인간과 우주에 대해 아주 조금밖에 모르는 것들

'사이언스' 125주년 선정 '아직도 풀지 못한 과학의 최고 난제'에 한국의 과학자들이 답하다.

 

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ㅇ 2005년 '사이언스'는 창간 125주년을 맞아 우주와 자연, 생명과 의식에 관한 가장 중요한 125개의 질문을 선정했다. 

  

  (Brain)

1. 생체시계는 어쩌 이렇게 정확할까? 

2. 어떻게 기억을 저장하고 불러내는가?  (강봉균교수)

 

ㅇ 뇌가 불러오고 저장하는 정보는 자극이 만들어 낸 활동 전위라는 전기 신호다. 소리의 떨림을 전기 신호로 바꿔 저장하는 녹음기와 같은 원리이다. 세포체에서 뻗어 나온 돌기가 이 전기 신호를 전달하는 전선과 같은 역할을 한다.

 

ㅇ 두 뉴런을 연결해 주는 구조를 시냅스라고 하는데, 하나의 뉴런은 수만 개의 다른 뉴런과 시냅스를 형성하고 있다. 뇌는 1,000조 개에 이르는 시냅스로 이루어진 엄청나게 복잡한 회로라고 할 수 있다......뇌에는 연결 방식에 따라 천문학적인 수의 신경 회로망이 있다.

 

ㅇ 시냅스의 양이나 위치 등은 정상적인 사람끼리도 조금씩 다르다.시냅스의 구조와 기능은 사람마다 조금씩 다 다르기 때문에 사람의 기억은 복제될 수 없는 것일지도 모른다. 이 차이는 유전에 의한 선천적인 영향보다는 학습에 의한 후천적인 영향을 더 많이 받는다고 알려져 있다. 

 

ㅇ 학습과 환경에 따라 시냅스의 형태가 늘 변한다는 사실을 발견하고, 이러한 성질을 '신경 가소성'이라고 했다.

 

ㅇ 시냅스를 많이 사용할수록 시냅스의 기능이 좋아지는 현상인 장기 강화(Long-Term Potentiation) 현상도 발견하였다.

 

 ㅇ 우리가 기억하는 내용은 크게 서술 정보와 비서술정보로 나누어 볼 수 있다.

- 서술 정보란 말로 표현할 수 있는 정보이다. 즉, 학교 공부, 영화 줄거리, 장소나 위치, 사람 얼굴처럼 누군가에서 전달할 수 있는 정보로, 외현 정보라고도 한다.

- 서술 정보는 비교적 쉽게 얻어지지만 의식이 있는 상태에서만 기억과 회상이 가능하며 회상할 때는 가끔 기억 내용이 변형되기도 한다. 

 

- 비서술 정보는 말로 표현할 수 없는 정보이다. 몸으로 체득하는 운동 기술, 습관, 버릇, 반사적 행동 처럼 누군가에게 전달하기 힘든 정보로, 감춰져 있다는 의미에서 암묵정보라고도 한다.

 

- 비서술 정보는 대부분 고되고 반복적인 훈련을 통해 얻어지지만 기억 내용이 정확하게 표현되며 기억할 때 의식을 필요로 하지 않는다. 

 

- 농구에서 경기의 규칙이나 전술은 서술 정보이고, 몸에 벤 선수의 운동 기술은 비서술 정보라고 하면 쉽게 구분이 된다.

 

ㅇ 해마는 서술 기억을 처리하는 데 중요한 기능을 하는 곳이다. 운동 규칙처럼 비교적 쉽게 습득되며 변형이 되기도 하는 서술 기억은 해마와 그 주변 조직들이 포함돼 있는 내측두엽으로 들어와 몇 주 정도 일시적으로 머물게 되고, 그 동안 쪼개져 신경 정보 신호로 바뀌고 어떻게 나우어 저장될지 결정된 뒤, 그 가운데 오랫동안 기억하 내용은 바로 대뇌피질의 여러 부분으로 보내져 저장된다.

 

ㅇ 장기기억이 저장되는 곳은 대뇌 피질이다. 내측두엽으로 들어 온 서술 정보는 해마와 그 주변 조직들에 몇 주 정도 일시적으로 머물게 되고, 그동안 쪼개져 신경 정보 신호로 바뀌고 어떻게 나뉘어 저장될지 결정된다. 이렇게 오랫동안 기억될 수 있도록 서술 정보를 조직화하는 과정을 부호화 단계라고 한다. 

 

ㅇ 부호화 단계가 끝나면, 그 가운데 오랫동안 기억할 내용은 바로 대뇌 피질의 여러 부분으로 보내져 저장된다.....

