인간 두뇌 는 책 2000 만권 저장 할 수 있 는 컴퓨터 ' 초 고속 반도체 ' 스냅 스 가 기억 저장 … 계산 · 저장 한곳 서 처리 해 학습 할수록 능력 좋 아 져 도마뱀 도 개도 사람 도 모두 뇌 를 갖 고 있 는데 , 뇌 의 어떤 특징 이 사람 을 사람 답 게 할까 ? 낙지 나 오징어 , 곤충 등 의 뇌 는 신체 여기저기 에 분산 되 어 있 다 . 그러 다가 진화 의 단계 에서 척추 동물 에 이르 자 온몸 에 흩어져 있 던 작 은 뇌 들 이 등 쪽 으로 모이 게 되 면서 척추 속 에 있 는 척수 라는 한 가닥 의 커다란 뇌 를 만들 게 된다 . 척추 동물 의 진화 초기 단계 에서 뇌 는 단순 한 신경 세포 가 모인 혹 같 은 것 이 었 다 . 그리고 그 척수 의 앞 끝 부분 이 더욱 비대 하 게 되 어 마침내 지금 처럼 뇌 다운 뇌 가 만들 어 지 게 되 었 다 . 인간 의 뇌 는 어떻게 구성 돼 있 나 파충류 단계 를 거치 면서 뇌간 ( 腦幹 ) , 포유 류 단계 를 거치 면서 구피질 ( 舊 皮質 ) , 영장류 단계 를 지나 면서 신피질 ( 新 皮質 ) 이 차례 대로 진화 해 현재 와 같 은 인간 의 뇌 가 만들 어 졌 다 . 중요 한 것 은 이 3 개 층 을 이렇 듯 두드러지 게 갖 고 있 는 생명체 가 인간 외 에 는 없 다는 점 이 다 . 뇌 의 3 층 구조 가 오늘날 인류 의 모습 을 대변 하 고 있 다 해도 과언 이 아니 다 . 뇌간 은 뇌 진화 의 역사 상 가장 오래 된 부위 로 파충류 도 갖 고 있 다 . 그래서 뇌간 은 ‘ 파충류 의 뇌 ’ 또는 ‘ 원시 뇌 ’ 라고도 불린다 . 파충류 형 뇌 는 인간 의 생존 에 기본 적 인 호흡 이나 섭식 과 같 은 일상 적 행동 의 조정 에 관여 하 는 기능 을 갖 고 있 다 . 구피질 은 신피질 안쪽 에 있 는 층 으로 하등 포유 류 의 뇌 와 비슷 한 대뇌변연계 ( 大腦 邊 緣 系 ) 부분 을 일컫 는다 . 대뇌변연계 는 시상 ( 視床 ) , 시상하부 , 해마 , 뇌하수체 등 으로 구성 되 며 성행위 와 같 은 인간 의 본능 적 충동 과 정서 를 다스린다 . 포유류 가 진화 되 어 영장류 가 출현 함 에 따라 뇌 에 는 마지막 으로 신피질 이 발달 했 다 . 그래서 신피질 은 ‘ 영장류 의 뇌 ’ 로 불리 며 진화 의 역사 가 가장 짧 다 . 뇌간 과 대뇌변연계 가 사람 의 동물 적 본능 을 지배 하 는 원시 적 뇌 라면 , 뇌 의 90 % 를 점유 하 는 신피질 은 원시 적 뇌 를 통제 하 여 인간 적 이성 을 지배 하 는 기능 을 갖 고 있 다 . 이성 의 힘 이 순간 적 으로 약화 될 때 마다 원시 적 뇌 가 주도 권 을 잡 게 되 고 그러 면 신피질 이 통제 를 시작 한다 . 그러나 신피질 의 지나친 통제 는 생명력 을 억압 하 는 결과 를 낳 기 도 한다 . 그러므로 가장 바람직 한 상태 는 뇌 의 3 층 구조 가 조화 롭 게 상호 작용 하 는 때 다 . 그렇 다면 원숭이 와 인간 은 똑같이 신피질 을 갖 고 있 는데 왜 서로 다른 것 일까 ? 인간 의 신피질 은 인간 에 가장 가까운 영장류 인 침팬지 보다 3 배 나 크 다 . 인간 의 신피질 영역 의 수 는 이제 까지 조사 된 어떤 영장류 보다 도 많 다 . 두개골 의 화석 을 볼 때 오스트랄로피테쿠스 의 대뇌 는 인간 대뇌 의 3 분 의 1 밖 에 되 지 않 으며 언어 령 도 없 었 던 것 같 다 . 이 대뇌 피질 ( 대뇌 표면 을 덮 고 있 는 회백색 부분 . 