101000이 된다.두뇌에 대해서 생각한다
알기 쉬운 신경망 컴퓨터 : 김명원. 방승양. 이수영. 이종호. 전홍태. 정호선. 정홍 공저, 전자신문사, 1992, Page 11~37
사람은 태어났을 때 보잘 것이 없고, 어머니의 보호가 없으면 단 하루라도 살지 못하지만 차차 말도 배우고 걷기 시작한다. 국민학교에서 글을 배우고 산수를 배우는 것으로 시작하여 중학교·고등학교, 더 나아가 대학과정 때까지 많은 사실과 방법을 배운다. 보지도 못한 원자에 대하여 배우고, 가보지도 못한 우주에 대해서도 배운다. 또 지구와 인류 역사도 배우고, 심지어는 사람의 신체구조와 왜 우리가 이렇게 행동하느냐에 대해서도 배운다. '인간이 무엇인가?', '인간은 왜 탄생했는가?' 등에 대하여까지 생각하고 고민하기도 한다.
우리는 여러 가지를 배울 뿐만 아니라 그것을 이용하여 다른 동물들과 달리 자연을 적극적으로 활용하여 보다 편하게, 보다 오래, 보다 재미있게 살 수 있도록 노력해 왔다. 이 모든 것은 우리 두뇌가 보고 듣고 손발을 마음대로 정확히 제어하고, 과거와 현재에 대한 사실, 그리고 여러 가지 배운 지식을 이용하여 장래를 예측하고 인과관계를 유도할 수 있기 때문에 가능하다. 우리 인간은 지능적인 면에서는 이 지구상의 왕이다. 수영을 한다든지, 뛴다든가 하는 운동면에서도 손·귀·눈을 이용하는 기능면에서도 우리는 훈련함으로써 놀랄 만한 수준에 도달한다.
운동의 세계 챔피언이나 기능의 세계 제일인자가 아니더라도 사람은 일상생활에서 놀랄 만한 능력을 발휘한다. 대략적인 모양밖에 안 보이는 먼 거리에서 사람이 누구인지 감지할 수 있다. 비에 맞아 모양이 없어진 글자도 읽을 수 있고, 외국어를 이해하고 구사할 줄도 안다. TV나 신문의 방대한 정보 속에서 우리에게 필요한 것 또는 재미 있을 만한 것들만 발췌하여 기억한다. 얼굴만 보더라도 그 사람이 화를 내는지, 슬퍼하는지, 좋아하는지 눈치챌 수 있다. 복잡한 게임을 금방 배우고 즐기기도 한다.
이런 모든 것들이 우리가 태어났을 때부터 지니고 있던 능력이 아니고 매일의 훈련과 교육을 통하여 배운 것이다. 애기들이 말을 배우는 것은 어머니 말을 처음에는 듣기만 하고 다음에는 따라함으로써 배운다. 그 기간이 1, 2년인데 너무 많은 시간이 걸린다고 할 수도 있고 대단히 빠르다고 할 수 있다. 사람은 일생동안에 이런 식으로 무한히 새로운 것을 배우고 그것을 이용한다. 그 비밀은 무엇인가?
놀라기만 하고 있을 수는 없다. 우리가 학생시절에 영어단어를 기억하지 못해 얼마나 고민했는가? 역사 사건의 연도수를 기억하려고 얼마나 애를 먹었던가? 또한 애써 기억한 단어들을 왜 그렇게도 쉽게 잊어버리는가? 물론 잊는다는 것은 때로는 살아가는 데 큰 도움이 된다. 사랑하는 사람을 잃었을 때엔 더 이상 못살 것 같지만 시간이 지남에 따라 그 아픔도 사라지고 잊기 마련이다. 그 비밀은 무엇인가? 우리는 우리 두뇌의 우수함에 놀라고, 그 신비함에 경탄한다.
흔히들 공상과학 소설이나 영화에서 갖가지 로봇이 사람을 돕기도 하고 사람에게 도전하는 이야기가 나온다. 그러한 로봇은 고속으로 뛴다든가 날아다니기도 하지만 지능면에서도 사람에 못지 않을뿐더러 때로는 사람을 능가하는 지능을 가지고 있다. 우리는 이들 로봇이 컴퓨터에 의하여 조작되며 이들 로봇의 지능이 바로 컴퓨터임을 안다. 물론 여기서 말하는 컴퓨터는 지금 것보다 훨씬 성능이 향상된 컴퓨터라고 생각하지만, 좀더 기술적으로 살펴 보면 현재의 컴퓨터를 보다 낫게, 다시 말해서 보다 소형이면서 처리 속도가 빠르게 만들기만 하면 사람과 비슷한 지능을 갖게 할 수 있지 않겠는가 하는 문제에 부딪친다. 과거 몇 십년 동안 컴퓨터 과학자들은 그 목표를 위하여 연구하며 여러 가지 좋은 아이디어를 개발해 왔지만, 시간이 가면 갈수록 현재의 컴퓨터를 가지고는 어떤 특정한 어려운 계산을 수행할 수 있게 할 수는 있어도 사람과 같은 지능을 구현한다는 것은 불가능하지 않을까, 또는 불가능한 것 같다고 생각하기 시작하였다.
