사이언스 온 - 마취 때 ‘ 의식 ’ 의 스위치 는 어떻게 꺼지 나 ? - 신경망 모형 연구 
 마취 때 ‘ 의식 ’ 의 스위치 는 어떻게 꺼지 나 ? - 신경망 모형 연구 
 오 철우 2015 . 09 . 14 
 피츠버그 대학 연구 진 ‘ 확률론 적 신호 전달 의 급격 한 상태 전이 ’ 설명 
 단일 매개변수 변화 가 의식 과 무 의식 스위치 역할 - 물리 저널 논문 
 + 전문가 도움 말 : 의식 / 무 의식 연구 물리학자 이운철 박사 
 » 신경 연결망 . 출처 / Wikimedia Commons 
 의식 에서 무 의식 으로 바뀌 는 뇌 의 상태 전이 가 확률론 적 인 창발 현상 임 을 보여 주 는 컴퓨터 모형 이 개발 됐 다 . 이 모형 은 상태 전이 를 지배 하 는 매개변수 하나 의 작 은 변화 만 으로 도 뉴런 들 간 에 이뤄지는 복잡 한 신호 전달 의 의식 상태 가 무 의식 상태 로 급격히 변할 수 있 음 을 보여준다 . 
 미국 피츠버그 대학 의대 등 소속 연구 진 은 최근 물리 학술지 인 < 피지컬 리뷰 레터 스 ( Physical Review Letters ) > 에 낸 논문 에서 전신 마취 중 인 환자 에 나타나 는 뇌 파도 ( EEG ) 의 특징 을 재현 할 수 있 는 컴퓨터 신경망 모형 을 만들 었 으며 , 이 를 통해서 의식 과 무 의식 이 신호 전달 의 확률론 적 인 역동 적 변화 에서 기인 하 는 상태 전이 ( phase transition ) 현상 과 도 같 음 을 보여 주 었 다 . 
 연구 진이 만든 컴퓨터 모형 은 감각 신호 를 받아들이 는 뇌 시상 ( thalamus ) 영역 과 그 신호 를 처리 하 며 의식 상태 의 활동 을 보여 주 는 피질 ( cerebral cortex ) 영역 간 의 신호 처리 연결망 을 모사 했 다 . 이 는 모두 7381 개 의 노드 를 잇 는 네트워크 로 구성 되 었 는데 , 이번 연구 에서 독특 한 점 은 노드 간 의 신호 전달 이 확률론 적 으로 이뤄지도록 했으며 이런 확률론 적 신호 전달 을 통제 하 는 매개변수 ( parameter ) p 를 정교 하 게 개발 했 다는 점 이 다 . 노드 에서 신호 를 걸러 내 는 이른바 ' 여과 학 률 ' 이 1 이 면 신호 는 100 % 노드 를 통과 하 며 0 일 때 엔 통과 하 지 못함 을 의미 한다 . 그 사이 값 에서 신호 가 각 노드 를 지나 전달 되 느냐 아니 냐는 매개변수 의 확률 값 에 따라 확률론 적 으로 결정 된다 . ( 참조 해외 보도 [ 1 ] , [ 2 ] ) 
 이렇게 컴퓨터 로 구현 된 수학 적 신경망 모형 은 , 마취 상태 에 빠지 는 실제 환자 뇌 의 상황 을 어느 정도 모사 할 수 있 었 다고 연 구진 은 밝혔 다 . 실제 임상 환자 가 전신 마취 동안 에 의식 을 잃 으며 무 의식 의 상태 로 빠질 때 에 나타나 는 뇌 파도 의 주요 특성 을 이 컴퓨터 모형 도 재현 할 수 있 다는 것 이 다 . 
