박광하의 생명과학 이야기
뇌[腦]과학(3)
신경말단축색말단[acxon terminal에서 분출되는, 도파민, 세로토닌, 아드레날린 등
뇌과학 이야기를 써보려고 생각하면서 기본적으로 과학에 관심이 없는 분이 과연 읽을 생각을 할까? 하는 의아심[疑訝心]과 “어느 정도 이해할 것이냐?”고 자문[自問]을 하였다. 뇌과학의 논문과 교양수준의 책도 많이 나와 있어서 상당수준의 독자들이 있으리라는 생각도 하며 전문용어를 피하지 못하고 설명을 이어가고 있다. 시냅스에서 나트륨이온[Na-] 같은 전하[電荷]물질을 건네지 않고 극히 미세한 화학물질로 행동을 감당할 세포에게 정보를 건네게 된다. 신경전달 물질이 그런 것이다. 신경전달 물질은 분자수준으로 분자량이 100이나 200의 비교적 가벼운 물질이다. 신경전달물질의 대표적인 것은 호르몬이라고 불리는 도파민, 세로토닌, 아드레날린 같은 것이데, 축색말단 주머니 속에 가득 들어 있다가 전기의 형태의 스파이크가 오면 확 방출돼서 받아들이는 세포쪽으로 이동하며 작동하게 되는 것이다. 신경전달물질은 현재까지 알려진 것만 해도 약 100종류 정도 된다고 한다. 하나의 신경세포는 정해진 한 종류의 신경전달물질만 사용하게 된다. 예를 들어 밤길은 가는데 어둠속에서 산[山]짐승의 눈빛 같은 이상한 불빛을 보고 놀랬다고 할 경우 시신경을 통해 들어온 자극은 시신경을 통해 관계되는 신경망에 전달되고 그 반응으로 동공이 확대되고 혈압이 올라가게 되는데 어둠속의 이상한 불빛이라는 자극이 부신[副腎-곁콩팥]을 자극해서 아드레날린이라는 신경전달 물질을 분비시키며 이 물질은 눈을 부릅뜨게 하고 혈압을 상승시켜서 흥분하게 만드는 것이다. 피부에 있는 통점이니 온점이니 하는 센서[sensor]에서부터 콘트럴 타위[control tower]인 뇌에서 눈을 부릅뜨게 만들기까지 전류발생, 화학변화, 신경전달물질 방출 등의 복잡한 과정이 전광석화[電光石火] 처럼 눈 깜짝할 사이에 벌어지고 생체의 신경망은 비상상태가 된다. 이 과정을 모방한 프로그램이 수없이 개발되고 있고 최근에 세상을 뒤흔들어 놓은 알파고도 그 아류[亞流]라고 할 수 있다.
개성이 있는 신경세포
뇌세포속에 신경세포의 수를 대충 1000억개로 보고 있는데 대뇌 피질에만 140억개가 된다. 또 신경세포 하나는 1만개의 시냅스를 만든다고 하는데 1000억개 곱하기 1만 너무 많아서 생각하기가 골치 아픈 일이다. 그런데 그 하나 하나가 개성이 있고 하는 일이 다르다고 하니 보통사람들에게 이 이야기를 하면 두 손, 두발 다 들지 않을 수 없다. 신경망을 통해 발등을 모기가 공격하고 있다는 전기신호를 받은 대뇌의 운동튜런에 연결되면서 가까운 오른손이 출동하라는 명령을 신경말단의 싱경전달 물질, 방출로 연결되는 것이며, 촉감 시신경 등 신경망은 모기를 공격한 결과정보를 확인할 수 있게 되는 것이다. 이 복잡한 공정을 1000분의 1초 안에 해낸다. 과학의 속성이라는 것이 끝은 보고자 하는 것이다. 생물학이 생체의 구조가 하나하나의 세포로 되어 있고 핵, 세포질, 원형질막, 세포막 등으로 되어 있다는 것을 밝혀냈다면 화학에서는 핵에 있는 염색체를 산산히 분해해서 분자를 발견했고 분자는 무엇으로 이루어 졌을까를 쪼개 보다가 원자를 찾아냈다. 그러나 물리학자가 나서서 원자는 무엇으로 이루어져 있는가를 파고들다 보니까 원자핵과 전자로 이루어진 것을 알게 되었고 더 나아가서 양자와 중성자까지 알게 되었는데 여기가 끝이 아니다. 지금은 쿼크[quark]에 다다랐다고 하지만 이것으로 종결된 것이 아니기 때문이다. 뇌속을 파 보면 뉴런 투성인데 뇌의 구조는 어느 정도 알아냈지만 뇌에 있는 뉴런이라는 신경세포가 해내는 일을 밝혀내기가 캄캄한 밤중에 바늘 찾기만큼이나 어려운 일이리라. 그러나 이일이 조금이라도 친척이 되면 세상이 달라질 것처럼 호들갑이 나오기 마련이다.