가령 간단한 예로 바둑을 두는 프로그램을 만든다고 하자. 조훈현 9단과 대국을 해서 가끔 지기도 하고 이기기도 할 정도의 컴퓨터 프로그램을 만들 수는 없을까? 천만의 말씀! 현재 우리 나라에서 만들어진 제일 좋은 프로그램은 12급 정도밖에 안 된다.
이 프로그램은 어떤 면에서는 빈틈이 없어 보이지만 다른 면에서는 헛점이 많다. 세계에서 제일 잘 두는 프로그램도 7급 정도밖에 안 된다고 한다. 그러나 이 바둑문제에 관해서는 앞으로 컴퓨터 성능이 월등하게 향상되고 컴퓨터 과학자들이 이 문제에 대하여 보다 깊이 연구를 하면 몇 십년 후에는 바둑 명인과 비슷하게 싸울 수 있는 컴퓨터 프로그램이 탄생할 가능성이 많다. 왜냐 하면, 바둑보다 단순한 체스(Chess) 게임에서는 세계 챔피언에 도전하는 컴퓨터 프로그램이 이미 개발되어 있기 때문이다.
여기서
한번 바둑이 얼마나 복잡한지 따져 보자. 선수는 19×19 위치 중에서 어디든지
둘 수 있으니 19×19의 경우가 있다. 후수는 기존에 있는 돌, 즉 선수가 놓은
위치 이외의 어디든지 돌을 놓을 수 있기 때문에 (19×19-1) 이다. 이들 두 수의
모든 경우의 수는 그들을 곱하면 되니까 (19×19)×(19×19-1)이다.
이런 식으로 돌을 잡아 먹는 경우는 없다고 가정하면 바둑에서 일어날 수 있는 모든
경우의 수는 (19×19)×(19×19-1)×(19×19-2)…×2×1,
즉 간단히 표현하여 (19×19)!이다. 이 (19×19)!은 대략 400!101000이 된다.
따라서 대단히 빠른 속도의 컴퓨터가 있다면 상대가 둔 수에 대응할 수 있는 모든 경우에 대하여 끝까지 바둑을 두어 보면 항상 제일 유리한 응수를 계산할 수 있는 셈이다. 거기에다 몇천이나 되는 정석을 기억해 두면 위의 계산은 훨씬 줄일 수 있을 것이다. 그러나 101000이 얼마나 큰 수인지는 알아봐야 한다. 예로 1020 이라는 수는 현재 슈퍼 컴퓨터로 1부터 1020 이 될 때까지 셈하면 3만년 걸리는 숫자이다. 다음 10124 이라는 수는 극히 작은 양자를 10124개 모으면 전 우주를 메꿀 수 있는 숫자이다. 따라서 101000이라는 수는 우리가 현실적으로 다룰 수 있는 한계를 훨씬 넘는 숫자이다. 즉 이런 숫자는 숫자이지만 우리 컴퓨터로 계산할 때는 대상 바깥에 있는 숫자이다.
결국 위에서 설명한 모든 경우를 따져 보는 방법은 현재 뿐만 아니라 미래에도 불가능하며, 사람이 하는 식으로 머리를 써서 해결할 수밖에 없다. 사람의 머리를 쓴다는 것은 요즘 많이 쓰이는 전문가 시스템의 핵심 아이디어인데, 전문가의 지식을 이용하자는 것이다. 즉 조치훈 9단이 어떻게 바둑을 두는가를 알아내고, 여러 가지 경우에 대한 규칙을 만드는 것이다. 여기서 규칙적이란 어떤 상황에서 상대가 어떤 수를 두었을 때 어떻게 둘 것이냐를 표현하는 것이다. 물론 경우가 수없이 있기 때문에 대단히 복잡할 수가 있지만, 그것보다 문제는 전문가 자신이 두는 수를 어떻게 결정하는지 잘 모른다는 데에 있다. 즉 머리 속에서 하기는 하는데 그것을 남에게 설명할 수가 없다는 것이 문제이다.
비슷한 예로 사람이 쓴 글씨를 읽는다거나, 사람을 알아본다거나, 남의 이야기를 듣는 일은 컴퓨터로 해결하기가 대단히 힘이 드는 문제들이다. 이러한 일은 우리 사람에게는 대단히 자연스럽고 쉬운 일이다. 응용분야는 약간 다르지만 걸어간다든지, 테니스를 친다거나, 밥을 먹는 등의 운동도 사람에게는 반 무의식 중에 하는 행동이지만 컴퓨터를 써서 로봇으로 하여금 시키려면 대단히 어렵다. 왜 그런가? 그 해답은 현 컴퓨터의 원리에 있다. 즉 현 컴퓨터는 프로그램이 있어야 돌아가며 주어진 일을 수행한다. 그런데 사람이 그렇게 쉽게 해내는 일을 컴퓨터에게 시킬 프로그램을 개발할 수 없다는 데에 문제가 있다. 물론 그러한 일을 시키는데 사람이 쓰는 방법을 반드시 쓸 필요가 없다. 그렇다고 하더라도 아직까지 이러한 문제에 대하여는 별 신통한 방법을 발견하지 못하고 있다.
앞으로 어느날 돌연히 천재가 나타나서 기발한 방법을 생각해 낼지도 모르나 마냥 그것을 기다리고 가만히 있을 수는 없다. 어떻게 하면 될까? 확실한 것은 이 세상에 그러한 일을 너무나도 쉽게 해결하는 기계가 있다는 것이다. 즉 우리 두뇌가 그것이다. 우리는 두뇌가 어떻게 그러한 일을, 더 나아가서 보다 어려운 지적인 일들을 하는가를 알아보고 그것을 모방하는 것이야말로 제일 확실한 길이다.
