뇌가 있기에 우리는 학습하고, 기억하며, 예측하고, 정신없이 변하는 환경에 적응하며 살 수 있다. 그뿐만 아니라 우리가 복잡한 사회를 형성하고, 예술을 이해하며, 희로애락 같은 감정을 만들어 내고, 인간이란 무엇인가 하는 심오한 의문에 대해 고민하고 토론할 수 있는 것도 뇌 덕분이다. 그렇기에 인간은 끊임없이 과학을 발전시켜 우주로 날아가고, 생명의 신비를 밝혀내며, 뇌를 인공적으로 조작하거나 아예 뇌 자체를 만들려고 한다. - '들어가며' 중에
저자 모나이 히로무는 일본학술진흥회 특별 연구원, 이화학연구소 뇌과학 종합연구센터 연구원을 거쳐 2018년부터 오차노미즈여자대학교 자연과학계 연구원으로 일하고 있다. 뇌에 관한 책을 읽는 모임 '인스피! 세미나'의 대표로, '뇌가 살아 있다는 것은 무엇인가?'라는 질문의 해답을 찾기 위해 생쥐의 뇌활동에서 실마리를 얻어 기초 연구와 의학 연구의 가교를 담당하는 연구를 하고 있다.
책은 3교시 강의로 구성되어 뇌에 관해 좀 더 알고 싶다!(1교시), 뇌는 수수께끼로 가득하다!(2교시), 뇌의 가능성은 무한하다!(3교시) 등을 통해 현재까지 밝혀진 최신 뇌과학 지식 중에서 특히 재미있다고 느낀 내용을 엄선해서 소개하고 있다.
죽은 줄 알았던 뇌가 되살아났다?
2019년 미국 예일대 연구자들이 죽은 지 4시간 정도 경과한 돼지의 뇌를 실험실의 특수 용액에 담궜더니 되살아났다는 연구 결과를 발표했다. 과거엔 심장이나 호흡의 정지를 해당 생물의 죽음으로 정의했다. 그러나 의학의 발전에 따른 심폐 소생술의 등장으로 이런 정지가 죽음이 아니라 '뇌사'가 인간의 진정한 죽음이라고 인식하게 되었다.
예일대 연구에선 뇌가 살아나긴 했지만 단순히 화학 반응에 뇌세포가 움직임을 보였다는 수준 정도였다. 뇌세포가 활동한 것으로 의식을 되찾았다고 말할 수 있을까? 인간이라면 뭔가 물어보면 반응을 보이겠지만 돼지의 경우엔 빛과 소리 등에 반응하는 움직임으로 죽었는지 살았는지를 판별할 수밖에 없다.
현재 의학은 전기적 활동인 뇌파의 유무를 기준으로 생사 여부를 판단한다. 여기서 애매함이 발생한다. 즉 뇌파가 측정되었다고 해당 뇌는 '반드시 살았다고 말할 수 있는가'이다. 소형 인공 뇌가 세계 각지에서 탄생했다. 실제로 태아와 같은 뇌파가 측정된 이후 유아, 아동과 같은 뇌파 상태로 진화를 거듭하고 있다. 그렇다면 이 뇌는 살아 있다고 할 수 있을까?
뇌는 소중하게 보호받고 있다
뇌는 물리적으로만 보호받는 게 아니라 화학적으로도 엄중히 보호받는다. 이런 화학적 보호 구조를 '혈액 뇌 관문'이라 부른다. 혈액엔 여러 가지가 녹아들어 있다. 포도당, 아미노산, 지질 등이 대표적이다. 알코올이나 카페인도 혈액을 통해 뇌에 도달한다.
대표적인 아미노산인 글루탐산은 뇌속에서 흥분을 전달하는 일을 한다. 만약 음식물에 들어 있는 글루탐산이 직접 뇌로 간다면 뇌는 계속 흥분 상태가 되어 경련을 멈추지 않는 심각한 일이 생긴다. 그래서 혈액 뇌 관문(뇌 혈관 장벽)은 글루탐산 같은 물질을 차단해 혈액을 통해 뇌로 들어가지 않도록 하고, 반면에 뇌의 유일무이한 에너지 성분인 포도당은 적극적으로 받아들이려는 메커니즘이 작용한다.
마찬가지로 약도 선택받은 것만 지나갈 수 있다. 중요한 약일수록 뇌에 보내기 어렵다. 알츠하이머병에 효과 있을지 모르는 약을 발명하더라도 이를 뇌에 전달하는 과제를 해결해야만 사용할 수 있다. 그래서 약학 연구 분야 중 약을 뇌에 전달하는 메커니즘을 전문적으로 연구하는 ‘약물 전달’ 분야가 따로 있다. 현재 매우 작은 나노 캡슐에 담아서 뇌에 전달하는 방법이라든가, 코를 통해 전달하는 방법 등 다양한 연구가 진행되고 있다. 아이로니하게도 유해 성분인 알코올, 마약 같은 물질은 뇌에 잘 전달된다.(사진, 25쪽)
별 세포(성상 세포)는 뇌의 보호자다
별 세포는 뉴런의 활동을 뒷받침하는 숨은 일꾼이다. 따라서 별 세포가 기분 상해 “나 이제 일 그만할래”라고 하면 뉴런은 난감한 상황에 처한다. 실제로 신경 질환과 정신 질환은 대부분 이 별 세포의 기능 부전이 원인이 되어 발생한다는 사실이 밝혀지기 시작했다.