신피질 · 고 피질 · 구피질 의 3 종류 로 구성 돼 있 으며 고 피질 과 구피질 을 합쳐서 변연 피질 이 라고 한다 ) 에서 일어난 영역 의 확대 와 첨가 가 분명히 인간 이 가진 복잡 한 지성 ( 知性 ) 을 탄생 시켰 을 것 이 다 . 바로 이것 이 인간 의 두뇌 를 소유 하 게 된 까닭 이 다 . 뇌 는 왜 굉장 한가 뇌 는 왜 굉장 한 것 일까 ? 그 답 은 뇌 가 몸 의 기관 이 면서 단순 한 하나 의 기관 에 그치 는 것 이 아니 라 한 단계 더 높 은 지위 에 있 다는 데 있 다 . 인간 이 하 는 고차원 적 기능 은 모두 뇌 가 맡 고 있 다 . 우리 의 몸 에 는 간 이나 신장 , 심장 , 폐 등 다양 한 기관 이 있 다 . 이 들 기관 은 그 기관 으로서 의 역할 만 을 수행 한다 . 이 에 비해 뇌 는 정보 를 받 고 그것 을 처리 하 며 출력 하 는 기관 으로서 의 기능 외 에 도 몸 전체 기관 들 의 조절 센터 로서 작용 하 고 있 다 . 게다가 인간 이 언어 를 사용 해 의사소통 을 하 듯 기관 끼리 의 정보 교환 도 뇌 가 조절 하 고 있 다 . 뇌 에 는 뉴런 과 그 크기 의 10 배 에 달하 는 글리 아 세포 가 있 고 이 들 이 긴밀 한 세포 사회 를 형성 하 고 있 다 . 뉴런 은 독특 한 모양 의 신경 세포 로 대뇌 피질 에 만 140 억 개 가 있 고 뇌 전체 로 는 1000 억 개 나 있 다 . 뉴런 은 많 은 돌기 를 갖 고 있 는데 그 중 에서 도 축색 ( 軸索 ) 이 라고 불리 는 긴 돌기 를 통해 다른 신경 세포 와 연결 돼 있 다 . 하나 의 축색 이 다른 신경 세포 와 접속 하 는 부분 이 시냅스 로 , 하나 의 신경 세포 에 는 5000 ~ 1 만 개 의 시냅스 가 있 다 . 다시 말 해 하나 의 신경 세포 는 5000 ~ 1 만 개 의 다른 신경 세포 와 연결 돼 있 다는 말 이 다 . 이 연결 부위 는 ‘ 시냅스 간극 ’ 이 라는 작 은 틈새 를 두 고 있 다 . 뇌 에 들어온 정보 즉 뉴런 의 전기 신호 는 시냅스 에서 화학 신호 로 바뀌 어 다른 신경 세포 로 전달 돼 다시 전기 신호 로 바뀌 는 과정 을 거친다 . 인간 사회 에서 사람 이 서로 대화 를 통해 사회 적 기능 을 발휘 하 는 것 처럼 뇌신 경계 에서 는 다양 한 이 들 세포 가 서로 연락 을 취하 고 있 다 . 세포 끼리 ‘ 악수 ’ 하 는 것 과 같 은 직접 적 연락 수단 으로서 시냅스 를 통한 정보 전달 이 있 고 , ‘ 언어 ’ 를 사용 한 정보 전달 로서 세포 를 활성 화 하 는 물질 에 의한 방법 도 있 다 . 이 세포 끼리 의 커뮤니케이션 에 의해 개체 의 행동 뿐 아니 라 개체 사이 의 관계 까지 도 제어 하 는 고차원 적 기능 이 행해 지 고 있 는 것 이 다 . 하등 동물 의 경우 뉴런 의 수 가 적 고 , 어느 세포 가 어느 세포 와 연락 하 는지 를 유전자 가 엄격 하 게 지배 하 고 있 다 . 하지만 뉴런 의 수 가 늘어나 면 자유도 ( degree of freedom · 주어진 조건 하 에서 자유 롭 게 변화 할 수 있 는 정도 ) 가 늘어나 많 은 연락 이 가능 해진다 . 사람 의 뇌 , 특히 대뇌 피질 은 진화 의 과정 에서 뉴런 의 수 가 압도 적 으로 늘어나 높 은 자유도 를 획득 했 다 . 그 가운데 서 환경 에 적응 하 여 도움 이 될 만 한 ‘ 회로 ’ 만 이 남 게 된다 . 어떤 뉴런 의 덩어리 에서 다른 덩어리 로 연락 이 전해 진다는 식 의 큰 테두리 는 유전 적 으로 결정 되 어 있 다 . 