문제는 두뇌가 어떻게 그러한 일을 해내는가를 알아내는 것은 그리 쉽지 않다는 데에 있다. 아니 두뇌의 비밀이야 말로 인류에게 남겨진 유일한 자연의 비밀이라고 할 만큼 어려운 연구과제인 것이다. 물질의 근본, 우주의 기원, 생명의 비밀 등은 이미 그 핵심이 밝혀졌으며 우리는 많은 것을 안다. 그러나 두뇌의 비밀만은 아직 완강히 우리의 해명을 거부하고 있다.
금세기, 특히 최근에 와서 신경과학 (neuro science), 인지과학 (cognitive science), 두뇌과학 (brain science) 등의 이름으로 새로운 과학이 형성되고 기존의 의학자·생리학자·생화학자·심리학자·철학자·화학자·동물학자·전산학자·언어학자·전자공학자 등이 모여서 합동으로 두뇌의 비밀을 밝히려고 노력하고 있다. 여기서 두뇌 연구의 역사를 간단히 살펴보자.
이상하게도 우리 인간은 최근까지 마음이 머리에 있다고 생각하지는 못했다. 고대 이집트에서는 영생을 믿었기 때문에 왕의 미이라를 만들어 보관하였다. 그런데 기원전 3300년에 만들어진 투탄카멘(Tutankhamen) 왕의 미이라를 관찰해 보면 심장은 몸 속에 그대로, 내장은 석고 항아리에 넣고 무덤 속에 같이 보관했음에도 불구하고, 뇌는 두개골에서 뽑아내 버렸다. 가장 위대한 희랍의 과학자인 아리스토텔레스 조차도 정신활동은 심장에 자리잡고 있다고 주장하였다.
르네상스 시대에도 뇌의 중요성은 필수적이라고 생각하지 않았지만 신경계통의 연구와 관련하여 두뇌의 해부학 연구를 하였다. '따뜻한 마음'이라고 할 때 'warm-hearted'라고 표현하는 것도 이러한 역사적 유산이다. 19세기와 20세기에 들어와서 신경계통에 관한 지식이 점차 증가되면서 일부 지식인들 사이에서 뇌가 행동을 조정통제한다는 생각을 받아들이게 되었다.
1860년경 프랑스의 신경학자 브로카 (Broca) 는 중풍을 앓은 후 말을 못 하는 두 사람의 두뇌를 검사하여 현재 브로카의 영역이라고 불리우는 뇌부분에 '언어 중추'가 있다고 주장하였다. 1870년 의사들은 전쟁터에서 뇌에 손상을 입은 병사의 두뇌 여러 곳에 미약한 전류를 흘렸더니 뇌 자극 장소와 반대가 되는 신체부분의 근육에 운동을 일으키는 것을 보게 되었다. 이어서 연구자들이 동물의 뇌를 조금씩 손상시키면서 행동에 미치는 영향을 관찰함으로써 뇌기능의 위치를 알게 되어 뇌기능 연구에 새로운 시대가 열기게 되었다.
여기서 두뇌의 대략적인 구조를 알아보자. 우리가 옛날에 국민학교에 배웠듯이 신경계통은 크게 중추신경 계통과 말초신경 계통으로 나눌 수 있으며, 중추신경 계통은 다시 두뇌와 척수로 나뉜다. 두뇌는 <그림 1>에서 보듯이 보다 상세한 부분으로 구성되어 있다. 두개골을 열어보면 주름진 뇌표면이 나타난다. 이들 주름은 뇌표면 면적을 극대화하기 위하여 생긴 것으로 생각된다. 뇌는 좌우 두 반구로 나누어진다. 뇌반구는 만져보면 말랑말랑한 연질구조로 되어 있으며, 두 반구는 매우 질긴 하나의 끈으로 연결되어 있다. 뇌반구를 수평으로 자르면 가장자리 부분, 즉 대뇌피질은 핑크색을 띤 회색빛을 보이는데, 이 층은 성인의 경우 두께가 약 3~4mm 정도이며, 주로 세포체와 다른 세포체에서 뻗은 가지로 구성된다. 대뇌피질 밑에는 반질반질하게 보이는 백질이라는 것이 있는데, 이것은 흰색 지방으로 덮인 신경섬유로 되어 있다. 뇌의 내부에는 무색 투명한 액체로 채워져 있는 공동이 있다.
19세기 말 해부학자들은 뇌를 작게 잘라서 현미경을 이용하여 뇌를 이해하려고 했다. 그들의 연구에서 뇌는 이상하게 생긴 세포들이 거대한 조합을 이루고 있다는 사실을 발견하였다. 스페인의 뛰어난 해부학자 카잘 (Cajal) 은 뇌는 신경세포로 이루어지며, 정보는 시냅스라고 부르는 신경세포간의 접합부를 통하여 전달된다고 주장하였다. 그것이 1950년대 전자 현미경에 의하여 확인되었다.
