쇠막대기와 할머니 세포

💥 1. 어떤 사고와 그 결과 (피니어스 게이지와 환자 H.M.)

1848 년 여름의 그날은 피니어스 게이지에게 있어 여느 때와 다름없는 평범한 날이었다. 그는 서부의 버몬트주 캐번디시 근처에 위치한 철도부설 현장에서 발파반의 반장으로 일하고 있었다. 당시만 해도 인부들은 발파작업을 할 때 길고 끝이 뾰족한 쇠막대기와 쇄석용 해머로 바위에 구멍을 뚫은 다음, 그곳에 검은색 폭약을 집어넣었다. 피니어스 게이지는 폭약에 점화하기 전 긴 쇠막대기로 화약을 굳게 다지는 일을 맡고 있었다.

그는 쇠막대기의 뭉툭한 부분이 아래로 향하도록 거꾸로 잡은 다음 구멍 속에 들어 있는 검은 화약을 다졌다. 그 일은 하루에도 열 번 이상 하는 일상적인 작업이었다. 하지만 그날의 작업은 좀 이상했다. 쇠막대기를 내리칠 때마다 바위에서 불꽃이 튀겼던 것이다. 하지만 아무도 그 이유를 몰랐다. 아무튼 무슨 이유에서인지 바위 속에서 폭약이 폭발했고 그 바람에 뾰족한 쇠막대기가 바위 밖으로 튕겨 나왔다. 쇠막대기는 그의 얼굴 왼쪽을 강타하면서 턱밑을 뚫고 들어갔다. 그리고 그의 두개골 한복판을 관통하면서 밖으로 빠져 나왔다.

게이지는 90 cm 짜리 쇠막대기가 머리를 관통했는데도 기적적으로 살아났다. 실제로 그는 잠시 동안 정신을 잃었을 뿐 곧 정신을 차렸고 동료들이 그를 데리고 마을의 의사에게 달려가는 동안 그들과 얘기까지 나눌 수 있을 정도였다. 그는 얼마 후 건강을 회복하고 멀쩡하게 돌아다녔다. 하지만 주위 사람들은 그의 행동에서 이상한 변화를 감지했다.

그는 사고를 당하기 전만 해도 착실하고 믿음직한 사람이었다. 사실 그가 반장이라는 직책을 맡게 된 것은 무엇보다도 믿음직한 성품 때문이었다. 하지만 그는 사고를 당한 이후 장기적인 계획을 세울 능력이 없는 사람으로 변했다. 그는 술을 입에 대기 시작했고 쌍소리를 했으며 (전에는 두 가지 모두 그와는 인연이 없었던 것들이었다) 성질을 조절하지 못하는 것 같았다. 그는 결국 직장에서 쫓겨나 이곳저곳 떠돌아다녔으며 가끔 서커스 무대의 여흥시간에 출연하기도 했다. (여기서 그는 자신을 그렇게 만든 쇠막대기와 함께 나란히 전시되곤 했다.)

그는 1861 년 샌프란시스코에서 죽었다. 당시는 남북전쟁이 한창이었기 때문에 그의 병세를 점검했던 동부의 의사들도, 그가 죽었다는 것을 몰랐으며 부검이 실시됐다는 기록도 남아 있지 않다. 남북전쟁이 끝나자 맨 처음 그를 치료했던 존 할로우 박사는 게이지의 가족과 만났다. 그리고 가족의 허락을 받고 그의 시체를 발굴하여 두개골을 하버드 의대의 워런 박물관에 안치했다.

1992 년, 신경생리학자인 해나 다마시오(Hanna Damasio)와 그녀의 동료들은 게이지의 두개골에 난 구멍들을 신중하게 검사했다. 그들은 첨단 컴퓨터 영상기법을 동원하여 쇠막대기가 통과하여 두뇌에 손상을 입힌 부위에 대해 상당히 신빙성 있는 추론을 제시하는 데 성공했다. 그들의 추정에 의하면 쇠막대기는 전두엽의 전방 하단부에 위치한 안와전전두엽 및 내측 전전두엽을 관통한 것으로 나타났다. 같은 부위가 손상된 다른 환자들(예를 들어, 뇌종양이나 뇌졸중으로 인해)을 연구한 결과, 그들도 기록에 나타난 피니어스 게이지의 행동과 동일한 행동양상을 보이는 것으로 나타났다. 그들은 장기계획의 필요성을 인식하지 못하는 듯했으며 따라서 제멋대로 행동했다.