그러나 그 테두리 안 에서 일어나 는 연락 은 환경 에 따라 변한다 . 완전히 같 은 유전자 세트 를 가진 일 란 성 쌍생아 가 자라난 환경 에 따라 서로 다른 개성 을 가지 게 되 는 이유 가 바로 여기 에 있 다 . 뇌 의 신경 회로망 은 유전자 의 지배 를 넘어선 것 이 다 . 뇌 는 얼마나 똑똑 할까 인간 의 두뇌 속 정보량 을 비트 로 환산 하 면 약 100 조 에 해당 하 는 10 의 14 제곱 비트 의 정보 가 된다 . 이걸 영어 로 쓰 면 2000 만권 ( 세계 에서 가장 큰 도서관 의 장서 수 ) 의 책 을 가득 채울 수 있 다 . 이것 은 유전자 정보량 의 1 만 배 에 해당 한다 . 뇌 는 매우 불 충분 한 정보 에서 출발 하 여 대단히 복잡 한 것 으로 성장 한다 . 그것 을 가능 하 게 하 는 것 이 학습 이 다 . 예컨대 물체 를 보 기 위해 필요 한 기본 적 신경 회로 는 유전자 정보 로 완성 되 지만 물체 를 보 는 기능 은 학습 을 통해 얻 어 진다 . 인간 의 뇌 와 컴퓨터 와 의 정보 처리 차이 도 학습 능력 의 차이 에 있 다고 할 수 있 다 . 인간 의 뇌 는 계산 하 는 장소 도 뉴런 , 또 계산 한 결과 도 뉴런 의 연결 로서 저장 된다 . 계산 을 하 는 장소 와 기억 을 하 는 장소 가 하나 로 되 어 있 다는 얘기 다 . 그러나 컴퓨터 는 중앙 처리 장치 에서 계산 을 하 고 그 계산 결과 는 메모리 등 에 저장 한다 . 계산 하 는 장소 와 기억 하 는 장소 가 별도 로 되 어 있 는 것 이 다 . 따라서 계산 을 하 는 데 필요 한 기억 은 그때 마다 기억 장치 에서 호출 해야 만 한다 . 이것 은 컴퓨터 스스로 자동 적 으로 학습 하 는 것 이 근본 적 으로 불 가능 한 원인 이 라고 도 할 수 있 다 . 컴퓨터 에 학습 을 시키 기 위해서 는 그것 에 필요 한 프로세스 를 모두 인간 이 프로그램 해야 만 한다 . 인간 의 뇌 에서 는 계산 하 는 장소 와 기억 하 는 장소 가 하나 로 되 어 있 기 때문 에 계산 을 하 면 할수록 학습 에 의해 더욱더 잘 계산 할 수 있 게 된다 . 더욱이 학습 하 는 기본 적 프로세스 는 유전자 에 쓰여 있 다 . 뇌 의 정보 처리 특징 은 가설 을 세우 는 능력 에 있 다 . 컴퓨터 는 충분 한 정보 에서 옳 은 답 을 유도 하 는 데 능숙 하 다 . 그러나 뇌 는 불 충분 한 정보 에서 직관 에 따라 확실 한 듯 한 가설 을 세우 는 것 이 특징 이 다 . 그 가설 을 현실 과 비교 · 검증 하 여 차이 가 있 으면 그것 을 피드백 하 여 가설 을 수정 함 으로써 더욱 확실 한 답 을 유도 해 나간다 . 뇌 와 컴퓨터 의 가장 큰 차이점 은 정보 처리 방식 에 있 다 . 컴퓨터 는 아무리 우수 한 것 일지라도 처리 내용 과 수속 ( process ) 이 프로그램 이 라는 형식 으로 주어져야 만 한다 . 뇌 는 경험 학습 형 이 어서 반복 되 는 자극 이나 강한 자극 을 받 으면 정보 처리 네트워크 가 자동 적 으로 형성 된다 . 뇌 는 놀랄 만큼 분주 하 게 신경 화학 적 반응 을 행하 고 있 다 . 뇌 의 회로 는 인간 이 만들 어 내 는 어떤 인공 적 회로 보다 훌륭 하 다 . 뇌 는 사물 에 대해 생각 해 내 는 것 이상 의 많 은 일 을 한다 . 비교 하 고 , 종합 하 고 , 분석 하 고 , 추상 적 인 개념 을 산출 하 는 것 이 다 . 