뇌 연구 어디 까지 왔 나 … 1000 억 개 신경 세포 연결 지도 커 넥 톰 ( Connectome ) 이 뇌 의 비밀 쥐 고 있 다 신희섭 한국 과학 기술 연구원 신경 과학 센터 장 입력 : 2009 . 08 . 04 15 : 21 / 수정 : 2009 . 08 . 09 15 : 38 < 이 기사 는 주간조선 2067 호 에 게재 되 었 습니다 > 정보 입력 → 출력 과정 의 핵심 은 신경 세포 연결 고리 인 시냅스 의 변화 뇌 영상 기술 발전 으로 뇌 의 각 부분 이 담당 하 는 기능 · 행동 속속 밝혀 내우 리 몸 에서 삶 을 가능 하 게 하 는 가장 기본 적 인 부위 를 들 자면 역시 뇌 이 다 . 뇌 의 중요 성 은 뇌 가 기능 을 잃 게 되 었 을 때 개체 가 어떠 한 상황 에 처하 는지 를 보 면 확실히 알 수 있 다 . 훌륭 한 피아니스트 의 뛰어난 연주 나 운동 선수 의 멋진 동작 뿐이 아니 라 , 우리 가 일상 에서 겪 는 감정 과 사고 , 학습 과 기억 , 의사 결정 , 깨 어 있 음 과 잠자 는 것 이 모두 뇌 에서 비롯 된다 . 즉 모든 생존 행위 에 뇌 의 기능 이 필요 한 것 이 다 . 뇌 가 기능 을 잃 으면 이 모든 것 이 끝난다 . 개인 의 모든 생존 행위 만 이 아니 라 사회 적 인 행동 , 창작 , 문화 등 도 뇌 의 작동 으로부터 비롯 되 기 때문 에 인간 과 인간 사회 의 복잡 성 만큼 이나 뇌 의 구조 와 기능 도 복잡 할 수 밖에 없 다 . 뇌 는 신경 세포 들 이 연결 된 전기 적 회로 의 작동 을 통해 기능 한다 . 신경 세포 가 이 회로 의 기본 구성 요소 이 다 . 한 개 의 신경 세포 의 전기 적 정보 는 신경 시냅스 라는 구조 를 통해 다른 신경 세포 에 전달 된다 . 시냅스 는 신경 계 의 단위 인 뉴런 의 축색 돌기 말단 과 다음 뉴런 의 수상돌기 사이 의 연접 부위 를 말 한다 . 이러 한 연결 을 통해 다양 한 신경 회로 가 형성 되 고 , 이 들 회로 의 작동 에 의하 여 다양 한 뇌 기능 이 나타난다 . 즉 단일 신경 세포 는 회로 의 한 부분 으로서 뇌 기능 에 참여 하 게 되 는 것 이 다 . 시냅스 는 생 성 · 약화 · 소멸 과정 거쳐 신경 세포 활동 따라 끊임없이 변화 뇌 는 대표 적 인 복잡 계 ( Complex system ) 이 다 . 뇌 가 복잡 하 게 기능 하 려면 뇌 의 회로 와 신경 세포 들 의 복잡 성 · 다양 성 이 필요 하 다 . 우선 신경 세포 의 수 가 많 다 . 사람 의 뇌 에 는 약 1000 억 ( 1011 ) 개 의 신경 세포 가 있 다고 한다 . 이 에 더 하 여 신경 세포 보다 10 배 정도 많 은 신경 아교 세포 들 도 있 다 . 이 들 은 다양 한 유전자 를 발현 하 고 있 기 때문 에 종류 도 그만큼 다양 하 다 . 뇌 의 복잡 · 다양 성 의 문제 를 생각 할 때 에 신경 시냅스 의 다양 성 을 빠뜨릴 수 없 다 . 신경 세포 하나 가 평균 1000 개 의 시냅스 를 형성 한다고 보 면 , 모두 100 조 ( 1014 ) 개 의 시냅스 가 있 는 셈 이 다 . 