게로 미센복: 두뇌의 재설계

저에게는 분신이 하나 있습니다. (웃음) 게로 박사는 만화 드래곤볼 Z "안드로이드 사가"에 나오는 명석하지만 살짝 미친 과학자죠. 잘 살펴보시면, 게로 박사 머리가 투명한 유리 돔으로 되어 있어서 그의 뇌가 어떻게 돌아가는지 관찰할 수 있지요. 그리고 빛으로 통제하는 것도 가능하답니다. 이게 제가 바로 하는 일입니다. 즉, 광학적 마인드 컨트롤입니다.

(웃음)

하지만 세계 정복 욕망을 불태우는 제 사악한 분신인 게로 박사와는 달리 제 동기는 나쁜 게 아니죠. 저는 뇌가 어떻게 돌아가는지 이해하기 위해 그걸 조종하는 것이니까요. 여기서 잠깐 여러분은 아마 뇌를 이해하지도 못했는데 어떻게 뇌를 통제할 수 있는 걸로 넘어갔냐고 하실지도 모릅니다. 마치 말 앞에 마차를 두는것 같지 않냐고 하실 수도 있죠. 많은 신경과학자들이 이러한 관점에 동의하고 보다 정교한 관찰과 분석을 통해 뇌를 이해할 수 있다고 합니다. 신경과학자들은, "우리가 뉴런의 활동을 기록할 수 있다면, 뇌를 이해할 수 있을 것이다." 라고 합니다. 그러나 이것이 어떤 의미인지 잠시 생각해보면 만약 우리가 모든 세포들이 뭘 하고 있는지 항상 측정할 수 있다면 기록된 활동 패턴을 우리가 이해할 수 있어야 한다는 말입니다. 그건 정말 어려운 일입니다. 우리가 이런 패턴을 이해할 수 있는 확률은 두뇌가 그 패턴을 생산해내는 것 만큼이나 아주 희박하죠.

두뇌 활동이 어떻게 보이는지 한 번 보시죠. 여기 시뮬레이션에서 보시는 각각의 검은 점은 하나의 신경 세포입니다. 이 점들은 각 세포가 각 세포가 전기적 신호를 발화할 때마다 나타납니다. 여기에는 만 개의 뉴런이 있는데, 여러분이 보시는 건 바퀴벌레 뇌의 대략 1%일 것입니다. 사람의 뇌는 이보다 약 1억 배 정도 더 복잡합니다. 이런 패턴의 어디가는 바로 여러분이죠. 여러분의 지각, 감정과 기억, 미래에 대한 계획 같은 것을 나타냅니다. 하지만 우리는 그게 어디인지 모릅니다. 이런 패턴을 어떻게 읽어야 할지 모르기 때문입니다. 우리는 뇌가 어떤 암호를 사용하는지 모릅니다. 그 이상을 알기 위해서는 우리는 이 암호를 해독해야 하지요. 하지만 어떻게 해독해야 할까요? 전문 암호해독자라면 여러분에게 암호 속의 상징이 뭘 의미하는지 파악하기 위해서는 암호를 다룰 수 있는지와 원하는 대로 재배열할 수 있는지가 중요하다고 할 겁니다. 그래서 이 경우에도 이와 같은 패턴을 갖고 있는 정보를 해독하기 위해서는 관찰하는 것만으로는 부족하고 그 패턴을 재배열해봐야 합니다. 다시 말하면, 뉴런의 활동을 기록하는 대신 통제해야 하는 거죠. 뇌 안의 모든 뉴런의 활동을 제어할 필요는 없고 그저 일부만 통제해 보면 됩니다. 좀 더 잘 제어된 통제라면 더욱 좋겠죠. 제가 잠시 후에 여러분께 보여드릴 것은 우리가 어떻게 필요한 정밀도를 달성할 수 있냐는 겁니다.

