반구의 표면을 이루는 대뇌피질은 네 가지 ‘엽’으로 나뉘어 각기 다른 전문 기능을 수행한다. 각 엽 사이에는 깊은 고랑fissure이 패어 있다. -140쪽

움직임을 만들어내는 것은 신경계의 일차적인 기능이다. 인간을 비롯해 모든 동물은 배우자를 찾고 먹이를 구하며 적을 피하고 위험한 상황을 벗어나려면 움직여야 한다. 따라서 뇌의 많은 부분이 수의운동(맘대로운동)을 계획하고 실행하는 데 관여한다. 대뇌피질의 여러 부분뿐 아니라 다양한 피질 아래 구조(피질하 구조)와 척수가 운동신경에 포함된다. 이들 구조가 함께 작용해 움직임을 가능하게 만드는 것이다. -168쪽

현대 신경과학은 우리가 스스로를 바라보는 방법을 바꾸고 있다. 그리고 이용 가능한 지식과 기술의 진보는 뇌를 조종해 우리 행동을 제어할 가능성까지 열고 있다. 이에 따라 윤리적으로 많은 문제가 제기된다. 신경과학자들은 이들 문제를 외면하지 말고, 대중에게 자신의 연구를 이해시켜야 한다. -246쪽