1. 개요
건강한 뇌는 어떻게 정상적으로 작동하는지, 지적 능력이 어떻게 기대 이상의 통찰력을 만들어 내는지 등의 물음에 답을 구하려는 학문이다. 뇌의 복합적인 기능과 구조에 대한 해석을 통해 인간이 가진 가능성의 한계에 대해 답을 구하는 분야이다.2. 역사
2.1. 19세기 전
19세기까지 뇌 과학은 암흑기에 있었다.이를 대표적으로 알려주는건 아리스토텔레스가 말한 "마음과 영혼은 심장에 있다"가 있다. 또한 프란츠 조셉 갈은 "두개골의 크기와 형태 사람의 특성을 정한다"라는 망언을 할 정도로 당시 뇌 과학은 아무 발전도 되어 있지 않았다.그리고 이 생각은 19세기 까지 이어져 왔다.당시 뇌 과학을 연구할 기술력이 없었던것은 사실이이였고 그렇기에 뇌 과학이 연구와 발전이 되오고 있지 않고 있던것도 사실이였다.그리고 뇌 과학을 발전시려는 시도도 있었다.
고대 그리스에 그리스인들은 정신이 뇌에 속한다고 생각했다.또한 뇌에서 뻗어나온 신경 파이프를 통해 어떠한 액체가 지나가고 이 액체의 힘을 통하여 근육을 신장하거나 수축한다고 상상했다. 물론 그리스 시대의 과학은 이론이었으므로 실증적인 모델을 개발하려 하지 않았다.
그러나 로마 시대에는 실제 원숭이의 뇌를 해부하여 그 조직적인 모양을 알아 본 기록이 있다.
그러나 다시 중세의 암흑시대에 들어서면서 실증적인 연구는자취를 감추었고 르네상스 시대에 들어서면서 다시 연구가 시작되었다. 이때에는 인체의 해부도 자주 행해지고 그 결과 뇌의해부도가 만들어 졌다.
그러나 인간의 뇌를 과학적으로 생각하기 시작한 사람은 데카르트라고 평가받는다. 근대철학의 시조라고 불리는 그는 수학, 물리, 철학을 포함하여 세계를 체계적으로 그리고 합리적으로 해석하려고 했다.
데카르트는 뇌가 동물의 모든 운동을 지배한다고 생각했다. 동물은 정기(精氣)가 심장에서 만들어져 뇌에 저장된다.
한편 뇌는 신경을 통해서 이것을 신체의 각 부분에 보낸다. 정기의 압력에 의해 근육이 움직인다고 생각했다. 마침 이 시대에 파이프 속에 물을 보내고, 물의 압력으로 손발을 움직이는 자동인형 즉, 원시적인 로보트가 만들어지고 있었다.
동물도 이와 같다고 생각했고 따라서 동물도 신비스러운 것은 아무것도 없고 자동기계와 같다고 생각했다. 그러나, 사람의 경우는 동물과 달라서 뇌 속의 송과체(松果體)에 정신이 있어서 정신이 신체를 지배한다고 여겼다.
그 후 뇌 연구는 느리지만 꾸준히 발전하였다. 18세기에는 갈마니(Galvani)에 의한 `개구리다리 실험'에 의한 생체 전기현상의 발견은 매우 중요하다.
이 실험은 전유럽에 유행하면서 볼타(Volta)가 전지를 만드는 직접적인 계기가 되었고, 이런 전지는 그 이전에는 실험하기가 힘들었던 전기현상에 대한 다양한 실험을 가능하게 해주었고, 지금 전자기학 책에 나오는 Faraday, Ampare 등의 실험을 가능하게 해주었다.
갈마니(Galvani) 이후의 전자기학 및 전기공학의 발전은 급속도로 진행되었다. 또한 전기 생리학의 시발점이 되기도 하였다.또한, 이 당시에는 전기장어,전기 가오리등 생체전기현상이 대단한 주목을 받았다.