저는 그럴싸하게 부풀려 말하기보다 현실적으로 말하는 편이라서 신경계의 기능을 조절하는 능력이 모든 미스테리를 즉각 풀어줄 거라고는 말하지 않겠습니다. 그러나 우리는 확실히 많은 것을 배울 겁니다. 음, 저는 이러한 제어 방법이 얼마나 강력한 수단인지 발견한 첫번째 사람은 아닙니다. 신경계의 기능을 자극시켜 보는 시도는 사실 꽤 오래 되었고 잘 알려져 있는 것이죠. 적어도 200년 전으로 돌아가 보면 18세기 후반에 갈바니의 (갈바니: 이탈리아의 생리학자·물리학자) 유명한 실험이 있었죠. 갈바니는 개구리의 요추신경에 전류를 연결시켰을 때 개구리 다리가 꿈틀거린다는 것을 실험을 통해 보여줬죠. 이 실험은 최초로 그리고 아마도 가장 근본적인 신경 코드에 대한 개념을 보여주었습니다. 즉, 정보가 전기 자극의 형태로 쓰여져 있다는 것을 말입니다. 전극을 갖고 있는 신경계를 규명하려는 갈바니의 시도는 오늘날까지도 예술과 같은 경지로 여겨집니다. 몇 가지 결점에도 불구하고 말이죠. 뇌에 전선을 붙이는 것은 분명 좀 엉성할 겁니다. 여기저기 뛰어다니는 동물한테 그러기도 어렵거니와 동시에 꽂을 수 있는 전선 개수에도 실질적인 한계가 있습니다.

그래서 지난 세기가 넘어갈 무렵 저는 이런 생각을 했죠. 이 논리를 뒤집어서 생각해보면 멋지지 않을까 하고 말입니다. 그래서 뇌의 한 부분에 전선을 삽입하는 대신 뇌 자체를 재설계하는 겁니다. 신경 요소 일부가 방산되는 신호에 자극할 수 있도록 말입니다. 예를 들어 빛을 쪼이는 것 같은 거죠. 말 그대로 빛을 쪼이는 이러한 시도는 지금껏 발견을 어렵게 했던 장애들을 극복하게 합니다. 우선, 이 방법은 분명 비(非)침투적인 무선 커뮤니케이션 형태입니다. 그리고 두번째로 라디오 방송처럼 많은 수신기와 동시에 소통할 수 있는 방법입니다. 수신기가 어디에 있는지 알 필요는 없습니다. 그리고 수신기가 돌아다녀도 상관없습니다. 차에 있는 스테레오 장치를 생각해보세요. 우리가 DNA에 암호화된 물질로 만든 수신기를 제작해 낼 수 있다면 더욱 좋겠죠. 그래서 적절한 유전적 구성을 가진 각각의 신경 세포가 우리가 그 기능을 통제할 수 있는 수신기를 동시에 생산할 수 있게 말입니다. 저는 여러분께서 이 개념의 아름다운 단순함을 주목해 주셨으면 합니다. 여기에는 어떤 하이테크 장치도 없습니다. 그저 생물학을 통해 밝혀진 생물학일 뿐이지요.

자, 그럼 이 엄청난 수신기를 자세히 살펴 보도록 하죠. 여기 보라색 뉴런 중 하나를 확대해보면 바깥쪽 피막에 미세한 기공들이 산재해 있는 걸 보실 수 있습니다. 이런 기공들은 전류를 유도하고 신경계의 모든 의사소통을 담당하고 있습니다. 그러나 여기 있는 기공들은 특별합니다. 이 기공은 여러분의 눈과 비슷한 빛 수용체와 결합되어 있습니다. 이 수용체에 빛이 쪼여질 때마다 기공이 열리게 되면 전류가 연결되고 뉴런은 전기적 자극을 보내는 겁니다. 왜냐하면 광(光)활성된 기공은 DNA에 암호화되어 있기 때문에 놀라운 정밀성을 갖게 되는 것이죠. 그래서 이것이 우리 몸에 모든 세포들이 같은 조합의 유전자를 가지고 있음에도 불구하고 유전자의 다른 조합이 서로 다른 세포에서 반응했다 안 했다 하는 이유인 것이죠. 여러분은 이걸 이용해서 몇 개의 뉴런만 광(光)활성된 기공을 가지고 있고 다른 것들은 그렇지 않다는 걸 확인할 수 있습니다. 여기 그림에서 좌측 상단에 있는 푸르스름한 하얀 세포는 빛에 반응 하지 않고 있죠. 왜냐하면 광(光)활성된 기공이 없기 때문이죠. 이런 시도가 잘 되면 우리는 완전히 인위적인 메시지를 작성해서 뇌에 직접 보낼 수 있습니다. 이 그래프에서 각각의 전기 자극과 궤적을 벗어난 이탈은 순간적인 빛의 진동 때문에 발생한 겁니다. 그리고 이러한 사례는 움직이거나 활동중인 동물에서도 볼 수 있죠.