사람의 뇌에는 약 200 여 종의 모양이 다른 신경세포가 존재한다. 보통 사람의 대뇌피질에는 약 500억 개의 신경세포가 있으며, 적어도 500조 이상의 시냅스가 있는 것으로 추측된다. 종류마다 모양은 다르지만 신경세포는 <그림 2>와 같이 세가지 부분으로 구성된다. 하나는 핵이 있는 세포체이다. 그리고 다른 세포의 축색 부분과 시냅스를 통하여 신호를 받게 되는 수상돌기가 있다. 마지막으로 이 세포의 신호를 다룬 세포에 전달하는 축색이다.
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(a) 임신 몇 주후 신경관의 머리 끝부분은 3 개의 주요 부분을 나타낸다. (b) 임신 6 주후 뇌의 주요 부분이 보인다. (c) 이 부분들의 위치가 성인뇌에 제시되어 있다. |
<그림 1> 인간뇌의 태내발달
<그림 2> 뉴 런
현재 컴퓨터는 사람이 과거 50년 동안 발명하여 발전시켜 온 인류 최대 걸작물의 하나이다. 한편 사람의 두뇌는 과거 3억년을 통하여 자연의 진화가 만들어낸 작품이다. 우리의 두뇌는 사람에 따라서 약간의 성능차이는 있어도 사람마다 똑같은 구조를 가지고 있다. 우리 두뇌의 설계도는 과연 있을까? 만일 있다면 어디에 있을까?
1953년 영국의 왓슨(Watson)과 크릭(Crick)은 20세기의 중요한 발견 중의 하나인 DNA의 구조를 발표하였다. 우리는 우리의 생김새에 관한 정보는 모두 유전자에 있다는 것을 잘 안다. 남녀의 구별을 비롯하여 우리의 머리 색깔·눈 색깔·코 모양 등 모두 유전자에 기록되어 있음을 안다. 따라서 지금은 세계적으로 유전자 분석에 열을 올리고 있다. 그런데 500억 개나 되는 신경세포에 대하여 그 하나하나의 위치를 유전자에 기록하고 또 그 뿐만 아니라 각 시냅스의 위치까지 기록할 수 있을까?
현재 유전자에 사람의 설계도가 어떻게 기록되어 있는지를 알 수 없으나 유전자가 가질 수 있는 전체 정보량은 대략 500만 개로 알려져 있다. 그렇다면 신경세포의 하나하나에 대하여 자세한 배치도를 기록하는 것이 불가능함은 당연하다. 따라서 현재 중론은 대략적인 설계도는 유전자에 있으나 나머지는 다른 방법으로 결정된다는 것이다.
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영양섭취 집단; 1. 입양 전에 심각한 영양결핍이 있었던 집단 2. 중간 정도 영양결핍된 집단 3. 영양섭취를 잘한 집단 |
<그림 3> 성장·지능 그리고 성취에 미치는 저영양 유아의 초기 입양과 후기 입양의 영향
실제로 지금까지 여러 가지 실험을 통하여 동물의 두뇌는 태어난 후의 환경에 의하여 많은 영향을 받는다는 사실을 밝혀냈다. 특히 영양이 신장 뿐만 아니라 두뇌 발달에도 중요하다는 연구결과가 보도되고 있다. <그림 3>에서 1은 입양 전에 심각한 영양결핍이 있었던 집단이고, 2는 중간정도의 영양결핍 집단이고, 3은 영양섭취를 잘한 집단이다.
여기서는 두 가지 유명한 실험을 소개하겠다. 사람의 시각을 담당하는 두뇌 부분은 출생시에는 아직 미완성이며, 신경세포들의 연결이 제대로 안 되어 있다. 그리고 성장함에 따라서 여러 가지 형태, 모양들을 보면서 여러 가지 시각적 특징을 파악하는 능력이 생기는 것으로 생각된다.
여러 연구자들은 <그림 4>와 같이 고양이를 이용하여 생후 초기에 수평 또는 수직선만 보게 하였다. 그 결과 고양이는 수평 또는 수직선만 잘 보고 다른 모양의 선은 잘 분간하지 못하게 되었다고 한다. 이것은 생후 초기의 결정적인 시기 동안의 시각적 경험의 중요함을 말하고 있다.
초기 경험이 뇌에 미치는 영향은 비시각적감 각자극, 예컨대 쥐의 볼 수염 같은 것을 조작하여도 알 수가 있다. 울시(Woolsey) 연구진은 쥐의 볼 수염으로부터 감각정보를 받아들이는 뇌피질의 어느 영역에 신경세포가 하나로 무리지는 것을 발견하였다. 울시는 세포의 각 무리를 '통'이라고 불렀다. 왜냐 하면 이 무리들이 배열된 모양이 벽에 보관된 포도주 통과 같이 보이기 때문이다. 피질통의 배치가 볼 수염의 배치도와 일치한다는 것을 <그림 5>에서 볼 수 있다. 만약 출생 후 4일 내에 볼 수염을 잘라 버리면 해당 피질통은 발달되지 않는다. 그러나 손상받지 않은 볼 수염 주위에 있는 피질통은 오히려 더 크게 발달한다.