1850년경에는 당시 물리학자였던 페히너는 그 자신이 `정신물리학(Psycho-Physics)'이란 용어를 최초로 사용하면서 인간 정신에 대한 정면도전을 선포했다.
그러나 거창한 의지와는 무관해 보이는, 물리량과 감각 인식에 관한 무식할 정도의 단순한 실험들이 있었다. 그의 연구의 일부는 현재 고등학교 생물책에 나오는 `페히너-베버 법칙'이란 것이 있다.(생물학자인 베버와 공동연구를 한 것이 아니고 베버의 실험 결과를 페히너가 법칙화 한 것이다.)
그의 연구결과는 현재의 신경계와 관련하여 밝혀진 것에 비교하면 너무나 보잘것 없는 것으로 보이지만, 그 당시에는 대단한 반향을 일으켰던 것 같다.
또한, 대물리학자 쉬레딩거 말년의 저서 `정신과 물질'에서는 프로이트와 더불어 정신과학에서 천재적인 인물로 평가하고 있다.
1875년에는 `리처드 칼튼'에 의해서 뇌와 관련된 전기적 현상이 최초로 발견 되었는데, 갈바노미터를 사용하여 노출된 동물의 뇌에서 전류를 검출하였다.
나중에 19세기에 이르러 신경을 지나가는 것은 동물정기와 같은 액체가 아니라 전기임이 실증되었다. 즉, 전기펄스가 신경을 통해서 전달되어 근육을 움직인다는 사실이 밝혀졌다.
2.2. 19세기 후
그로부터 19세기,뇌 과학은 혁명을 맞이하게 된다.뇌를 해부함으로써 뇌의 구조에 대한 상당히 자세한 지식이 얻어졌다.인간의 뇌는 천억 개 가량의 뉴런(Neuron)으로 구성되었다는 것은 상식이지만 뉴런은 20세기 초에 와서야 비로소 발견되었다.
그 이전까지는 뇌는 생물학의 기본원리에서 벗어난 예외로 간주되었었다. 즉, 조직(tissue)이란 세포가 모여서 이루어진 것이라는 생물학적 원리가 뇌에서만은 그렇지 않다는 것이 당시 해부학의 정설이었던 것이다.
우리가 뇌조직을 염색해 보면 쉽게 알 수 있는 일이지만, 세포들을 골고루 물들이는 물감으로 염색한 뇌조직은 일견 연속적인 조직 덩어리로 보이며, 신경섬유나 돌기들이 거미줄같이 얽히고 설켜 있고 세포핵들이 도처에 분산되어 있어, 그 어디서도 이 조직이 신경세포, 즉, 뉴런 하나하나가 모여서 이루어진 것이라고는 판단하기 어렵게 되어 있다.
19세기 말엽에 해부학자인 Camillo Golgi는 뇌조직을 구성하는 모든 뉴런을 무차별적으로 다 염색하는 것이 아니고 그 일부만을 오다가다 염색하는 특수한 염색 물질을 개발하였는데, 이것으로 염색하면 종전의 염색법으로는 뉴런이 너무 밀집해서 서로 분리 관찰 할 수 없던 것이 하나 하나 똑똑히 관찰할 수가 있다.
즉, 골지염색(Golgi stain)이라 칭하는 이 방법에 의하면 뉴런 개개의 전모를 세포체나 돌기를 모두 관찰 할 수 있다.
뉴런주의(Neuron Doctrine)는 또 다른 해부학자 레이몬 야 카잘(Ramon y Cajal)의 연구에 의해서도 밝혀졌는데, 카잘은 수많은 동물의 뇌를 골지염색법에 의해 조사한 결과 뇌의 모든 부분이 뉴런을 구성단위로 한다는 것을 밝혔다. 그후 카잘은 뇌의 배선도, 즉 뉴런간의 상호연결을 밝힌다는 엄청난 과업에 착수하였다.1906년에 졸지와 카잘은 '신경조직의 구조연구'로 노벨상을 받게 된다.
