스파이크

스파이크 - 뇌를 누비는 2.1초 동안의 파란만장한 여행
마크 험프리스 지음, 전대호 옮김 / 해나무 / 2022년 6월

뇌를 누비는 2.1초 동안의 파란만장한 여행

북하우스 과학 브랜드 해나무에서 출판한 마크 험프리스 교수님의 <스파이크>는 최근 읽었던 가장 도발적인 도서이다. 새로운 아이디어와 뒤따르는 통찰력은 언제나 지적 흥미를 자극한다. 인간이 뇌의 중요성을 파악한 이래 의식의 가장 기저에서 작용하는 스파이크의 역할과 중요성, 작용기저를 밝히는 <스파이크>은 인간 존재의 심연을 들여다보게 한다.

마크 험프리스 교수님은 영국 노팅엄 대학교 계산신경과학과 석좌교수이다. 계산 및 통계 모델을 사용해 인간 뇌를 연구하는 시스템 신경과학자. 뉴런들이 함께 작용해 신체를 기능하게 하는 방식에 매료되어 바닥핵, 뇌간, 감각 겉질, 앞이마엽겉질, 그리고 바다민달팽이의 이동 운동 시스템에서 뉴런이 어떻게 집단적으로 활동하는지를 연구해왔다. 온라인 플랫폼 〈미디엄MEDIUM〉의 간행물인 ‘더 스파이크THE SPIKE’의 창립 편집자로, 시스템 신경과학의 황금기에 등장한 연구 성과를 대중에게 알리는 역할을 맡고 있다.

[ 스파이크 책날개 중 ]

저자는 스파이크 하나가 눈에서 출발하여 쏜살같이 뇌를 거쳐 손까지 여행하는 2.1초간의 과정을 마치 소설처럼 생생하게 보여준다.

우리의 뇌는 뉴런으로 구성되어 있다. 대략 870억 개의 뉴런으로 구성되며 우리가 하는 모든 것을 뒷받침한다. 그들은 생각하는 모든 것과 행동하기 위해 행동하는 모든 것을 지각하는 모든 것을 담당한다.

문학, 수학, 과학, 운동의 천재들이 이루어낸 업적은 뉴런의 대화로 이루어진 것들이다. 870억 개의 뉴런이 하나의 언어로 서로 대화하는 작업을 수행하는 스파이크(전기 충격)의 전달을 의미한다.

스파이크를 이해하기 위해서는 먼저 뇌 구조를 이해할 필요가 있다.

뇌의 구조와 스파이크의 형성을 알아보자. 성인의 뇌 속 뉴런 869억 개 중 약 170억 개가 겉질이 있다. 그것들 각각이 평균적으로 초당 최대 1개의 스파이크를 전송한다. 1초당 한 개의 스파이크가 일어난다고 가정하면 UN의 평균 기대수명 70세를 가정하면 초로 따지면 20억 초가 넘고, 매초 겉질에서 발생하는 스파이크는 약 170억 개다. 인간은 사는 동안 340억 곱하기 10억 개의 스파이크를 전송하는 것을 의미한다.

저자는 다음 내용을 제안한다.

1. 스파이크를 아는 것은 뇌를 이해하는 데 필수적이다.

2. 스파이크는 어떻게 생성되고 어떤 일이 일어나는지 미스터리를 풀 필요가 있다.

3. 인간 두뇌의 마지막과 그것이 의미하는 바는 스파이크의 이해와 관련이 있고, 아직은 근본적인 한계가 있다.

스파이크를 아는 것은 우리의 일상생활을 이해하는 것이다. 일상생활은 보고 들으며 그것을 결정하고 기억하는 것으로 이루어진다.

우리 두뇌는 보통 5개의 피질로 구분한다.

예를 들어, 시각의 경우 우리가 무엇을 보면 바깥세상에 있는 물체의 광자가 반사돼서 렌즈를 통해 망막에 맺히고, 망막 안에 있는 다양한 세포 중에 광검출기 역학을 하는 광검출 세포와 신경절 타입 신경세포를 통해 빛 에너지가 스파이크로 바뀐다. 빛이 들어오면 반응하는 것이다.