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(a) 선택적으로 시자극을 제공하기 위해 마스크를 씌운 고양이 새끼. 자극 형태는 두 개의 흰 원통의 끝에 있는 검은 플라스틱 직각판 표면내에 설치되어 있다. (b) 큰 원통내의 수직무늬에 노출시킨 고양이 새끼. [(a); Hirsch와 Spinelli, 1971. (b) Blakemore, 1974.] |
<그림 4> 발달동안 시각경험을 제한하는 데 사용하는 방법
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체성감각 피질에 있는 피질통의 배열이 오른쪽에 보여진다. (a) 각각의 피질통은 반대 위치에 있는 생쥐코의 한 수염으로부터 정보를 받는다. (b), (c) 만약에 수염의 한 줄을 출생 직후 제거하면(색깔 있는 점으로 지시된 것), 나중에 사용하는 대뇌 피질에 피질통이 없으며, 그와 인접한 피질통이 커진 것을 볼 수 있다. (d) 만약에 모든 수염이 제거되면 피질통의 전체 집단이 사라질 것이다. 이 예시는 Washington University School of Medicine에서의 Thomas A Woolsey의 연구에 근거를 둔다. |
<그림 5> 어린 생쥐에게 수염과 피질통(cortical barrels)의 위치
우리 뇌의 신경세포는 하루에도 몇 만개씩 죽어간다고 한다. 그러나 우리는 두뇌의 능력에 대하여 매일 별차이를 못 느낀다. 그 이유는 첫째로 잘 알려진 바와 같이 우리는 일상생활에서 두뇌의 10% 정도, 많아야 20% 정도밖에 활용하지 않기 때문이다. 그리고 둘째로 우리 두뇌가 대규모 신경회로망으로 구성되어 있기 때문이다. 따라서 그 중의 한 두어 개가 없어졌다고 해서 신호전달에는 별 영향이 없는 것이다. 사람이 늙으면서 두뇌에도 여러 가지 변화가 일어나지만 세포변화는 30대부터 일어난다고 한다. 또한 세포수의 감소보다 더욱 두드러지는 것은 시냅스의 연결이 없어지는 현상이다. 노화에 따른 병리적인 과정으로서 최근 많은 화제가 된 노인성 치매증이 있다. 이것은 두뇌의 노화에서 기인하지만 아직 자세한 원인은 모르고 있다.
뇌질환에는 여러 가지가 있지만 바이러스에 의한 것도 있다. 여기에 신기하고 유명한 이야기를 소개한다. 이 이야기는 1950년대에 뉴기니아의 고원지대에서 시작되었다. 가이두쉐크 (Gajdusek) 와 그의 동료들은 몇몇 뉴기니아 종족의 주요 사망원인이었던 이상한 점진적인 뇌 퇴화증세를 우연히 발견하였다. 매년 주민의 약 2 %가 주로 부인들과 아이들에게 침범한 이 질환으로 사망하였다. 그 종족들은 이 질환을 '쿠르'라고 하였는데, 이것은 공포에 떠는 것 또는 전율하는 것을 의미한다. 이 질환을 가진 사람들은 처음에 걸음걸이가 어색하다가 다리를 떨 게 되는데 이로 인해 바로 서 있을 수 없게 된다. 실제로 어느 정도의 시간이 경과하면 팔 다리의 운동이 불가능해지고 환자의 20%에서 정신적 퇴보가 명확하게 나타난다.
가이두쉐크는 어떤 이상한 문화적인 관계로부터 이 병의 병리 과정의 본질에 대한 단서를 찾았다. 이들 사회에서는 의식적으로 사람의 고기를 먹는 풍습이 관례화되어 있다. 관례날 아침에 부인들과 어린이들이 특별히 시체를 먹는데 참여하였다. 이 종족들은 주로 친구의 살을 먹는 것이 그들을 악마로부터 보호해 준다고 믿었다. 이들 주민들은 '쿠르'가 전염병이라는 것을 몰랐기 때문에 사람의 고기를 먹는 행동에 대해 아무런 제한도 없었다.
이러한 관찰을 하고난 후 가이두쉐크는 동물에게 '쿠르' 희생자의 뇌조직을 이식시킴으로써 이 질환이 실험동물에게 전염될 수 있는지의 여부를 알아보기 위한 일련의 연구를 시작하였다. 그는 이식 후 1~4년간의 잠복 기간 후에 침팬지에서 '쿠르'가 발생한다는 사실을 발견하였다. 이들 동물에 있어서의 질병 양상은 인간에게 관찰된 것과 유사했다.
이 전염물질은 이상한 바이러스로 뇌의 높은 수준에까지 도달하는 '서행성' 바이러스이다. 많은 '쿠르' 희생자들은 발명 10~15년 전에 이 바이러스에 노출된 것으로 보인다. 1976년에 가이두쉐크는 이 연구로 노벨 의학상을 받았는데, 이 연구가 만성적인 퇴화성 뇌질환에 대한 새로운 견해를 유도하였다.
사람의 뇌는 태어났을 때 약 300g밖에 안 되지만 성장함에 따라 커져서 성인이 되면 약 1,400g이 된다. 그러면 뇌는 크면 클수록 성능이 좋은 것일까? 우리는 인간 사이에서도 머리가 좋은 사람은 대체로 머리가 큰 것 같기도 하지만, 또 반면에 머리가 작은 사람 중에서도 머리가 좋은 사람이 있음을 안다.