이건 갈바니의 광학적 실험 버전에 해당하는 최초의 실험이죠. 이 실험은 당시 저의 학생이었던 수사나 리마가 6-7년 정도 전에 했던 것입니다. 수사나는 왼쪽에 보시는 초파리를 조작해서 초파리 뇌의 이십 만 개 세포 중 단 두 개 만이 광(光)활성된 기공을 나타내도록 했습니다. 여러분은 아마도 이 세포에 익숙 하실텐데요. 바로 이 세포가 여러분이 파리를 잡을 때 사람을 힘들게 만드는 세포기 때문이죠. 이 세포는 여러분이 손을 움직여 파리를 잡으려고 할 때마다 파리가 공중으로 날아가 버리게 하는 반사 반응 가능하게 하는 세포죠. 그리고 빛을 쪼여주는 건 같은 효과를 발생시킨다는 걸 보실 수 있습니다. 파리가 뛰어올라서 날개를 펴고, 파닥거리는 겁니다. 그러나 파리는 실제로는 날아오르지는 못합니다. 왜냐하면 두 장의 유리판 사이에 끼여 있기 때문입니다. 자, 이제 확인할 건 파리가 빛을 볼 수 있어서 반응을 한 것이 아니라는 겁니다. 수사나는 간단하지만 잔인하게 효과적인 실험을 했는데 파리의 머리를 떼어버린 거였죠. 이렇게 머리 없는 몸으로 약 하루 정도 살 수 있긴 하지만 별로 할 수 있는 일은 없습니다. 그냥 서성이거나 열심히 몸단장 하는 행동을 하는 게 다입니다. 참수당하고도 남아 있는 유일한 습성은 허영심 같네요. (웃음) 어쨌든 잠시 후에 보시 듯 수사나가 이 파리의 척수에 해당하는 비행 기관을 작동시켜서 이 머리 없는 파리 몸체가 실제로 날 수 있게 했죠. 분명한 건 파리가 멀리 가진 못했다는 겁니다. 우리가 이러한 첫 걸음을 내딛은 이후 광(光)유전학 분야는 폭발적 성장을 했습니다. 지금은 수 백 개의 연구실이 이러한 방법으로 연구하고 있습니다.

우리는 갈바니와 수사나의 이런 동물들을 움찔거리게 하거나 뛰어오르게 하는 첫 번째 실험 성공 이후 먼 길을 걸어 왔습니다. 우리는 이제 실제로 심리학에 관여하게 되었죠. 보다 심오한 방법을 통해서 말입니다. 여기 마지막 사례를 보여 드리겠습니다. 아마도 익숙한 질문에서 나온 것일 겁니다. 삶이란 다음에 무엇을 할 것인지 정해야 하는 끊임없는 압력이 생기는 선택의 연속이라는 거죠. 우리는 뇌를 가지고 있기 때문에 이러한 압력을 조절합니다. 우리 뇌안에는 제가 '행위자' 라고 부르는 의사 결정 본부가 있죠. 이 행위자 기관은 주변 환경의 상태와 우리가 움직이는 맥락을 고려하는 정책을 수행시킵니다. 우리의 행동은 환경이나 맥락을 변화시키죠. 그리고 이러한 변화는 다시 의사 결정 과정으로 반영되고요.