더구나 이 들 시냅스 는 고정 적 인 구조물 이 아니 고 신경 세포 의 활동 에 따라서 생 성 , 강화 , 약화 , 소멸 등 역동 적 으로 변화 하 는 존재 이 다 . 뇌 의 기능 을 가장 단순 하 게 보 면 정보 가 들어오 고 나가 는 것 , 이 두 가지 다 . 그러나 실제로 정보 가 들어와서 나가 기 까지 뇌 에서 는 엄청난 일 이 일어난다 . 뇌 가 하 는 기본 적 인 일 은 환경 에서 오 는 정보 를 알아차리 고 분석 하 여 환경 의 상황 에 따른 적절 한 반응 을 취하 도록 하 는 것 이 다 . 적절 한 반응 이 생존 에 필수 적 임 은 당연 한 일 이 다 . 그런데 여기 에서 말 하 는 환경 이 란 몸 의 외부 만 이 아니 라 내부 에서 일어나 고 있 는 수많 은 현상 들 까지 포함 한다 . 즉 복통 처럼 우리 가 인식 하 는 것 , 혈압 이나 혈당 농도 처럼 인식 하 지 못하 더라도 몸 속 에서 잘 조절 되 어야 하 는 것 등 도 뇌 의 입장 에서 보 면 환경 의 일부 이 다 . 뇌 가 겪 게 되 는 정보 처리 의 경험 은 기억 의 형태 로 뇌 에 보관 되 고 , 이렇게 축적 된 기억 은 뇌 의 작동 방식 에 변화 를 준다 . 구구단 을 외우 고 난 후 에 ‘ 9 곱 하 기 8 은 72 ’ 라는 답 이 그 이전 보다 빨리 얻 어 지 는 것 은 이 때문 이 다 . 컴퓨터 와 달리 소프트 · 하드웨어 통합 돼 학습 · 기억 거치 면 회로 구조 자체 가 변화 ▲ 파킨슨 환자 의 뇌 속 에 전극 을 삽입 하 는 수술 . / photo 조선일보 DB 근래 의 연구 결과 로 보 면 학습 과 기억 이 형성 되 고 보관 되 는 과정 의 핵심 요소 가 시냅스 의 변화 라는 가설 이 힘 을 받 고 있 다 . 특정 회로 가 학습 을 거치 게 되 면 그 회로 에 참여 하 고 있 는 신경 세포 의 유전자 발현 이 달라진다 . 그 결과 로서 시냅스 의 구조 가 달라지 고 이 에 따라서 그 시냅스 의 기능 이 강화 된다는 증거 가 많이 발견 되 고 있 다 . 즉 학습 의 결과 로서 기억 이 생성 되 면 회로 자체 의 구조 가 변화 되 어 기능 이 강화 된다는 뜻 이 다 . 이 점 이 뇌 와 컴퓨터 를 구분 짓 는 중요 한 요소 이 다 . 컴퓨터 에서 와 달리 뇌 에서 는 소프트웨어 ( Software ) 와 하드웨어 ( Hardware ) 가 분리 되 어 있 지 않 고 통합 ( Integrate ) 되 어 있 다는 뜻 이 다 . 컴퓨터 의 경우 MS 워드 를 사용 하 다가 문제 가 생기 면 새 버전 으로 업그레이드 하 거나 한글 프로그램 으로 바꿀 수 있 다 . 만들 어 보관 했 던 파일 을 지워 버리 고 새로운 파일 을 만들 수 도 있 다 . 컴퓨터 작동 에 자꾸 만 오류 가 생기 면 아예 전체 를 지워 버리 고 컴퓨터 자체 를 리 포맷 ( Re - format ) 할 수 도 있 다 . 뇌 에서 이러 한 목적 을 달성 하 기 위해서 는 회로 의 시냅스 구조 를 바꿔야 하 는데 , 이것 이 쉽 지 않 음 을 우리 는 잘 안다 . 