그 후, 막전위, 삼전도에 관한 연구,최초의 뇌전도 발견, 신경세포의 기능에 관한 연구,신경섬유 기능 연구, 간뇌의 기능연구 등으로 뇌 과학은 게속 발전하였다.
20세기 중반에 접어들면서 뇌의 기본 요소인 뉴런의 동작에 대하여 실증적인 상세한 연구성과가 얻어졌다.
각 뉴런이 어떻게 동작하는지에 대한 정밀한 이론이 세워지고 실험과 일치한다는것이 확인되었다.
특히 영국의 호그킨(Hodgkin)과 허츨리(Huxley)는 뉴런축색전압의 비선형 다이나믹서를 기술하는 방정식을 제안하고 그것을 입증하여 뇌연구에 큰 획을 그었다.
이 입증을 가능케 한 것이 미소전극(微小電極)의 발명이다. 이 미소전극을 한 뉴런에 꽂으면 뉴런 속에서 어떤 전기현상이 일어나고 있는지 직접 관측할 수 있다.
과학자들은 이 도구로 뇌의 비밀을 완전히 알아내는 것도 멀지 않았다고 열광했지만 실제로는 그리 쉽지 않았다. 뉴런 개개의 동작을 아는 것과 대단히 복잡한 회로망인 뇌의 원리를 아는 것은 서로 별개이다.
물론 뉴런의 동작을 모르고서는 뇌의 기능을 알 수 없지만, 뉴런의 동작을 잘 알았다고 해서 여러 회로망을 결합한 시스템으로서의 뇌의 동작을 바로 알 수는 없다.
그 원리를 밝히기 위하여는 큰 비약이 필요하다.
뉴런의 발견으로 뇌의 해부학적인 구조는 알게 되었지만 그 속에서 일어나는 정보처리에 관해서는 이때까지 밝혀진 것이 너무나 미비하다.
뇌에 손상을 입은 사람을 관찰함으로써 뇌의 질량작용(質量作用)설이 제창되었다.뇌의 일부분이 손상되더라도 별다른 이상이 일어나지 않는 경우가 있다. 따라서 뇌는 특정한 장소가 특정한 기능을 맡고 있는 것이 아니라 전체적으로 공동으로 동작하며, 일부가 없어지면 없어진 질량에 비례하여 뇌의 기능이 저하한다는 학설이다.
그러나, 그 후 보다 세밀한 관찰의 결과 그것과 반대인 기능국재(機能局在)설이 활발해졌다. 이것은 뇌의 특정 장소는 특정한 역할을 담당한다는 것이 처음부터 결정되어 있으며, 어느 일부분이 손상 받으면 해당 기능이 없어진다는 학설이다.
뇌가 전체로서 기능한다는 질량작용설과 특정한 장소는 특정한 기능에 관련된다는 기능국재설의 경쟁에서 결국 후자가 이겼다. 그러나 이 문제는 완전히 해결된 것이 아니라 지금까지 파문을 남기고 있다.
즉, 기능국재설은 사실이지만 어디에서나 대단히 많은 뉴런이 모여서 공동으로 기능을 담당하도 있다는 것, 뇌의 일부가 손상받았을 때 얼마 후 다른 부분이 이 기능을 대신할 수 있다는 것 등을 생각하면 뇌의 기능이 모두 구분되어 확정적으로 국재하고 있다고는 말하기 힘들다.
뇌의 정보는 국재한 부분의 뉴런군의 흥분패턴으로 표현된다고 생각하면 국재적인 질량작용설이 성립한다.
또 뇌 연구는 1970년대 이후 다시 새로운 발전이 있었다. 그 하나는 뇌의 전달 물질에 관한 연구이다. 뇌는 전기 펄스로 표현되는 정보를 모아서 계산하여 그 답을 다음 뉴런에 전달하는 전기적인 회로망이지만 뉴런끼리의 정보 전달 과정에서는 화학물질을 사용한다. 그리고 이 화학물질의 종류는 수 십 가지나 될 정도로 다양하다는 것을 알게 되었다.