우리가 쿠키를 본다고 가정했을 때, 우리의 시선이 쿠키에 꽂히면 망막은 쿠키와 그 주변에 관한 정보를 세분하여 서로 별개인 정보 통로 수십 개로 배분한다. 그 통로들은 쿠키에 관하여 제각각 다른 메시지를 겉질로 운반한다. 또한 쿠키 조각들의 상대적 위치에 관한 메시지를 운반하는 통로도 있고, 그 조각들이 어떤 방향에서 있는지에 관한 메시지를 운반하는 통로도 있다.

이러한 메시지는 신경절세포 축삭돌기를 따라 전송된다. 최소 100만 개의 축삭돌기가 다발을 이뤄 굵고 하얀 밧줄을 형성하는데, 그 밧줄이 시신경이다.

우리의 스파이크는 겉질의 일차시각영역(V1)에 진입한다. 스파이크가 운반하는 다른 모든 메시지는 결합하여 ‘쿠키’에 대한 지각을 창출한다. 겉질은 층이 세심하게 나뉘어 있는 케이크다. 모두 여섯 층이 있는데, 다섯 층은 즙이 많은 뉴런으로 빽빽이 채워져 있고, 맨 위의 1층에는 뉴런이 전혀 없다.

우리가 보고 있는 이미지를 작은 픽셀로 구분해 해당 픽셀만 볼 수 있는 시각 피질의 층 아래로 내려가면 스파이크의 여행은 중단된다. 스파이크와 다음 뉴런 사이에는 틈새(시냅스틈새)가 있는데, 스파이크는 그 틈새를 건널 수 없어 분자들을 방출한다. 그러면 전압 펄스가 발생해 스파이크는 다음 뉴런으로 새로운 스파이크를 만들어낸다.

우리가 중간에 뉴런을 기록하면 뇌와 그들이 보내는 스파이크가 무엇인지 볼 수 있다.

스파이크는 좋아하는 이미지의 유형은 가장자리가 있다. 시각의 경우 수평선으로 먼저 처리해서 보는 것을 선호한다. 그런 다음 수평선에 따라 시각 정보를 분석하고 그런 다음 수직으로 물체를 회전하며 분석한다.

가장자리에서 물체의 윤곽선을 처리한 뉴런은 스파이크를 통해 다음 뉴런으로 전달하고 다음 뉴런은 정보를 종합해 시각 정보를 통합한다. 때로는 윤곽선에서 색상과 질감의 정보를 전달하면 함께 다음 뉴런으로 스파이크를 일으켜 전달한다.

반응한다는 말은 뉴런이 스파이크를 전송한다는 의미이다. 뉴런은 스파이크를 전송받기도 하지만 스스로 스파이크를 만들어낼 수 있다. 이는 우리가 뉴런에 대해 가지는 대표적인 오해이다.

시각을 지나 결정을 담당하는 두뇌는 후두엽이다. 이는 정수리에 있는 피질로서 의사 판단 즉, 결정을 내리는 구역이다. 어떤 종류의 상황이 주어지면 결정에 대한 찬성과 반대의 증거를 추가하고 결정을 내린다. 마치 컴퓨터 이진법처럼 찬성, 반대의 수많은 순간을 지날 때까지 스파이크는 격렬히 작용한다. 결정을 내릴 때까지 스파이크의 수는 점증하고 결정을 내리는 순간 스파이크는 급격히 줄어든다.

이러한 스파이크가 보내는 이진법의 원리를 알아낸 사람은 매컬러와 피츠였다. 서로에게 1과 0을 전송하는 뉴런들의 집단이 모든 논리를 산출할 수 있다는 이론을 증명했다. 매컬러를 잘 알았던 존 폰 노이만은 매컬러와 피츠의 논문을 읽고 뇌의 논리를 활용한 컴퓨터의 구조를 고안했다.

단기기억을 담당하는 곳은 전두엽이다. 이곳은 단기 기업을 담당하며 이곳의 뉴런에서 발생한 스파이크가 단기 기업을 담당하는 것처럼 보인다. 스파이크는 Y미로를 통해 어디로 갈지 결정하고 달리게 한다.