뇌 속에 살고 있는 소인[小人]
뇌에서 하는 모든 일을 다 밝히고 싶은 것이지만 그 중에 사람의 마음이라는 것이 어떻게 이루어지는 것인가는 뇌과학중에서도 최고의 관심 대상이다. 마음이란 인격을 비롯해서 감정, 의지 등을 뭉뚱그려 말하는 것인데 컴퓨터와 다른 것은 의식·무의식을 포함한 정신적 전반을 조정할 수 있다는 것이다. 물론 조종할 수 없는 무의식인 행동도 있다. 심장박동을 멈춘다든가 소화기관에서 일어나는 소화작용 같을 것을 스스로 조정하지는 못한다. 행성운동에 관한 케플러 법칙을 발견한 물리학자 요하에스 케플러[1571-1630]도 우주 돌아가는 것은 알아냈지만 정작 자신 뇌속의 돌아가는 것 사정은 몰라서 “뇌 속에 살고 있는 소인이 생각을 하는 것이다.”라고 언명한 일이 있다고 하지 않는가! 허파는 무의식과 의식의 경계선의 일을 한다. 허파가 하는 일을 잠시는 스톱시킬 수 있다. 하지만 죽을 때까지 멈추려고 아무리 의식을 하여도 불가능하다. 이것은 어떤 소인이 조정하는 것인가? 이런 것을 내노라 하는 과학자들도 알지 못하고 있다. 감정이나 성격을 지배하는 곳이 대뇌의 이 부분일 것이라고 추측되는 사건이 있었다. 공사장에서 일하는 아주 성실한 노동자가 있었는데 어느 날 공사현장에서 폭발 사고가 있었다. 폭발로 인해서 근처에 있던 직경 3cm가 되는 날카로운 쉬붙이가 날라와 턱을 뚫고 들어가 머리위를 뚫고 나왔다. 병원으로 옮겨져 치료해서 죽지 않고 살아났지만 이 사고로 이 사람의 성격이 확 바뀐 것이다. 꼼꼼한 성격이었는데 욱하는 과격한 사람으로 변해서 상소리를 내뱉고 남들을 배려할 줄 모르는 골치덩어리로 변해 버린 것이다. 150년전의 이 병원 치료사례가 알려지면서 쇠붙이가 건드린 전두엽이 인간의 성격을 지배하고 형성되는 곳일 거라고 과학자들은 추론하고 있는 것이다. 전두엽은 인간이 압도적으로 발달되어 있고 원숭이가 그 다음이며 쥐는 신체구조 비율로 상당히 작다. 마음의 장소일 거라는 추측만으로는 해결되는 것이 아무것도 없다. 오래된 것이지만 충격적인 논문 기사가 있다.