우리 는 신체 의 유전 인 자 가 알 수 있 는 것 보다 더 많 은 것 을 이해 하 고 있 어야 만 한다 . 이것 이 바로 뇌 의 도서관 이 유전 인자 도서관 의 1 만 배 가 넘 는 거대 한 것 이 된 까닭 이 다 . 뇌 는 어떻게 정보 를 인지 할까 우리 는 항상 방대 한 양 의 시각 정보 를 순간 적 으로 처리 하 고 선별 하 고 있 다 . 사과 를 보 았 을 때 어떻게 그것 이 사과 라는 것 을 알 게 될까 ? 시각 정보 는 처음 에 대뇌 의 가장 뒤쪽 에 있 는 ‘ 제 1 차 시각령 ’ 이 라 불리 는 영역 으로 들어간다 . 여기 서 모든 정보 가 시각 의 상하좌우 의 위치 에 대응 하 여 세밀 하 게 나누 어 진다 . 오른쪽 눈 으로 들어온 정보 와 왼쪽 눈 으로 들어온 정보 , 선분 의 기울기 나 길 이 , 움직임 , 빛깔 이나 밝기 등 이 제각기 독립 적 으로 처리 된다 . 여러 갈래 로 나누 어 진 정보 는 ‘ 어느 각도 로 기울어진 아주 짧 은 직선 ’ 과 ‘ 색깔 ’ 이 라는 식 의 단 2 가지 요소 로 분류 되 어 , 제 1 차 시각령 앞쪽 에 있 는 8 개 의 시각령 에서 단계 적 으로 통합 되 어 간다 . 그리고 대뇌 의 측두엽 에서 최종 적 으로 보 고 있 는 물체 가 사과 라고 인식 한다 . 달릴 때 의 뇌 작용 도 마찬가지 다 . 우리 는 달리 면서 ‘ 저 나무 까지 달리 자 ’ ‘ 피로 하 니 좀 천천히 달리 자 ’ 등 을 생각 한다 . 그러나 ‘ 먼저 왼쪽 다리 의 장딴지 근육 에 힘 을 주 고 지면 을 차 면서 오른쪽 팔 을 앞 으로 흔들 고 … ’ 등 을 생각 할 필요 가 없 다 . 달리 기 시작 하 면 여러 근육 이 자동 적 으로 균형 있 게 작용 하 기 때문 이 다 . 세계 의 과학자 들 은 이렇 듯 운동 에 관계 하 는 뇌 의 영역 을 자세히 조사 하 고 있 다 . 팔 이나 다리 근육 은 척수 에서 뻗 은 운동 뉴런 으로부터 나온 자극 에 의해 수축 되 는데 이 를 제어 하 고 있 는 것 이 대뇌 두정엽 의 ‘ 1 차 운동령 ’ 이 다 . ( 대뇌 는 각각 의 기능 을 발휘 하 기 위해 정보 를 통합 하 는 각 부위 의 느슨 한 연합체 , 즉 연합령 으로 나뉠 수 있 다 . 연합령 에 는 전두 연합령 운동 연합령 두정 연합령 측 두 연합령 후두 연합령 등 다섯 가지 가 있 다 . ) 1 차 운동령 이 몸 에 보내 는 지령 의 내용 은 다시 그 앞쪽 에 있 는 ‘ 고 차 운동령 ’ 에서 결정 되 는데 그 자세 한 내용 이 최근 연구 에서 밝혀 지 고 있 다 . 운동 의 준비 단계 에서 고차 운동령 은 운동 의 내용 을 기획 하 고 구성 한다 . 그 를 위해 자신 의 외부 세계 에 대한 정보 를 대뇌 연합령 으로부터 받 고 , 체내 상태 에 대한 정보 는 대뇌변연계 로부터 얻 는다 . 그 같 은 정보 를 바탕 으로 상황 에 따른 운동 을 하 도록 1 차 운동령 에 지령 을 보내 는 것 이 다 . 인간 의 뇌 안 에 펼쳐지 는 뉴런 의 세계 에 도 사람 의 사회 가 무색 할 정도 의 피라미드형 사회 가 있 다고 할 수 있 다 . 뇌 는 어떻게 기억 할까 사람 은 무엇 을 보 거나 들 었 을 때 그것 을 외웠 다가 훗날 어떻게 기억 해 내 는 것 일까 ? 기억 의 장 ( 場 ) 이 뇌 라는 것 은 틀림없 지만 세포 수준 , 분자 수준 에서 의 메커니즘 은 아직 수수께끼 에 싸여 있 다 . 다만 기억 은 뉴런 의 네트워크 에 의해 만들 어 지 는 현상 으로 이해 되 고 있 다 . 