피니어스 게이지의 이야기는 불행한 사건의 기록이라 할 수 있다. 그러나 이 이야기는, 과학자들이 뇌의 기능을 연구하는 데 사용할 만한 한 가지 방법을 제시했다. 어떤 사람이 사고든 질병 때문이든 두뇌의 특정 부위에 손상을 입었을 때 그 사람의 정신적인 기능에 대해 관찰을 시작하는 것이다. 오랜 세월에 걸쳐 이런 임상 사례로부터 조금씩 수집한 정보가 상당히 쌓이면 우리는 이것을 근거로 뇌의 종합적인 기능에 관한 훌륭한 이론을 얻을 수 있다.

이런 종류의 정보를 얻는 또 하나의 방법은 동물실험이다. 실험대상인 동물이 호모 사피엔스에 가까운 친척일수록 실험 데이터를 해석할 때 좀더 확실하게 추론할 수 있다. 예를 들어 시각의 기본 원리에 관해 우리가 갖고 있는 지식의 대부분은 고양이와 원숭이 실험을 통해 나온 것이다. 피니어스 게이지의 경우에서도 알 수 있지만 뇌기능의 손상이라는 문제는 놀랄 만큼 특이하다. 그는 뇌기능에 심각한 손상을 입었지만 시각, 언어, 신경조절 능력, 즉 단순 행동에는 아무런 지장을 받지 않았다. 이런 특이성을 웅변하는 두 번째 놀라운 사례는 1953 년 몬트리올에서 발생했다.

이런 불행한 이야기들로부터 한 가지 중요한 진실을 발견해낼 수 있다. 그것은 두뇌가 호환성 있는 다목적 부품들로 조립된 거대한 단일 기관이 아니라는 사실이다. 오히려 두뇌는 여러 개의 작은 촌락이 모인 집단(마을들의 연합체)과 같다. 여기서 촌락들은 각각 고유의 임무를 수행하면서 이웃 촌락들과 긴밀히 연락하고 또 전체의 부속으로서도 작용한다. 소화기 계통에 위장, 간, 창자 등이 들어 있듯이 두뇌에도 다양한 부위들이 여러 개 몰려 있으며 이것들은 서로 조화롭게 작용해야 한다. 또 하나의 비유는 두뇌를 오케스트라로 간주하는 것이다. 각 악기는 고유한 소리를 내지만 궁극적인 결과는 음의 조화로 나타난다.

🗺️ 2. 두뇌 탐험 (운동피질, 체지각 피질과 언어 중추)

두뇌가 기능을 발휘하는 방식을 세밀하게 밝혀내는 작업은 과학이 현재 당면해 있는 커다란 숙제 중의 하나이다. 나는 인간의 두개골 내부 세계를 밝히는 탐구가 19세기 초 미국 루이지애나 신영토를 탐험했던 루이스와 클라크(Lewis & Clark)의 탐험 방식과 대단히 유사하다고 생각한다. 미지의 영토를 답사하고 그 뒤를 따라 정밀 지도로 무장한 지리탐사 팀이 따르는 식이다.

오른손의 엄지손가락과 집게손가락으로 오른쪽 귀의 앞뒷면을 잡은 다음, 머리꼭대기를 가로질러 손가락이 왼쪽 귀의 같은 지점에 닿을 때까지 손을 움직여보라. 이 동작을 취했을 때 당신은 대뇌피질에서 대단히 중요한 두 부위를 지나간 셈이다. 하나는 전두엽 뒤쪽에 위치한 제 1 운동피질(Primary Motor Cortex)이고 또 하나는 두정엽 앞쪽 끝에 위치한 제 1 체지각 피질(Primary Somatosensory Cortex)이다. 이 두 가닥의 피질 띠는 신체 각 기관의 운동을 통제하고 전해지는 감각을 수신한다.