- 대뇌 피질로 전해진 정보는 같은 범주로 분류되는 내용끼리는 같은 영역에 저장된다. 

- 기억과 관련된 유전자가 발현돼 단백질이 만들어 진다. 이 단백질 덕분에 기억 내용이 공고해지고 오랫동안 저장된 상태를 유지한다...

- 장기 기억은 거의 무제한으로 뇌에 저장된다.

 

ㅇ 대화를 나누거나 어떤 일을 생각할 때 순간적으로 잠시 저장하는 내용들.....작동 기억....예를 들어 핸드폰 번호 010-을 제외한 7자리 수 기억...뇌의 전두엽이 담당

- 작동 기억 정보가 들어오면 신경 전달 물질인 도파민 또는 글루탐산이 분비되고, 전두엽의 뉴런은 이 물질에 반응해 정보의 내용을 잠시 저장한다.

 

ㅇ 오래 기억되는 학습 내용이든, 잠깐 기억하고 잊어 버리는 전화번호이든 의식이 깨어 있어야 회상이 된다...의식이 필요 없는 기억은 운동 기술에 익숙해지는 과정, 계속적인 자극에 둔감해지는 습관화 등....

 

ㅇ 다양한 기억은 다양한 곳에 저장된다...

- 폐달을 누르는 기술에 대한 기억은 선조체나 소뇌에,,,

- 습관화나 민감화 기억은 감각이나 운동 체계를 맡고 있는 신경망에 저장...

- 비서술 기억 가운데 감정이나 보상 작용, 공포와 관련된 기억은 편도체에 저장된다.

 

ㅇ 기억을 저장할 때 단백질 합성이 필요하다....저장된 기억을 회상했다가 다시 제자리에 저장할 때도 단백질 합성이 필요하다...

 

3. 의식의 생물학적 토대는 무엇인가?  (강봉균교수)

 

ㅇ 의식이 뇌에서 어떻게 생성되는지는 21세기 신경과학의 목표로 삼고 있는 최고의 연구과제 가운데 하나..

 

ㅇ 뇌에는 수많은 뉴런의 연결 방식에 따라 다양한 기능을 하는 다양한 형태의 신경 회로망이 있다.....뇌의 모든 현상은 뇌에서 어떤 신경 회로망이 활동하느냐에 따라 정해진다. 이러한 신경 회로망은 기능에 따라 특정한 영역에 몰려 있는 경우들이 발견되는데, 이를 모듈이라고 한다. 예를 들어, 후두엽에는 시각 정보를 처리하는 모듈들이 있고, 측두엽에는 청각 정보 처리 모듈들과 기억 저장에 관계하는 영역, 두정엽에는 공간 인지 및 촉각 지각과 관련된 여러 모듈들이 있다.  전두엽에는 계획, 계산, 비교, 판단처럼 차원 높은 사고 작용을 담당하는 모듈들이 있다.

 

ㅇ 대뇌 피질의 여러 모듈들이 협력하여 여러 정보들이 잘 혼합되어야 의식 대상에 대한 일정한 줄거리가 만들어진다. 또한, 의식 수준이 높아질수록 활동하는 신경 회로망의 규모는 커진다. 

- 뇌가 깨어 있어야 한다. 즉, 뇌간이 제대로 활동해야 한다. (아니면 혼수상태 식물인간)

- 현재의 상황을 실시간으로 느끼게 해 주는 감각 영역이 필요...

- 들어오는 정보를 기존의 저장된 기억과 비교하고 의미를 끌어내어 특정한 결정을 내리기 위해서는 측두엽과 전두엽도 협력하여야 함 

 

ㅇ 의식만을 위한 특정한 영역이 있다기 보다는, 여러 영역에 존재하는 다양한 모듈이 어떠한 통합 과정을 거쳐 통일성 있는 자기 인식을 가져온다는 견해가 지지를 받고 있다. 지금 까지 연구된 바로는, 의식이 뇌에서 구현되는 과정에서 전두엽이 중요하고, 그 외에도 뇌의 여러 영역이 관여하고 있다...

 

ㅇ 같이 활동하는 집합에 속하는 뉴런들은 최소한 일부만이라도 동시에 활동한다는 점이 무엇보다 중요하다. 이런한 현상을 일컬어 뉴런들이 '결합한다'라고 하는데, 이러한 결합이 일어나는 과정 자체는 시냅스 활동의 산물이며 무의식 상태에서 일어난다. 