게다가 뉴런이 방출한 신경 전달 물질에 활성화된 별 세포는 글리아 전달 물질이라는 독자적인 전달 물질을 통해 시냅스 전달의 효율을 변화시킨다는 사실도 밝혀지기 시작했다. 요컨대 뉴런과 별 세포는 밀접하게 상호작용하며, 별 세포가 신경 활동에도 관여할 가능성이 있다. 지금까지는 별 세포를 단순한 보조 역할로 생각했으나, 실제로는 뇌의 정보 처리에도 중요한 역할을 하고 있었던 것이다.(사진, 61쪽)
꿈은 왜 꾸는 걸까?
수면은 3대 욕구 중 하나다. 생물은 왜 잠을 잘까? 수면 중에는 뇌의 활동은 중지할까? 잠을 자는 동안에도 뇌는 열심히 활동한다고 알려진다. 깊은 잠에 빠지면 1초에 1~4회로 진폭이 느리고 큰 델타파가 관측된다. 사람이 잠에 빠지면 먼저 15~20분에 걸쳐 비렘수면 상태인 1단계에서 2단계로 이행하고 이후 서파 수면이 30분 정도 계속된다. 그런 후 렘수면으로 이행하며, 램수면이 15~20분 정도 계속된 후 비렘수면으로 돌아간다. 일반적으로 이 사이클을 서너 번 반복한다.
뇌 속에는 현실 세계를 바탕으로 구축한 내부 모델이라는 세계가 존재한다. 그리고 이것이 예측이나 정보의 보완에 도움을 주는 것으로 여겨지고 있다. 인간은 태어날 때부터 시행착오를 반복하며 이 내부 모델을 구축하려 열심히 힘쓴다.
예를 들어 근육을 이렇게 움직이면 손이 어떻게 움직일 것이라든가, 공을 이 정도 힘으로 던지면 어떤 궤도를 그리며 떨어지리라는 것 등이다. 특히 시각 회로에는 뇌로 들어간 정보의 10배가 넘는 신호가 뇌에서 돌아와 정보를 보완한다는 이야기도 있다.
캄캄한 공간에 있으면 생생한 환각을 보거나 유체 이탈을 하거나 임사(臨死) 체험을 하는 것은 이 내부 모델의 이미지를 보았기 때문으로 여겨진다. 우리가 매일 꾸는 꿈도 이 뇌의 내부 모델 세계일지 모른다. (사진, 수면 중의 뇌파)
개성과 장애의 모호한 경계선
학교에서 친구들과 잘 어울리지 못하거나, 규칙을 잘 깨거나, 분위기를 어지럽히는 등 약간은 특이한 행동을 하는 아이가 있다. 이런 행동 유형을 '발달 장애'라고 한다. 이는 신경 회로 형성에 문제가 발생한 탓이다. 즉 신경 회로가 오히려 너무 많은 상태인 것이다.
뉴런의 집합부를 '시냅스'라고 하는데, 생후 1년 사이에 최대로 증가한 후 사춘기에 불필요한 시냅스가 제거되며 적절한 회로가 취사 선택된다. 이것이 정상적인 발달 과정이다. ‘시냅스 가지치기'는 불필요한 시냅스가 제거되는 과정을 말한다. 그런데, 이 가지치기가 정상적으로 진행되지 않은 것이 발달 장애로 생각된다. 그래서 신경 회로의 수가 많고 복잡한 상태라고 할 수 있다.
뇌는 불필요한 신경 회로를 제거함으로써 에너지 절약을 실현한다. 건강한 뇌 기능을 위해서는 높은 에너지 효율이 필요하다. 그런데 발달 장애인의 뇌는 에너지 효율이 낮은 편이다.
한편 발달 장애 혹은 지적 장애를 안고 있는 사람 중에 ‘서번트 증후군’을 가진 사람은 놀라운 기억력을 지녀 딱 한 번 본 거리의 모습을 건물 하나하나까지 그림으로 완벽하게 그려낼 정도로 천재적인 능력을 발휘한다. 이에 관해 아직 밝혀지지 않은 게 많지만, 정상ㆍ장애ㆍ천재의 경계가 모호하다는 것은 분명하다.
머리가 좋다는 것은 무슨 의미일까?
언뜻 생각하면 머리가 좋은 사람은 머릿속에 신경 회로가 가득 차 있을 것 같지 않은가? 누구나 그렇게 생각하기 쉽다. 그런데 연구 결과, IQ가 높을수록 신경 회로가 단순하다는 것이 판명되었다. 반면에 IQ가 낮은 사람은 신경 회로가 더 복잡했다.(사진,149쪽)
정반대 결과여서 놀랍지 않은가? 그런데 이 결과를 해석하면, 뇌과학적으로 볼 때 머리가 좋다는 것은 에너지 효율이 좋은 상태, 다시 말해 효율적으로 뇌를 작동시킬 수 있는 상태라고 할 수 있다. 그렇다. 인간은 태어난 뒤 필요한 시냅스를 선택적으로 취하고 학습을 통해 신경 회로를 최적화한다.
뇌의 숨겨진 비밀을 소개한다
책은 뇌의 구조와 기능은 물론이고 이를 밝혀낸 연구의 역사까지 폭넓게 조명한다. 난 뇌과학을 쉽지 않은 딱딱한 학문으로만 여겼는데, 이 책을 통해 오히려 지적 즐거움을 느낄 수 있었다. 뇌과학을 처음 접하는 입문자들에게 책의 일독을 권하고 싶다.
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