우측 대뇌반구 쪽에 있는 운동피질은 신체의 왼쪽 부분의 운동을 통제하며 좌반구 쪽 운동피질은 그 반대이다. 두뇌 정중앙의 양 반구 사이 틈새 아래쪽에서 반구 위로 올라간 다음, 귀에 이르는 둥근 부위에는 다양한 신체영역을 통제하는 뉴런들이 자리 잡고 있다. 왼쪽 엄지발가락의 감각은 우측 대뇌반구 틈새 안쪽의 체지각 피질 뉴런들이 감지하고, 발가락을 움직이라는 명령은 그 바로 앞의 제 1 운동피질 뉴런들이 내린다. 대략 12시 방향에서는 다리와 몸통, 1시~2시 방향에서는 팔과 손, 3시 방향에서는 얼굴, 입술, 턱의 운동 뉴런들이 밀집해 있다.

제 1 운동피질 전면에 위치한 전두엽(Frontal Lobe)은 주로 신경신호를 종합 처리하며 우리가 흔히 '고위 사고'라고 일컫는 정신 기능들도 여기서 처리한다. 이곳은 인간의 두뇌에서 다른 동물들에 비해 현저히 발달된 부위이며, 인간의 이마가 유난히 튀어나온 것도 이 때문이다. 높은 지능을 지칭하는 영어의 '지식인(Highbrow)'이라는 표현도 높은 이마(눈두덩이)에서 유래했다.

말하는 능력은 거의 모든 사람들에게 있어 왼쪽 대뇌반구의 두 핵심 부위와 밀접히 연결되어 있다. 브로카 영역(Broca's Area)은 입술, 혀, 성대를 통제하는 운동피질 부위 앞쪽에 위치하며 말하는 운동 행위와 관련되어 있다. 이곳이 손상되면 말은 완벽히 이해하지만 말이 느려지거나 더듬거리게 된다(운동성 실어증). 반면 베르니케 영역(Wernicke's Area)은 청각피질 옆 뒤쪽에 위치하며 언어의 이해와 관련된다. 이곳이 손상되면 유창하게 말을 쏟아내지만 두서없는 횡설수설이 되고 남의 말을 전혀 이해하지 못한다(감각성 실어증).

언어 연구는 동물에게는 없는 인간 고유의 기능이기 때문에 동물실험으로는 풀 수 없다. 사람이 말을 할 때는 먼저 전두엽에서 생각을 형성하고, 브로카 영역으로 신호를 보내 문법적 설계를 한 뒤, 제 1 운동피질로 보내 입술과 성대를 움직인다. 이는 뇌가 '분할 처리(Modular Processing)'를 수행하는 명백한 증거이다.

📡 3. 활동하는 두뇌 관찰하기: 뇌영상 혁명 (PET와 fMRI)

1980 년대 중반 이후 과학자들은 살아 있는 두뇌의 활동을 직접 들여다볼 수 있는 놀라운 두 가지 도구를 확보했다. 바로 양전자 방출 단층 촬영술 (PET) 과 기능적 자기공명 영상술 (fMRI) 이다. 두 기술 모두 뉴런이 신호를 발사할 때 휴지기보다 더 많은 에너지를 소모하며, 이에 따라 활동 부위로의 혈액과 산소 공급량이 증가한다는 생리학적 원리를 이용한다.

PET 스캔은 뇌 속 신경전달물질 수용체의 분포도를 그리거나 신경자극의 여행 경로를 추적하는 데 탁월하다. 그러나 방사성 물질을 합성하는 가속기 설비가 필요하고, 영상 합성에 약 1분 정도의 시간이 걸려 순간적인 신경 신호를 실시간으로 포착하기 어렵다는 한계가 있다.

이에 비해 자기공명 영상술(fMRI)은 인체 내 가장 풍부한 수소 원자핵(양성자)의 자기적 성질을 이용한다. 양성자는 자전축을 중심으로 회전하면서 마치 팽이처럼 완만한 원을 그리며 도는 세차운동(Precession)을 한다. 강한 외부 자기장 속에서 라디오 주파수를 가하면 양성자들이 에너지를 흡수했다가 방출하며 고유한 신호를 보낸다.

일반 구조적 MRI(sMRI)가 조직별 수소 양성자 밀도로 인체 구조를 촬영한다면, fMRI는 혈액 속 산소화 헤모글로빈과 탈산소화 헤모글로빈의 자기적 차이(BOLD 신호)를 극도로 정밀하게 감지하여 뉴런이 활성화된 부위의 미세 혈류 변화를 몇 초 단위로 선명하게 포착해 낸다.