 

ㅇ 의식을 진화의 관점에서 보는 해석....어떤 개체의 생존 가능성을 높이기 위해 의식이 생겨났다고 보는 해석... 외부 환경에서 자극이 왔을 때 본능에 따라 반응하는 다른 동물과 달리, 의식이라는 선택적 반응을 통하면 신경계가 보다 효율적으로 활동할 수 있다는 설명....의식을 통해 다양한 정보 처리가 이뤄지면 다양한 행동을 만들어 낼 수 있고, 다양한 정보를 결합하여 활용하면 당연히 가장 적절한 의사 결정을 내릴 수 있다. 이렇게 학습 능력이 점점 발전되면, 이러한 개체는 본능에만 충실한 다른 동물보다 당연히 살아남을 가능성이 더 커졌을 것...

 

ㅇ 복잡하게 신경 회로망이 발달하고, 인간 정신 활동의 산물이 문화를 만들어 낼 줄 아는 뇌로 발전한 때를 많은 과학자들은 약 4만 년쯤으로 보고 있다. 

 

4. 잠자고 꿈꾸는 이유는 무엇인가? 

 

   (Life)

1. 유전자 조절로 건강을 관리할 수 있을까?

2. 줄기세포로 모든 암을 치료할 수 있을까? 

 

   (Human)

1. 도덕성은 뇌에 각인되어 있을까? 

2. 성격은 유전자와 얼마나 연관이 되어 있을까?

3. 서로 돕는 행동은 어떻게 진화되어 왔을까? 

 

   (Universe)

1. 통일 이론은 가능할까?

2. 우리 우주는 유한한가?

3. 광활한 우주는 무엇으로 채워져 있나?

4. 복잡계를 설명하는 일반 이론을 발견할 수 있을까? 

 

 

 

[ 연결 ]

 

여러 전문가들이 단일한 큰 주제나 목적을 정해 놓고 글을 써서 책으로 낸 것들은 더러 있다. 

아마 원조격은 ‘지식의 지휘자’, ‘지식의 전도사’, ‘지식의 효소’라고 불리는 엣지의 설립자이자, 편집자, 출판사 대표인 존 브록만 (John Brockman)일 것이다.

 

주제나 목적의 신선함과 저자들의 명성, 글의 수준에 있어서 아래 국내 유사 책들과는 확실히 내공이 다르다.

그 중 최초로 읽은 책은 아래 '과학은 모든 의문에 답할 수 있는가?'이다.

1996년에 나왔는데도 다시 읽어도 수준이 높다.

 

이후 몇 권의 책을 더 읽으면서 나는 기본적으로 이 시리즈에 팬이 되었다.

국내에서도 이런 방식을 따서 내는 책들이 더러 있다.

아마 (한국 최고의 과학지성들이 현대과학의 난제에 도전한다)는 부제를 달고 있는 '우주와 인간 사이에 질문을 던지다' 정도가 내가 읽은 초기 책이 아닌가 싶다.

 

 

가장 유명한 것은 ‘렉처 사이언스 KAOS 시리즈’로  재단법인 카오스에서 기획한 대중 과학 강연을 바탕으로 한 강연 단행본 시리즈이다. 시리즈는 7번까지 나와 있고 나는 기원과 뇌만 읽었다. 

(개인적으로는 구매/소장보다는 도서관에서 빌려 읽을 만한 수준이었다)

카이스트 명강 시리즈가 제법 읽은 만했고 (나도 읽었고) 인기가 있었던 것 같다.

 

'서가명강' 시리즈 뭐 이런 brand를 내건 유사한 책들이 쏟아 진다.

(여러 권이 나왔지만 나는 별로 뭐 관심있는 주제가 없어 아래 책들만 본 상태다.)

 

 

이보다 나는 경암바이오유스캠프 강연을 글로 다시 풀어쓴 생물학 교양 도서인 '경암바이오'시리즈가 읽어 볼 + 소장할 만한 가치가 있었다.

 

 

 

 

 

 

[ 자평 ]

 

물론 대상 독자가 다르다는 것을 감안하더라도 강연형태로 쓴 책들은 너무 수준이 낮다. 

(책의 내용이 수준이 낮다는 것이지, 강연하신 교수님의 수준이 낮다는 말이 전혀 아니다.)

 

이런 책들은 커피 위에 얹어진 얇은 거품을 걷어 내듯이 가볍게 읽을 필요는 있다.

전체적으로 한 번 걷어 내면 깊은 속에 무엇을 담고 있는지 알 수 가 있다.

 

하지만 좀 더 깊은 지식을 위해서는 수직으로 파야 한다. 

수평은 항상 한계가 있다.