 » [ 그림 맨 위 ] 신호 전달 확률 의 일정 한 값 부근 에서 신호 전달 은 급격히 의식 과 무 의식 의 ' 상태 전이 ' 를 일으킨다 . [ 그림 맨 아래 ] 신호 전달 확률 0 . 32 과 0 . 34 사이 에서 의식 과 무 의식 상태 전이 가 일어남 을 보여준다 . 출처 / PRL , Zhou et al . ( 2015 ) 
 - “ 임상 적 죽음 직후 30 초간 뇌 는 폭발 적 의식 활동 ” ( 2013 , 사이언스 온 ) http : / / scienceon . hani . co . kr / 118066 
 - ‘ 의식 - 무 의식 경계 ’ 뇌파 로 분석 ( 2008 , 한겨레 ) http : / / www . hani . co . kr / arti / science / science _ general / 326814 . html 
 의식 과 무 의식 상태 를 연구 하 는 물리학자 인 이운철 미시 건 대학 의대 연구 조교수 는 의식 과 무 의식 의 상태 변이 가 복잡 한 과정 이 아니 라 매개변수 하나 의 변화 에 의해 이뤄질 수 있 음 을 보여 주 었 다는 점 에서 이번 연구 가 흥미 롭 게 받아들여 진다고 말 했 다 . 
 “ 피츠버그 의대 연구 진 은 아주 간단 한 수학 적 모델 ( percolation model ) , 즉 , 뇌 전체 를 동일 한 네트워크 의 노드 와 그것 들 을 연결 하 는 독특 한 뇌 의 연결 구조 , 그리고 그 연결 을 결정 하 는 확률 만 으로 , 실제 의식 이 있 을 때 혹은 마취 를 통해 의식 을 잃 었 을 때 에 나타나 는 특징 적 뇌 활동 ( 뇌파 ) 을 모사 했 습니다 . 의식 상태 부터 의식 을 잃 기 까지 과정 에서 보이 는 특징 적 뇌 활동 변화 를 여러 뇌 영역 들 의 연결 확률 을 결정 하 는 패러 미터 ( 매개변수 ) 하나 만 으로 잘 보여 주 었 습니다 . 물론 이 연구 로 ‘ 의식 이 무엇 이 냐 ’ 는 질문 에 답 을 할 수 는 없 겠 지만 , 적어도 의식 에서 무 의식 으로 가 는 상태 전이 에 나타나 는 다양 한 뇌 활동 을 만들 어 내 는 원리 가 기존 의 뇌 활동 모델 에서 보여 주 는 것 처럼 수십 개 의 복잡 한 신경 화학 적 작용 을 고려 할 필요 없이 도 , 단지 뇌 구조 와 그 위 에서 의 정보 흐름 을 결정 하 는 연결 확률 만 을 조절 함 으로써 설명 할 수 있 다는 점 을 , 의식 / 무 의식 을 일으키 는 뇌 의 작용 이 생각 과 는 달리 아주 단순 할 수 있 다는 점 을 보여 줍니다 . ” ◑ 
 뉴런 들 은 서로 역동 적 인 커뮤니케이션 을 한다 . 그런 커뮤니케이션 으로 어떻게 의식 이 일어나 는지 는 불명확 한 채 로 남 아 있 다 . 이번 에 우리 는 위계 적 연결망 에서 일어나 는 감각 활동 과 정보 통합 의 역동 적 성격 을 이해 하 고자 이론 모형 을 제시 한다 . 거기 에서 연결선 ( edge ) 은 정보 전달 의 여과 확률 ( percolation probability ) 을 나타내 는 단일 매개변수 ( parameter ) p 에 의해 확률론 적 으로 ( stochastically ) 규정 된다 . 우리 는 전달 된 신호 분포 와 본래 의 신호 분포 를 서로 비교 함 으로써 모형 의 타당 성 을 검증 한다 . 또한 전신 마취 ( general anesthesia ) 동안 에 뇌 활동 이 의식 에서 무 의식 으로 전이 함 을 보여 주 는 뇌 파도 ( EEG ) 기록 에 나타나 는 임상 적 인 주요 스펙트럼 특성 을 현재 기초 수준 의 이 모형 이 재현 할 수 있 음 을 보여준다 . p 가 줄어들 면서 , 전달 된 신호 와 본래 신호 사이 에서 는 가파른 분기 가 관찰 됐으며 , 이때 에 신호 동기 성 ( signal synchrony ) 의 소실 과 정보 엔트로피 의 급격 한 증가 가 임계 적 인 수준 으로 나타났 다 . 이 는 마취 동안 의 급격 한 의식 상식 과 유사 한 것 이 다 . 이 모형 은 확률론 적 과정 을 통한 정보 통합 의 창발 ( emergence of information integration from a stochastic process ) 에 대한 기계 론 적 인 통찰 을 제공 하 며 인지 의 기원 을 이해 하 는 데 기초 를 제시 한다 . 