상술한 세 가지 영역의 피질에서 스파이크는 같은 종류의 신호를 끊임없이 동시에 보낸다. 뉴런은 보고, 증거를 축적하고, 단기기억을 통한 모든 정보를 종합해 우리가 알고 있다는 인식의 과정을 만든다. 스파이크를 아는 것은 뇌가 하는 일을 이해하는 데 중요하다.

우리는 왜 스파이크를 가지고 있는 걸까?

얼마나 많은 것이 스파이크로 만들어내는지 뉴런의 위치에 따라 엄청난 양을 전달하는 여부는 가지돌기에 달려있다. 틈새를 건너 표적 뉴런의 가지돌기에 상륙한 스파이크는 뉴런의 본체에서 멀리 떨어져 있을 수 있다.

스파이크는 3개만 되어도 새로운 스파이크를 만들어낼 수 있다.

피질과 해마에서 두 뉴런 사이의 개별 연결을 기억하면 스파이크를 보내는 뉴런이 있다는 것을 보여주는 논문이 있다. 평균적으로 보내는 스파이크의 75개는 반대쪽에 도달하지 않거나 아무 일이 일어나지 않도록 하므로 스파이크의 25%만이 해당 연결에서 어떤 일이 발생하도록 한다. 이는 매우 기이하다. 여기서 우리는 암흑 뉴런에 대한 힌트를 가지게 된다.

이 책의 가장 주목할 점은 우리의 스파이크의 기능을 담당하는 75%는 암흑 뉴런에서 일어난다는 점이다. 이는 마치 우주의 생김새와 거의 같이 생겨 암흑 뉴런에 관한 연구는 앞으로 연구할 가치가 충분하다.

다른 미스터리는 스파이크가 시간에 대한 정보를 얻는 것이다.

뇌는 어떻게 스스로 스파이크를 만드는가?

암흑 뉴런이 이에 대한 힌트를 제공한다. 피질에 따라 스파이크를 보내는 것을 히스토그램으로 표현하면 90%의 뉴런에서 보내는 스파이크는 25% 이내이다. 나머지는 10%의 뉴런이 보내는 스파이크가 75% 이상을 차지한다. 이 공간은 비어있다.

스파이크는 실험실에서 증폭되어 오실로스코프를 통해 확인할 수 있다.

그럼 90%의 뉴런의 역할은 무엇인가?

두뇌는 우리 몸무게의 2%에 불과하지만, 에너지의 20% 정도를 사용한다. 우리는 주변인과 상호작용하는 법을 평생 배운다. 우리는 사람들과 상호작용하는 문화적으로 적절한 방법과 강하거나 약한 상호작용과의 다양한 수준의 상호작용에 대해 우리가 평생 배운다. 복잡한 문화 환경 속에서 우리가 살아가는 주관에 따라 감정과 경험에 대한 인간적인 요소가 있다.

지각하는 능력뿐 아니라 우리가 주변 사물의 감각을 인식하고 있다는 것을 인식하는 능력이 있다.

저자는 우리의 뇌가 어떻게 작동하는지에 관한 상당히 급진적인 모형을 제시한다. 외부 세계에 의해 유발된 스파이크들은 자발적 활동을 조정하는데, 바로 이 조정이 스파이크들에 담긴 메시지다.

저자는 계산신경과학과 교수라는 신경과학과 통계학을 융합한 생소한 전공을 연구하는데, 스파이크를 설명하는 과정에 있어 계산과 통계가 결정적인 역할을 하는 것을 알 수 있다.

<스파이크>는 분명 쉬운 책이 아니다. 하지만 인간 존재의 가장 기본에 해당하는 의식을 담당하는 스파이크의 원리를 이해함으로써 뇌에 대한 새로운 정보를 알 수 있었다. 또한 신경과학이 앞으로 추구할 연구 방향과 이를 활용해 인간 존재의 문제를 심층적으로 알아갈 수 있는 길을 제시했다.

- 이 글은 출판사에서 도서를 지원받아 주관적으로 작성하였습니다.

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