이런 추상적인 모델에 신경생물학적인 골자를 더하기 위해서 우리가 가장 좋아하는 실험 대상인 초파리를 위한 간단한 일차원 세계를 구성해봤죠. 두 개의 수직 구조의 각 방에는 한 마리의 파리가 들어 있습니다. 각 방의 오른쪽 반과 왼쪽 반은 두 가지 다른 향으로 채워져 있죠. 그리고 감시 카메라는 오른쪽과 왼쪽 사이에서 빨리 움직이는지 느리게 움직이는지를 보는 겁니다. 이건 그 CCTV 기록인데요. 두 향이 겹치는 방의 중간 지점에 이를 때마다 파리는 결정을 내려야 합니다. 되돌아 갈 것인지 아니면 같은 향 속에 있을 것인지 말이죠. 아니면 중간 지점을 넘어서 뭔가 새로운 것을 시도할 것인지 말입니다. 이러한 결정은 분명히 행위자 기관의 정책이 반영된 것이죠. 음, 파리와 같은 지적인 생명체한테 이런 정책은 석판에 새겨진 것이라기 보다는 경험을 통해 배워가면서 변화하는 것이죠. 우리는 이런 적응적 지능 같은 요소를 파리의 뇌가 행위자 기관 뿐만 아니라 다른 그룹의 세포, 즉 행위자 기관의 선택에 대해 끊임없는 평가를 해주는 '비평가' 도 포함하고 있다는 가정을 함으로써 우리의 모델에 통합할 수 있습니다. 이런 잔소리 같은 내부 목소리는 만약 여러분이 저같은 호주 사람이라면, 머리 속에 있는 일종의 성당이라고 생각하실 수 있고요. 프로이드를 믿으시면 초자아 라고 보실 수도 있고요. (초자아:자아를 감시하는 무의식적 양심) 여러분이 유대인이라면 어머니로 보실 수도 있겠죠.

(웃음)

분명한 건 비평의 역할은 우리를 지적으로 만드는 중요한 요소라는 겁니다. 그래서 우리는 파리의 뇌의 어느 세포가 비평가의 역할을 담당하는지 규명해보기로 하였죠. 우리가 수행한 실험의 논리는 간단했습니다. 비평가 기관의 세포를 활성화시키기 위해서 광학적 원격 제어를 이용하려면 우리는 인위적으로 행위자 기관에게 정책을 바꾸라고 잔소리를 할 수 있어야 한다는 것이었죠. 다시 말하면 파리는 자기가 한 실수를 통해서 뭔가를 배워야 하지만 현실에서는 실수를 하지 않거든요. 그래서 우리는 광(光)연상작용이 가능한 세포가 거의 무작위로 분포된 뇌를 갖고 있는 파리를 배양했죠. 그리고 이 파리가 선택을 내리도록 실험했습니다. 두 가지 선택 중에 하나의 결정을 할 때마다 즉, 한 개의 향을 선택하는 거죠. 이 경우엔 주황색이 아닌 파란색을 선택하면 불이 켜지는 거였죠. 광(光)활성성 세포 가운데 비평가 역할을 하는 세포가 있다면 그 비평가 세포의 중재의 결과는 정책에 변화를 가져 올 것입니다. 그래서 파리는 광학적으로 강화된 향을 피하게 되는 걸 배우는 것입니다.

여기 두 가지 경우가 있습니다. 두 가지 종의 파리을 비교해 보면 각각의 종은 약 백 여 개의 광(光)연상성 뇌세포를 가지고 있습니다. 여기 왼쪽과 오른쪽에 보이는 녹색의 것입니다. 이들 세포 그룹의 공통점은 모두 신경 전달 물질인 도파민을 분비한다는 것입니다. 그러나 도파민을 분비하는 각각의 뉴런의 특성은 왼쪽과 오른쪽이 각각 분명하게 많이 다릅니다. 빛으로 활성화되는 이들 수 백 개의 세포는 두 종류의 파리들에게 각각 있는데 극단적으로 다른 결과를 가져오죠. 오른쪽의 파리 집단의 행동을 먼저 보시면, 두 향이 만나는 방의 중간 지점에 다다를 때 마다 예전에 그랬듯이 그냥 쭉 직진합니다. 이들의 행동은 전혀 변하지 않았죠. 하지만 왼쪽 그룹에 있는 파리의 행동은 상당히 다릅니다. 중간 지점에 다다를 때 마다 멈춥니다. 새로운 환경을 마주하면 킁킁 거리며 냄새 맡는 것처럼 새로운 향을 조심스럽게 살펴보고 돌아서 버립니다. 이건 오른쪽 공간에 있는 향을 피하라는 주문을 행위자 기관이 정책에 반영한다는 걸 의미합니다. 이것은 비평가 기관이 파리 안에서 뭔가를 말했다는 것을 뜻하는 겁니다. 그리고 그 비평가 기관은 분명히 왼쪽 그룹의 도파민 분비 뉴런 중에 하나라는 겁니다. 오른쪽의 도파민 분비 뉴런 중에 있는 게 아니죠.