 ■ 전문가 도움 말 / 이운철 미국 미시 건 대학 연구 조교수 
 컴퓨터 모델링 을 이용 해 의식 / 무 의식 의 상전이 를 연구 하 는 게 어떤 의미 를 지니 는지요 ? 왜 물리학자 들 이 이런 연구 를 하 는지요 ? 
 “ 뇌 를 구성 하 는 수많 은 스케일 의 복잡 한 구조 와 기능 , 그리고 그 상호 작용 까지 고려 하 면 , 모든 뇌 구조 와 기능 을 밝히 고 이해 한다는 것 은 사실 불 가능 할지 도 모릅니다 . 그렇 다면 이런 질문 을 할 수 있 겠 죠 . 정말 뇌 는 우리 가 이해 하 기 불 가능 한 복잡 난해 한 생화학 적 혹은 수학 적 구조 로 작동 하 는 것 일까 , 아니면 아주 단순 한 어떤 수학 적 원리 로 작용 하 는 것 일까 ? 물리학자 가 후자 와 같 은 질문 을 할 수 있 는 것 은 볼 쯔 만 에 의한 통계 물리학 의 눈부신 성공 이 있 기 때문 입니다 . 이젠 히터 의 온도 가 왜 오르 고 내리 는지 를 설명 하 기 위해서 히터 안 에 가열 된 공기 원자 / 분자 의 운동 을 하나하나 알 필요 는 없 습니다 . 볼 쯔 만 의 열역학 공식 으로 통계 적 처리 를 통해서 거시 적 스케일 에서 히터 의 열 을 잘 설명 할 수 있 습니다 . 
 같 은 관점 으로 뇌 의 의식 이 깨 어 있 고 없 는 상태 를 이해 하 기 위해서 100 억 개 이상 의 뉴런 들 과 100 조 개 이상 의 뉴런 연결 을 통한 상호 작용 을 다 이해 할 필요 는 없 다는 겁니다 . 이번 피츠버그 의대 에서 발표 된 논문 에서 연구 진 은 아주 간단 한 수학 적 모델 ( percolation model ) , 즉 , 뇌 전체 를 동일 한 네트워크 의 노드 와 그것 들 을 연결 하 는 독특 한 뇌 의 연결 구조 , 그리고 그 연결 을 결정 하 는 확률 만 으로 , 실제 의식 이 있 을 때 혹은 마취 를 통해 의식 을 잃 었 을 때 에 나타나 는 특징 적 뇌 활동 ( 뇌파 ) 을 모사 했 습니다 . 예 를 들 어 의식 을 잃 었 을 때 전형 적 으로 나타나 는 알파파 ( 8 - 13 Hz ) 라는 뇌파 의 특정 주파수 성분 이 전두엽 ( 머리 앞쪽 ) 으로 쏠리 는 현상 을 잘 설명 하 고 , 또 의식 상태 부터 의식 을 잃 기 까지 과정 에서 보이 는 특징 적 뇌 활동 변화 를 이 논문 저자 들 이 사용 한 간단 한 모델 에서 여러 뇌 영역 들 의 연결 확률 을 결정 하 는 패러 미터 ( 매개변수 ) 하나 만 으로 잘 보여 주 었 다는 점 입니다 . 물론 이 연구 로 ‘ 의식 이 무엇 이 냐 ’ 는 질문 에 답 을 할 수 는 없 겠 지만 , 적어도 의식 에서 무 의식 으로 가 는 상태 전이 에서 나타나 는 다양 한 뇌 활동 을 만들 어 내 는 원리 가 기존 의 뇌 활동 모델 에서 보여 주 는 것 처럼 수십 개 의 복잡 한 신경 화학 적 작용 을 고려 할 필요 없이 , 단지 뇌 구조 와 그 위 에서 의 정보 흐름 을 결정 하 는 연결 확률 만 을 조절 함 으로써 설명 할 수 있 다는 점 을 , 의식 / 무 의식 을 일으키 는 뇌 의 작용 이 생각 과 는 달리 아주 단순 할 수 있 다는 점 을 보여 줍니다 . 