기억 의 메커니즘 은 ‘ 신경 회로망 의 변화 ’ 인데 이 는 시냅스 의 가소 성 ( 可 塑性 ) 작용 이 라 할 수 있 다 . 힘 을 가하 면 변형 된 형태 를 계속 유지 하 는 점토 처럼 우리 가 겪 는 경험 은 시냅스 가 지닌 가소 성 에 의해 기억 으로 뇌 안 에 새겨지 고 , 그 기억 은 뇌 안 에 고정 되 어 있 다 . 모든 뇌 의 기능 은 뉴런 과 시냅스 에서 일어나 는 일 의 조합 으로 설명 할 수 있 는데 시냅스 는 수많 은 정보 를 끊임없이 주고받 는 두뇌 속 의 초 고속 반도체 라 할 수 있 다 . 또한 대뇌 전두엽 앞쪽 에 자리 하 는 ‘ 전두 연합령 ’ 도 기억 에 작용 한다 . 가위 를 찾 으려고 옆방 에 들어갔 다가 무엇 을 찾 으러 왔 는지 잊어버린 경험 이 누구 나 한 번 쯤 있 을 게 다 . 여기 에 는 ‘ 워킹 메모리 ’( 작업 기억 ) 라는 전두 연합령 의 기능 이 관계 하 고 있 다 . 워킹 메모리 는 단기 기억 의 일종 으로 ‘ 행동 을 위하 여 쓰여 지 는 기억 ’ 이 다 . ‘ 가위 를 찾 는다 ’ 는 행동 을 하 기 위해 ‘ 가위 ’ 에 대한 기억 을 워킹 메모리 에 넣 어 두 었 다가 사용 하 는 것 이 다 . 워 킹 메 모리 란 뇌 안 에서 암송 ( 暗誦 ) 을 계속 하 는 것 과 같 은 기능 이 다 . 전 두 연합령 은 눈 이나 귀 를 통해 얻 은 주변 상황 이나 몸 의 내부 환경 ( 현재 에 대한 정보 ) , 미래 의 예정 ( 미래 에 관한 정보 ) , 기억 이나 지식 ( 과거 에 관한 정보 ) 등 에 접근 할 수 있 다 . 그 같 은 막대 한 정보 가운데 자신 에게 의미 있 는 정보 만 을 골라 그것 을 일시 적 으로 보존 해둔다 ( 워킹 메모리 ) . 그리고 그 정보 를 바탕 으로 행동 이나 감정 을 적절히 조절 한다 . 전 두 연합령 은 워킹 메모리 를 중심 으로 뇌 전체 를 제어 하 는 통제 센터 인 것 이 다 . 한편 수영 이나 자전거 를 배우 는 것 처럼 몸 으로 익히 는 운동 의 기억 은 대뇌 가 아니 라 소뇌 의 몫 이 다 . 소뇌 만 의 독특 한 점 은 에러 ( error ) 신호 를 전달 하 는 전용 회선 을 갖 고 있 다는 것 . 처음 테니스 나 피아노 학습 을 할 때 는 대뇌피질 에서 의식 하 고 연습 을 한다 . 하지만 잘못 하 면 고치 는 과정 을 되풀이 하 는 동안 에 소뇌 속 에서 회로 가 정리 되 고 원활 한 움직임 을 할 수 있 게 된다 . 연습 단계 에서 는 대뇌 와 소뇌 는 병렬 로 작동 한다 . 어떤 행동 에 에러 가 생기 면 그 정보 가 시각 이나 청각 , 통각 에 의해 인식 되 고 에러 신호 로서 소뇌 에 전달 된다 . 그러면 그때 작동 하 고 있 던 운동 을 위한 회로 가 닫히 게 된다 . 적합 하 지 않 은 움직임 을 하 는 회로 를 하나하나 씩 닫 아 감 으로써 소뇌 안 의 회로 가 정리 된다 . 우리 의 운동 에 실수 가 생기 면 쓸데없 는 운동 을 유도 한 소뇌 의 시냅스 가 회로 에서 사라지 고 남 은 시냅스 만 이 숙련 된 움직임 을 실현 한다 . 대뇌 가 다루 는 사고 는 의식 하 게 되 지만 소뇌 에서 일어나 는 일 은 무 의식 의 세계 에서 전개 된다 . 구구단 외우 기 처럼 학습 이 진행 되 면 생각 하 지 않 아도 답 이 저절로 나온다 . 이런 사고 는 소뇌 가 대신 하 고 있 을지 모른다 . 현재 소뇌 연구 분야 에서 가장 흥미진진 한 부분 이 다 . 김형자 과학 칼럼니스트 ( bluesky - pub @ hanmail . net )