우리 인간은 오랫동안 인간자신의 뇌가 모든 동물의 뇌 가운데 가장 큰 것으로 생각해 왔다. 그러나 17세기에 들어와서 코끼리의 뇌가 인간의 뇌보다 3 배나 더 무겁다는 사실이 밝혀졌다. 이러한 발견들은 인간이 동물 중 가장 지적이므로 가장 큰 뇌를 가지는 것은 당연하다고 믿어 왔던 사람들을 당황하게 하였다. 이러한 난점을 극복하기 위한 하나의 방법으로 뇌의 무게를 신체 무게의 분수로 나타낼 것을 제의하였다(<표 1-1>의 셋째줄). 그러나 이 계수에 의하면 코끼리·고래 그리고 중간 정도의 신체 크기를 가진 동물에 대해서는 좋지만 들쥐와 같이 신체가 작은 동물의 계수는 사람의 계수보다 커진다. 그 후 많은 동물의 체중과 뇌무게의 관계를 연구한 끝에 E=KP2/3 이라는 공식을 찾아냈다. 여기서 E는 뇌의 무게, P는 신체의 무게, 그리고 K는 동물의 각 종에 대한 상수이다. 이 상수 K는 덜 진화된 단순한 동물보다는 복잡한 동물일수록 그 값이 커진다. 이 K값은 <표 1-1>의 넷째줄에 나타나 있다. 많은 연구자들은 다양한 종들간의 상대적 '뇌력(brain power)'을 기술하기 위하여 이 K를 사용한다.
<표 1-1> 성숙한 포유류의 뇌 무게와 체중
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살아 있는 포유류 |
뇌무게의 근사치 (g) |
체중의 근사치 (g) |
체중의 백분율에 따른 뇌무게 |
K (피질화 계수) |
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뒤쥐(Shrew mouse) 생 쥐 양 표 범 말레이 곰 침팬지 인 간 인도 코끼리 화석 원시인(추측) Australopithecus(약 4~6백만년 전) Homo habilis(약 1.75백만년 전) Home erectus(약 0.7백만년 전) |
0.25 0.5 100 135 400 400 1,400 5,000
450 550 950 |
7.5 24 40,000 48,000 45,000 42,000 600,000 255,000
50,000 50,000 50,000 |
3.33 2.08 0.25 0.28 0.89 0.95 2.33 0.20
0.90 1.10 1.90 |
0.06 0.06 0.08 0.10 0.32 0.30 0.95 0.27
0.33 0.41 0.70 |
이 지구상에서 처음 생명체가 나타난 거이 약 3억년 전이다. 그것에 비하면 현재 인간의 시조가 나타난 것은 지극히 최근의 일이다. 유인원과의 원시 인류는 약 300만년전에 두 발로 걷기 시작했으며, 가장 오래된 석기 연모는 적어도 250만년 전에 만들어진 것으로 추정된다. 오스트랄로피테쿠스라고 불리우는 이 원시인은 오늘날 침팬지의 뇌 크기인 약 450cc 정도의 뇌를 가졌다. 약 75만년 전에 이 오스트랄로피테쿠스는 호모 에렉투스와 교체되었다. 거의 1,000 cc 나 되는 큰 뇌를 가진 이 원인은 정교한 석기를 만들었고, 불을 사용하였으며 큰 동물도 죽였다. 오스트랄로피테쿠스가 아프리카에서 발견된 데 비하여 호모 에렉투스는 3대륙 모두에서 발견되었다. 이것은 곧 원인들이 새로운 환경적소로 뻗어 나갔고, 좁은 영역의 장벽을 극복할 수 있는 능력과 문화적 적응능력을 가졌음을 의미한다.
<그림 6> 유인상과 원인의 진화 모습 (Tobias, 1980)
뇌의 진화와 행동 능력의 증가는 현생 인류에 이르면서 급속도로 진전되었다(<그림 6> 참조). 현생인류 (호모 사피엔스) 가 나타난 약 20 만년 전에는 뇌의 부피가 현재의 수준인 약 1,400cc 정도가 되었다. 오스트랄로피테쿠스가 도구를 사용해 온 약 200만년 동안에는 뇌의 크기가 별 변화없이 지속되어 왔지만, 그 다음 50만년 동안에는 뇌의 부피가 3배나 커졌다.
현재 인간의 뇌도 크기가 증가하지 않고 있다. 왜냐하면 인간의 생활방식에서의 최근 변화들, 즉 언어의 출현(약 4만년 전), 농업과 가축 사육(약 1만년 전), 도시생활(몇 천년 전) 등은 호모 사피엔스의 출현 이후 크기가 바뀌지 않은 뇌에 의하여 잘 이루어져 왔기 때문이다.
앞에서 우리는 두뇌의 물리적 구조에 대하여 살펴봤다. 이미 언급했듯이 두뇌가 어떻게 지능적인 일을 하는지 잘 모르지만 신경세포 사이에서 전기적 신호가 왔다갔다 하면서 어떤 정보를 처리함으로써 일을 수행한다는 것은 잘 알려진 사실이다. 이 정보 전달이 전기적으로 일어나고 인체에서 전기가 흐른다는 사실을 발견한 것은 최근의 일이다.