 그렇 다면 좀 더 나가 서 의식 이 라는 것 이 뇌 의 특정 한 연결 구조 와 그 연결 구조 위 의 정보 흐름 의 상호 작용 을 통해서 창발 적 으로 나타나 는 어떤 것 이 아닌가 하 는 생각 을 할 수 있 겠 지요 . 물론 이 논문 에서 깊이 다루 진 않 았 지만 , 뇌 에서 그런 창발 적 발현 ( 창발 , emergence ) 이 일어나 는 조건 들 을 통계 물리학 의 임계 조건 ( criticality ) 으로 설명 하 려는 연구 들 이 진행 되 고 있 습니다 . ” 
 이번 연구 의 의미 를 간결 하 게 정리 하 면 어떤 의미 를 지니 는 걸까요 ? 
 “ 의식 상태 , 그리고 마취 에 의해 유도 되 는 무의식 상태 에서 나타나 는 다양 하 고 특징 적 인 뇌 현상 을 아주 단순 한 통계 적 모델 로 설명 하 였 다는 점 이 이 논문 이 주 는 가장 큰 의미 인 것 같 습니다 . 의식 연구 와 관련 해서 는 의식 이 라는 것 이 우리 가 생각 하 는 그런 복잡다단 한 신경 생리학 적 , 수학 적 원리 들 에 의해 나타나 는 어떤 현상 이 아니 라 , 단순히 뇌 의 연결 구조 와 그 구조 위 에서 의 통계 적 상호 작용 이 만들 어 내 는 어떤 것 일 수 있 다는 점 이 이번 연구 가 의식 연구 에 주 는 중요 한 의미 라고 할 수 있 겠 습니다 . ” 
 그리고 혹시 이 와 관련 한 이운철 박사 의 연구 활동 이 있 다면 잠시 소개 해 주 셔도 좋 겠 고요 . ^^ 
 “ 올해 저희 가 PLOS Computational Biology 에 발표 한 논문 에서 는 전체 뇌 의 연결 구조 가 어떻게 로컬 한 뇌 의 활동 ( 뇌 의 영역 에 따라 다른 주파수 분포 ) 과 뇌 영역 들 사이 의 정보 흐름 방향 을 결정 하 는지 에 대한 수학 적 관계 를 발표 하 였 습니다 . 의식 상태 / 무 의식 상태 의 뇌 연결 구조 변화 에 따라서 자연 스럽 게 뇌파 와 뇌파 들 사이 의 정보 흐름 방향 성 이 변화 하 는 것 을 저희 가 발견 한 수학 적 관계 를 통해서 예측 할 수 있 었 습니다 . 간단히 말 하 면 , 뇌 에서 관찰 되 는 다양 한 뇌파 의 주파수 분포 와 변화 그리고 각 부위 들 사이 의 정보 흐름 이 사실 은 뇌 전체 네트워크 의 연결 구조 에서 자연 스럽 게 결정 되 고 만들 어 진다는 것 을 보인 연구 입니다 . 의식 / 무 의식 상태 의 정보 흐름 을 저희 가 발견 한 수학 적 관계 를 통해서 예측 하 고 , 컴퓨터 시뮬레이션 과 실제 사람 에 대한 실험 을 통해서 확인 한 연구 입니다 . 그리고 최근 엔 위 에서 말씀 드린 인간 의 뇌 에서 의식 상태 가 나타나 는 그 임계점 에 관한 연구 를 하 고 있 고 , 곧 저널 에 투고 할 예정 입니다 . 또 다른 진행 중 인 연구 로 는 원숭이 뇌 의 특정 연결 구조 에 전기 자극 을 줘서 , 무 의식 상태 에서 의식 상태 로 의 상태 전이 를 일으키 고 그 속도 를 컨트롤 하 는 연구 를 진행 중 에 있 습니다 . ” 
 “ 의식 은 신경 세포 연결 의 최적 균형 상태 ” - 관찰 과 해석 
 뇌 읽 는 컴퓨터 와 인간 의 ‘ 자유의지 ’ 대결 ? 
 태그 : 마취 , 의식 , 무 의식 , 매개변수 , 확률 , 신호 , 뇌파