그러한 많은 실험을 통해서 우리는 비평가 기관의 실체를 단 12개의 세포로 압축했습니다. 여기 녹색으로 보여지는 12 개의 세포는 여기 회색 부분의 버섯형 몸체로 불리우는 두뇌 구조에 출력을 보냅니다. 우리는 정형적인 모델을 통해서 비평가 기관의 잔소리를 수용하는 최종 두뇌 구조는 행위자 기관이라는 걸 알아냈죠. 그래서 이 해부도는 여기 버섯형 몸체가 행위의 선택과 관련이 있다는 걸 보여줍니다. 버섯형 몸체에 관해 우리가 알고 있는 모든 것에 의하면 이건 완전히 이해되는 겁니다. 사실 우리가 파리의 행동을 자극시키는 전기 장난감 회로를 만들었다고 하면 잘 이해가 되겠군요. 이 전기 장난감 회로에서 버섯형 몸체 뉴런은 보드 가운데에 있는 파란색 LED의 수직 단자로 상징됩니다. 이 LED들은 대기 중에 있는 냄새 분자의 존재를 감지할 수 있는 센서에 연결되어 있죠. 각각의 향은 서로 다른 조합의 센서들을 활성하시키는데, 이건 버섯형 몸체에 있는 다른 냄새 감지 장치를 활성화시킵니다. 그래서 파리의 조종석에 있는 파일럿, 즉, 행위자가 어떤 파란색 LED가 켜져 있는지 보게 되면 어떤 향이 존재하는지 구분해내는 것입니다.

행위자가 이러한 정보를 가지고 하는 일은 그 정책에 달려있는데 이건 냄새 감지 장치와 파리가 도망가게 하는 동력을 주는 운동 신경 사이의 연결 강도에 저장이 되는 겁니다. 만약 연결이 약하면 운동 기관은 작동되지 않고 파리는 그대로 앞으로 가던 길을 가게 될 것이고 반면 연결이 강하면 운동 기관이 작동 되어서 파리는 방향을 바꾸게 되겠죠. 자, 운동 기관이 작동 되지 않는 파리가 가던 길을 계속 가는 상황을 생각해보세요. 이건 파리가 탁 잡히게 되는 아주 고통스런 결과를 초래할 것입니다. 이 같은 상황에서 우리는 비평가 기관이 행위자 기관한테 계획을 바꾸라고 말하라고 하고 싶겠죠. 우리는 빛으로 비평가 기관이 작동되게 하여서 이러한 상황을 인위적으로 만든 겁니다. 그것은 현재 활성화된 냄새 감지 장치와 운동 기관 사이의 연결을 강화시키게 됩니다. 그래서 그 다음에 파리는 다시 같은 냄새와 마주치게 되고 연결이 강화되면 운동 기관이 작동되고 회피 동작이 실행되는 겁니다.

저는 여러분에 대해 잘 알지 못합니다만 어떻게 모호한 심리학적 개념이 마음에 대한 물리적이고 기계적인 이해를 유발시키는가를 보는 게 매우 흥미롭다고 봅니다.. 그게 아무리 파리의 마음이라고 할지라도요. 이건 정말 좋은 소식입니다. 그리고 적어도 과학자에게 좋은 또 다른 소식은 발견되어야 할 것이 아직 많이 남아 있다는 겁니다. 제가 말씀드린 실험에서 우리는 비평가 기관의 실체를 드러냈지만, 그러나 우리는 아직 비평가 기관이 어떻게 그 일을 수행하는지 알지 못합니다. 생각해 보세요. 선생님이나 어머니가 뭐가 잘못 되었는지 여러분에게 말해주지 않는다면 그걸 인식하는 건 아주 어려운 문제일 겁니다. 컴퓨터 사이언스와 인공 지능 분야에도 이런 일이 어떻게 이뤄지는 지에 관해서 약간의 개념이 있습니다. 하지만 우리는 지적 행동이 어떻게 살아 있는 물질의 물리적 작용으로부터 파생되는지에 대한 하나의 예도 풀어내지 못했습니다. 멀지 않은 미래에 풀릴 것이라고 저는 생각합니다.

감사합니다.

(박수)