1994년 예일 대학교 연구진은 fMRI를 통해 남성과 여성이 같은 언어 과제를 수행할 때 남성은 주로 좌반구 뉴런만 사용하는 반면, 여성은 양쪽 반구를 모두 활발하게 가동한다는 놀라운 뇌기능 차이를 발견했다. 또한 노인의 기억 감퇴가 기억의 '검색' 장애라기보다 애초에 기억을 '저장(부호화)'하는 뇌 부위의 혈류 유입 감소에서 비롯된다는 사실도 fMRI를 통해 입증되었다.

👁️ 4. 보는 것이 곧 생각이다 (시각피질과 '할머니 세포'의 허구)

뇌의 작동을 뉴런 차원에서 규명하는 가장 성공적인 모델은 바로 시각 정보 처리 과정이다. 눈으로 들어온 빛 에너지는 망막의 간상체(Rods, 명암)와 원추체(Cones, 색채)에서 활동전위라는 전기화학적 신호로 바뀐다. 망막은 단순한 카메라 필름이 아니라 이미 고도로 처리된 정보를 전달하는 두뇌의 전초기지이다.

망막의 신경절 세포 축삭들은 뇌간 상단의 상구 (Superior Colliculus, SC) 와 시상 속의 외측슬상체 (LGN) 로 투사된다. 상구(SC)는 시야 주변부의 움직임에 즉각 반응하여 무의식적으로 고개를 돌리게 만드는 반사적 영상 처리를 담당한다. 반면 대부분의 정밀 시각 신호는 시상의 외측슬상체(LGN)를 거쳐 후두엽 뒤편의 제 1 차 시각피질 (V1) 로 들어간다.

시각피질은 6개의 층(Layer 1~6)으로 이루어져 있다. LGN에서 온 시각 신호는 주로 4번층(입력층)으로 들어가고, 피질 내 다른 영역으로 보내는 신호는 2~3번층에서, 뇌하부로 보내는 신호는 5번층에서 나오며, 6번층은 시상(LGN)으로 피드백 신호를 되돌려 보낸다.

시각피질의 뉴런들은 매우 특이하게 반응한다. 수평선 윤곽에만 점화하는 세포, 수직 모서리에만 반응하는 세포, 특정 각도의 기울기에만 반응하는 세포들이 수없이 존재한다(허블과 비셀의 방향 선택성 발견). 이 모든 분할 분석은 시야 전체에서 병렬 처리(Parallel Processing)로 동시에 일어난다.

최근 과학자들은 수많은 뉴런들이 초당 40회(40Hz 감마 밴드) 일제히 동기화되어 신호를 발사하는 위상 동기화 진동(Synchronous Oscillation)을 발견했다. 뇌 속에서 산산이 분해된 색상, 형태, 움직임이라는 조각들이 단일하고 온전한 의식적 이미지로 합쳐지는 이른바 "결합 문제(Binding Problem)"의 열쇠가 바로 이 40Hz 동기화 현상에 있다.

🚀 5. 신경학 프로그램 (The Neurological Program)

인간의 대뇌피질은 1 mm² 당 약 10만 개의 뉴런이 빼곡히 들어차 있다. 뇌피질의 기능을 mm 단위로 세분화하는 작업은 이미 현실이 되었지만, 각각의 뉴런 하나하나가 생각과 감정을 만들 때 어떤 역할을 하는지 낱낱이 규명하는 작업은 한 세대 이상이 걸릴 거대한 대장정이다.

나는 두뇌의 활동을 개별 뉴런 단위로 온전히 재구성하는 이 원대한 과학적 도전을 "신경학 프로그램 (Neurological Program)"이라 부르고자 한다. 이 프로그램은 인간 게놈 프로젝트에 필적하는 지적 모험이다.

고에너지 물리학자인 내 경험상, 미국의 초전도 초충돌기(SSC) 프로젝트가 의회 투표 한 번으로 취소되었던 것처럼 이 신경학 프로그램 역시 재정적·기술적 난관에 부딪힐 수 있다. 그러나 중요한 것은 물리적 기구로서의 뇌세포 활동을 통해 인간의 고위 정신 활동을 완전히 환원하여 설명하는 것이 원칙적으로 가능하다는 확신이다.

두뇌는 신비의 영역에 머물러 있는 초자연적 마법이 아니라, 정교한 신경망과 동기화된 전기화학적 신호들의 협주곡으로 사고를 창조해 내는 물리적 실체인 것이다.