18세기 초반부터 과학자들은 신경신호가 전기적인 성질을 가질 것으로 생각해 왔었다. 이것이 사실인지의 여부는 전기에 관한 선구적인 연구가인 볼타 (Volta) 와 갈바니 (Galvani) 사이에 심한 논쟁전을 야기했다 (볼타의 이름은 '전압'(volt)에 의하여 기념되었고, 갈바니의 이름은 전류 측정기의 '검류계'(galvanometer)와 같은 단어를 낳게 했다)
볼로냐 대학의 의사이자 해부학 교수였던 갈바니는 '동물전기'가 존재한다고 믿었다. 개구리의 다리에 관한 실험을 수행하고서 그는 전달된 신경말단에 하나의 금속막대를 대고 발에 다른 금속막대를 대어 두 금속막대의 끝을 서로 결합시키면 개구리의 다리 근육이 경련을 일으킨다는 것을 알았다. 볼타는 두 개의 상이한 금속에 접촉된 동물의 조직이 현재 우리가 전지라고 부르는 것을 형성하지만, 동물 조직이 본질적인 구성 요소가 될 수 없다는 것을 보여줌으로써 이를 반박하였다. 여기에 필요한 것은 두 개의 상이한 금속과 그들을 분리시키는 하나의 전해물이다. 갈바니는 금속이 필요하지 않다는 것을 보여 주는 실험으로 이에 응수하였다. 단순하게 노출된 신경에 근육을 접촉시키는 것이 경련을 일으키기에 충분한 것이었다. 많은 다른 과학자들이 이 분야의 연구에 참여하여 신경과 근육 모두가 전기적 부하를 일으킨다는 것이 명백해졌다. 갈바니가 옳았다! 더구나 신경과 근육이 활동할 때에 전기적 부하가 변화된다는 것도 증명되었다.
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시냅스 전 종말을 표시하는 관들(1~8) 은 각각 세포를 세포체로 표시하는 금속판에 뜨거운 공기(+) 나 찬 공기(-) 를 불어 넣을 수 있다. 시냅스 전 종말에 도달한 각각의 충격은 공기를 불어 넣는다. (a)에서 7의 뜨거운 공기 파동이 세포체를 부분적으로 가열시킨다. 이 열은 금속판 전체로 퍼져 나아감에 따라 분산되어 열의 적은 부분만이 축색구에 도달한다. (b)에서 3의 찬 공기 파동은 세포체에 부분적인 냉각을 일으키고 이 효과 또한 수동적으로 전파되므로 온도변화는 전파됨에 따라 감소된다. 3은 축색구에 비교적 가깝게 도달한다. (c)에서 3은 차고 7은 따뜻하기 때문에 이들의 효과는 부분적으로 상호 상쇄시킨다. 축색구는 온도가 일정 수준에 이르렀을 때에만 축색에 활동을 일으키게 하는 온도조절장치를 가지고 있다. 원판은 모든 온도변화를 통합하고 축색구는 대수적인 합을 감지한다. |
<그림 7> 시냅스 후 신경원의 활동에 대한 시냅스 작용의 가합에 관한 물리적인 모형
1840년대의 기술은 신경의 '활동 전위' 즉 신경충격을 의미하는 수 mV의 부하를 측정할 수 있는데까지 발전하였다. 이것을 수행한 첫 번째 사람은 스위스계 독일인 생리학자인 레이먼드 (du Bois Reymond) 였다. 그는 다음과 같이 환호성을 질렀다. "나는 수백년 동안 물리학자들과 생리학자들의 꿈, 즉 전지를 전달하는 신경원리의 실체를 현실화시키는 데 성공할 것이다."
신경세포의 전압은 보통 때 -70 mV 정도이고, 그 세포의 수상돌기에서 들어온 전기가 합쳐져서 그 값이 어떤 정해진 기준을 넘으면 이 세포는 신경 충격을 발생하여 그의 축색을 통하여 다른 신경세포로 신호를 전달한다. 이 신경 충격의 크기는 보통 100 mV 이며, 따라서 이 신경세포가 흥분했을 때 이 신경세포의 전압이 약 +30 mV 가 된다. 신경세포의 흥분은 수 많은 수상돌기에서 들어오는 신호가 많을 때는 또 한 군데에서라도 계속 신호가 밀려 들어오더라도 일어날 수 있다.
다른 세포의 축색과 그 수상돌기의 접촉점을 시냅스 라 함은 이미 언급했다. 이 시냅스는 신호를 다른 세포로 전달하는 역할을 하는데, 시냅스에는 두 가지 유형이 있다. 하나는 상대방 세포를 흥분시키는 신호를 전달하는 시냅스이고, 또 하나는 신호가 오면 세포내의 흥분을 억제하는 신호를 전달하는 시냅스이다. <그림 7>에 그들 시냅스 역할을 설명하는 예가 나와 있다. 여기서는 신경세포를 금속공으로, 수상돌기는 그것에 닿는 쇠파이프로 나타내고 있다. 이 실험은 흥분성 시냅스는 뜨거운 공기, 억제성 스냅스는 찬 공기를 내도록 함으로써 신경세포의 행동을 분석하기 위한 것이다.
신경세포의 정보전달은 세포내·외에 있는 화학적 물질 때문에 일어나는데, 흥분이 일어났을 때의 전압 변화에 대한 정확한 분석 때문에 호지킨 (Hodgkin) 과 허슬리 (Huxley) 는 1956년에 노벨상을 받았다. 그런데 시냅스 자체를 좀더 자세히 보면 <그림 8>과 같다.