즉, 뇌는 전기적인 정보처리를 수행하는 장치인 동시에 화학적인 정보도 처리한다.
또 한가지, 새로운 뇌 연구의 전개는 뇌의 가소성(可塑性)
즉, 뇌가 가변적인 구조를 갖고 있음이 실증된 것이다. 뇌의 설계도는 유전자 속에 쓰여 있지만 실제 뇌는 유전자에 정해진 대로 만들어진 딱딱하고 고정된 시스템이 아니다.
뇌는 생물이 살아가는 동안에 그 환경과의 상호작용을 통하여 자기의 구조를 바꿀 수 있는 유연한 시스템이다.
변동하는 환경 속에서 생물이 살아 남기 위한 위해서 그러한 뇌의 가변성은 대단히 중요하다. 이 가변성의 비밀이 겨우 해명되기 시작했다.
한편 정보 기계로서의 뇌를 바라보면 뇌의 분자 기구를 안다고 해서 뇌의 본질을 알 수 있는 것은 아니다. 정보처리 해내는 뇌의 본질을 규명하기 위해서는 뇌의 정보 표현과, 그 다이나믹서의 원리를 규명해야 한다.
현재 우리가 뇌를 구성하는 뉴런에 대해서는 개개의 동작과 그 결합을 알고, 그것을 컴퓨터상에서 표현 가능하다면 뇌의 동작을 완벽히 시뮬레이션할 수는 있다.
그러나 이것으로 뇌의 정보 원리가 규명된 것은 아니다. 이는 유체역학에서 모든 분자의 충돌을 시뮬레이션 한다고 해서 이것으로부터 나비아-스토크 유체역학법칙이나 난류의 법칙을 알 수 없는 것과 동일하다. 이러한 정보처리와 관련된 뇌 연구 방법론에서 빼놓을 수 없는 것이 '구성적 방법' 또는 '신경모델링'이다.
즉, 이는 뇌의 기본구조인 뉴런에 대한 엄밀한 신경모델링을 바탕으로 하고 논리적 사고에 의하여 뇌의 모델을 만들어 그 동작을 관찰함으로써 원리를 추측하는 방법이다.
물론 뇌가 단순히 하나의 대원리만으로 이루어지는 것은 아닐 것이다. 실제 뇌는 이러한 원리를 몇 개 조합하여 분자기계라는 생물학적 속박하에서 실현된 것이다.
따라서 필연적으로 복잡한 것이 된다. 이런 분야의 학문이 최근에 체계를 갖추기 시작한 Computational Neuro-Science이다.
이러한 분야의 시작은 1943년 미국의 수리과학자 멕컬럭과 피츠(McColluch,Pitts)에 의한 뉴런의 정보처리 기능에 대한 형식뉴런모델의 제안에서 부터라고 할 수 있겠다(결국에는 뇌의 이론이 아니라 전자계산학의 원류가 되었지만...)
그들은 형식 뉴런에 의하여 논리연산의 기본인 AND,OR,NOT연산이 가능함을 보였다. 논리연산이란 이 세가지 연산의 조합에 의해 모두 실행할 수 있으므로 신경계는 논리적인 완전계라고 할 수 있다.
즉, 튜링기계가 계산하는 것은 신경회로망도 계산할 수 있다는 것이다. 본 네이먼(Von Neuman)이나 새논(Shannon)등이 이 이론에 높은 관심을 보였으며, 그로부터 automaton이론,형식언어이론 등이 발전되어 현재의 전자계산학이나 인공지능의 원류의 하나가 되었지만 뇌 이론에서는 오히려 벗어났다.
뇌와 컴퓨터가 근본적으로 다르다는 것은 이미 노이만이 간파했었다. 뇌 동작의 기본은 여러 요소의 아날로그적 상호작용에 의한 병렬처리과정으로, 이것을 0과 1의 2진법으로 대치하는 것은 적당하지 않다.
즉, 뇌의 병렬정보처리는 하나의 협동 현상 같은 것으로 이루어진다고 추측하였다.