살아 있는 쥐를 무선조종하다
2002년 네이쳐지에 실린 기사내용이다. “살아 있는 쥐를 무선조종하다”이다. 완구점에서 구입한 장난감도 아니고 살아있는 쥐를 리모콘으로 조종하였다는 것이다. 쥐도 살아있는 생명체이기에 동물애호단체에서 반발도 있었지만 살아있는 생명체를 전파수신기로 조종한 것이다. 실제로는 가혹하게도 쥐의 두개골에 구멍을 뚫고 뇌의 전극을 꽂아서 조종한 것이다. 뇌를 자극함으로써 행동을 조절할 수 있는 것을 보여준 것인데 충격적이지 않은가? 컴퓨터는 다 아는 바와 같이 0과 1을 가지고 장난하는 것인데 뇌는 어떻게 다른가? 아직까지 자발성이 있는 컴퓨터는 없다는 것이다. 알파고가 이세돌을 네판이나 이겼지만 대국후의 소감발표는 할 수 없었다. 컴퓨터가 작곡을 한다던지 글을 쓴다던지 하는 짓거리는 못하고 있다. 쥐에 전극을 꽂아 리모콘으로 조정한지 14년이 지난 현재에 기상천외[奇想天外]한 일들이 벌어지고 벌어 질 것 같아 기대반[期待半] 우려반[憂慮半]으로 추이의 신경을 곤두세우고 있는 것이다.
뇌 컴퓨터 인터페이스[Brain Computer Interface]
지난주 한겨레신문[2016.5.4]에 흥미있는 과학기사가 보도되었었다. 무인조종기[드론-drone]를 리모컨인 조이스틱으로 조종하지 않고 생각만으로 조종해서 결승점에 도달시키는 경기의 기사 내용이었다. 사람의 생각을 무인기에서 전파로 받아 항로를 비행하는 것이다. 생각을 전파로 변환시키는 기술이 대중화 돼 가고 있는 것을 실감하는 뉴스였다. 지난달 4월 22일 미국 플로리다 주립대 실내 체육관에서 열린 이 경기는 참가자들이 손잡이가 있는 조종기인 조이스틱을 들고 있는 것이 아니라 책상에 앉아서 헤드셋 처럼 생긴 기기를 머리에 쓰고 컴퓨터 프로그램의 화면을 뚫어지게 바라보고 있을 뿐이었다는 것이다. 이 장치의 이름은 BCI(Brain Computer Interface), 이른바 ‘뇌 컴퓨터 인터페이스’다. BCI는 뇌파의 움직임을 컴퓨터에 전달해 디지털기기를 제어하는 기술을 말한다. 이 기기를 쓰고 “전진하는 장면”을 생각하면 드론은 앞으로 날아가고 오른쪽 또는 왼쪽으로 움직이는 장면을 떠올리면 옆으로 움직이게 되는 것이다. BCI 기술은 아직은 초보단계로 리모컨이나 조이스틱처럼 누구나 쉽게 이용할 수 있는 단계까진 나아가지 못했다. 뇌파를 물리적 에너지로 바꿔주는 능력도 아직 만족할 만한 수준은 아니며 조종기로 움직이는 드론들은 시속 100Km가 넘는 속도로 맹렬하게 날아가지만, 뇌파의 제어를 받는 드론들의 비행 속도는 그에 훨씬 못 미친다고 한다. 그러나 뇌파를 통해 무형의 생각을 읽어내는 기술은 새로운 세계를 열어가고 있는게 분명하다. 미연구팀은 최근 사지가 마비된 환자의 팔과 손을 뇌파로 움직이게 하는데 성공했다고 한다. 팔이 절단된 환자가 뇌파로 로봇팔을 움직이는 것도 가능해 진 것이다. 미 조지아공대에선 뇌파로 작동하는 드럼 연주용 로봇팔 시제품을 개발해 시험중이고, 버클리대 등에선 뇌파로 꿈을 읽어내 이미지로 변환하는 실험에 성공했다고 하니 기절초풍[氣絕-風]할 일이 아닌가?<다음호에 계속>
박광하(전 여주대신고 교감, 전 수원계명고 교장)
필자 박광하 선생은 고려대학교 생물학과를 마친 후에 평생을 생물과학 강의와 교육에 헌신하여 왔다. 20여년 전 호주로 이주하여 시드니에 거주하며 집필 활동을 하고 있다.