이 시냅스 틈은 20~30 nm 이지만 전압이 그냥 지나가기에는 너무 넓다. 따라서 결국 이 시냅스의 정보 전달은 화학적 전달물질에 의하여 이루어진다. 이 시냅스 정보전달의 비밀은 완전히 밝혀지지는 않았지만 여러 종류의 전달 물질들이 발견되고 있다. 즉 두뇌의 어떤 곳에서는 한 물질이 흥분성으로 작용하지만 또 다른 곳에서는 억제성으로 작용한다는 것이다. 전갈은 신경전도의 기본적인 과정을 차단하는 독을 가지고 있다. 어떤 뱀은 신경세포의 신호, 전달에 관여하는 화학적 작용을 파괴하는 독을 가지고 있다. 이와 같은 동물은 자신이 가지고 있는 독을 사용하여 시냅스 전달을 차단시킴으로써 상대방의 몸을 마비시켜 위험을 피하거나 먹이를 잡아먹는다.
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1. 전달물질, 주머니벽 등의 합성에 필요한 효소 및 선구물질의 축색 전달. 2. 시냅스 전 막을 통한 활동전위의 전달. 3. 전달물질의 합성과 이를 주머니에 저장. 4. 시냅스전 종말의 탈분극이 주머니를 빙출부위와 결합하여 시냅스 공간으로 전달물질을 방출하게 하는 Ca2+의 유입을 야기시킨다. 5. 시냅스 후 막에서 전달물질이 수용기 분자와 결합하고 시냅스 후 전위가 유발된다. 6. 종말막에 있는 자기수용기(autoreceptor)에 전달물질이 결합. 7. 세포외 공간과 신경교에 있는 효소가 잉여 전달물질을 파괴시켜 시냅스 틈을 통과하지 못하게 한다. 8. 전달물질의 재흡수가 시냅스 활동을 중지시키고 그 다음의 전달을 위해 전달물질을 공급한다. 9. 2차 전달자가 특정 전달물질-수용기 결합체에 의해 시냅스 후 신경원으로
방출된다. 11. 시냅스 후 전위가 수지상돌기와 세포체를 거쳐 축색구로 수동적으로 전파된다. |
<그림 8> 화학적 시냅스에서 전달물질과 관련되어 있는 사건과 단계의 요약
시냅스가 어떻게 신호를 전달하느냐는 주로 생화학자들의 연구대상이며, 현재 많은 생화학자들이 그 비밀을 밝히기 위하여 정열적으로 연구하고 있다. 그것은 위에서 말했듯이 복잡하고 어려운 문제이다. 그러나 결국 이 문제도 멀지 않아 해명될 날이 올 것이다. 그러면 그것으로 뇌의 연구는 끝나는 것일까? 그것으로 두뇌의 비밀이 완전히 밝혀지는 것일까? 천만의 말씀!
비슷한 예로 컴퓨터의 전자회로 (H/W) 의 원리, 즉 전자회로의 소자 (반도체) 의 동작 원리를 알았다고 하여 현재 컴퓨터의 동작 원리, 즉 현 컴퓨터는 Turing 기계원리에 입각하여 만들어진 계산기라는 것, 미리 준비된 명령어들을 하나하나 수행하는 기계라는 것, 여기서 미리 준비된 명령어들이란 우리가 만든 프로그램이라는 것, 실제로는 그 프로그램이 우리가 원하는 일을 한다는 것 등의 컴퓨터의 정보처리 원리 (S/W) 를 곧 알아낼 수가 있느냐는 것이다. 더 나아가 방대한 전자회로의 여러 곳에 측정기를 꽂아서 그곳을 흐르는 전자회로를 잼으로써 컴퓨터가 무엇을 하는지 알 수가 있을까? 천만의 말씀!
일은 그렇게 간단하지 않으며 쉽지가 않다. 전자 소자의 특성을 아는 것은 확실히 가치가 있지만 컴퓨터가 어떻게 정보를 처리하는가를 아는 문제하고는 차원이 다르다. 마찬가지로 신경세포의 특성을 아는 것은 유익하지만 두뇌가 어떻게 일을 하는가를 아는 것과는 차원이 다르다. 우리는 두뇌의 정보처리 원리를 밝혀야 한다. 그 비밀을 알아내야 사람의 두뇌와 경쟁할 정도의 신경망 컴퓨터를 개발할 수 있을 것이다. 그러나 우리는 기다릴 수 없다. 적어도 우리는 우리 두뇌가 신경세포들의 연결조직(신경망)으로 구성되어 있음을 안다. 우리는 거기서 시작하는 것이다. 이런 신경망, 저런 신경망을 구성해 보고 실제 문제에 응용해 보고 전진하는 것이다. 그 과정에서 실제 문제에 대해서 기존의 방법보다 좋은 결과가 나오면 그것을 이용하고, 그렇지 않으면 그것을 개선한다. 또 다른 신경망을 개발하고 다른 응용에 다른 방법으로 적용시켜 본다. 그렇게 하는 동안 신경생리학자들은 보다 상세한 사실을 밝혀줄 것이다. 그러면 공학자는 다시 그것들을 참조하여 인공 신경망을 개선할 것이다. 아니 잘하면 이런저런 신경망을 설계하고 이용하여 분석함으로써 거꾸로 우리 두뇌의 정보처리 원리를 밝혀낼 가능성도 있을 것이다. 실제 의식적으로 우리 두뇌의 동작 원리를 밝히기 위해서는 신경망 컴퓨터를 설계하여 분석하는 것도 신경망 연구의 큰 목적의 하나이다.