연구의 발전이 20세기 초 뉴런의 발견이 계기가 되었다는 것은 이미 앞에서 언급하였다. 그런데, 이와 비슷한 시기에 '카오스(Chaos) 이론'의 태동이 있었다.
19세기 말의 앙리뽀앙까레(Henri Poincare)의 역학적인 다체문제에서의 비선형 항에 의한 기이한 현상들에 관한 연구가 바로 그것인데, 그의 발견들은 물리에 의해서 어떤 연구의 흐름을 형성했어야 했겠지만 20세기 초의 양자역학과 상대론에 의한 물리학의 큰 혁명 속에서 두각을 나타내지 못하다가 이들 두 이론이 거의 안정정적으로 된 후인 1960년대에 와서야 그의 발견은 비선형성, 되먹임, 엔트로피와 규칙계에 내제된 비평형에 대한 새로운 연구와 합쳐지게 되었다.
이후 카오스 이론은 컴퓨터 공학의 혁명적인 발전과 더불어 물리, 수학, 생물, 전자 및 기계공학은 물론, 생태학, 사회학, 경제학, 의학 등에 많은 영향을 미치고 있다.
비슷한 시기에 활성화된 뇌 연구와 카오스 연구는 당연히 서로가 연결될 수 밖에 없었는데 그 이유는 뇌의 기본 기능 소자인 뉴런의 비선형성에 기인한다.
1980년대의 연구에서는 주로 뉴런을 주기적인 전류로 자극하여 세포의 불규칙적인 흥분의 카오스적 성질이 실험적으로 밝혀졌다. 1980년대 후반이 되어서는 신경계의 기능과 카오스와의 관련성이 논의되게 되었다.
예를들어 Mapitosos등은, 해삼의 운동뉴런의 발화패턴을 조사하여 운동의 리듬에 관계되는 연속방전의 주파수변동이 카오스적이라는 것을 보였다. 프리만(Freeman)등은 토끼 후구의 뇌전위(EEG) 와 그 모델의 냄새자극에 대한 응답을 조사하여, 카오스는 인식과정에 필요한 뉴런의 집단적활동의 기조상태이고, 과거에 학습한 감각패턴을 항상 억세스하고, 또 새로운 감각패턴을 학습하기 위한 제어된 노이즈원으로서 기능하고 있다고 생각하고 있다.
이와 같이 카오스가 뇌의 정보처리와 관계하고 있다는 생각은 매우 흥미 있다. 이는 앞에서 설명한 뇌의 가소성과도 관계된다. 즉, 살아 있는 상태를 유지하기 위해서는 시시각각 다양하게 변화하는 정상이 아닌 요소를 지니고 있어야 한다.
그러나 이것이 단지 무작위로 변하는 것은 아니며, 외계의 환경을 여러가지 지각 정보로서 취하고, 처리하여, 목적에 맞게 변화하는 것이다. 비선형계이면, 예를들어 신경계의 경우, 세포 내의 이온 농도, 막 전위, 시냅스의 결합강도, 새롭게 생긴 시냅스 결합, 신경계의 환경을 구성하는 여러가지 물질, 입력신호에 의존하여, 계의 거시적인 상태가 드라마틱하게 그리고 다양하게 변화한다.
이것은 매우 중요한 의미를 지니고 있는데, 그것은 생명체(뇌)의 진화의 방향이 효율성이라면 단순한 조직으로부터 다양한 기능이 표출되게 하는 것이 더 효율적일 것이기 때문이다. 이와같은 비선형계의 다양성과 제어가능성이, 중추신경계의 정보의 인식, 기억, 통합 등의 기능과 깊이 관계하고 있는것은 아닐까하고 기대하고 있는 것이다. 그러나, 그 구조에 대해서는 현재 거의 아무것도 알려져 있지 않다.
그 후 20세기부터 급속도로 발전하였다.미국은 뇌 과학에 막대한 투자를 하고 있고 일본도 그렇다. 그리고 현재 뇌 과학은 중요한 학문으로 자리 잡았다.