과거 의 언짢 은 기억 을 모두 없애 려고 해도 쉽 게 안 되 는 이유 이 다 . 뇌 에 어떠 한 경험 정보 가 축적 되 어 있 는가 , 그 에 따라 새로 접하 는 정보 를 처리 하 는 방식 이 어떻게 달라지 느냐는 것 은 우리 의 성격 , 능력 , 건강 등 의 개별 적 특성 이 만들 어 지 는 데 에 지대 한 영향 을 준다 . 물 이 반 쯤 차 있 는 컵 을 보 고서 사람 마다 다른 기분 을 느끼 게 되 는 이유 도 여기 에 있 다 . 더 나아가 거울 에 비친 자신 의 상 을 보 고서 그것 이 자신 의 상임 을 알 기 위해서 는 ‘ 나 ’ 에 대한 인식 이 필요 하 기 때문 에 매우 진화 한 동물 한테서 나 볼 수 있 는 뇌 의 기능 이 다 . 더구나 ‘ 나 는 누구 인가 ? ’ 라는 질문 은 인간 만 이 던질 수 있 다고 한다 . 결국 뇌 연구 의 궁극 적 목표 는 뇌 의 이러 한 모든 기능 을 가능 하 게 하 는 뇌 의 작용 기전 이 무엇 인가 를 밝혀내 는 것 이 라고 볼 수 있 다 . ▲ 일러스트 배진 성 손금 보 듯 뇌 들여다보 는 시대 모든 비밀 밝히 기 엔 아직 갈길 멀 어 뇌 작용 기전 을 이해 한다고 할 때 에 ‘ 어느 수준 에서 이해 할 것 인가 ’ 가 중요 한 문제 이 다 . 개체 의 행동 수준 에서 이해 하 는 것 이 전통 적 인 심리학 의 영역 이 었 다면 , 현재 의 뇌 과학 은 자연 과학 의 다양 한 발전 에 힘입 어 분자 에서부터 신경 세포 , 신 경회 로 , 행동 에 이르 는 전 과정 의 연결 고리 를 밝히 고 이해 하 는 것 을 목표 로 한다 . 인간 이 이러 한 목표 를 욕심 내게 된 것 은 현대 과학 기술 의 발달 덕분 이 다 . 예전 에 는 행동 을 분석 하 는 것 으로 뇌 기능 을 유추 하 고자 했 다면 , 이제 는 작동 하 는 뇌 의 속 을 직접 들여다볼 수 있 는 기술 들 이 개발 됐 다 . 또한 분자 생물학 , 세포 생물학 , 생리학 , 약리학 등 제반 생명 과학 의 발달 에 힘입 어 뇌 기능 의 기전 을 신경 세포 및 분자 수준 에서 연구 하 는 것 이 가능 하 게 되 었 다 . 신경 세포 의 전기 활동 을 직접 기록 할 수 있 게 되 면서 신경 정보 가 어떠 한 신호 체계 로 구성 되 는지 를 유추 하 는 것 도 가능 하 게 되 었 다 . 특히 뇌 영상 기술 의 발달 은 뇌 각 부분 의 기능 과 행동 의 관계 를 점점 밝혀내 고 있 다 . 뇌 영상 기술 이 발달 하 면서 어떤 기능 을 수행 할 때 뇌 에서 일어나 고 있 는 전기 적 인 활동 이나 혈액 흐름 , 대사 의 변화 등 을 물리 적 인 신호 로 측정 할 수 있 게 됐 기 때문 이 다 . 이러 한 연구 를 ‘ 뇌 기능 지도 작성 연구 ’ 라 부를 수 있 겠 다 . 뇌 영상 기술 이 뇌 기능 연구 에 기여 하 는 바 는 엄청나 다 . 특정 행동 이나 감정 , 생각 이 진행 될 때 에 뇌 의 어느 부분 이 활동 하 는지 를 들여다볼 수 있 기 때문 이 다 . 그러나 인간 을 연구 대상 으로 삼 는 경우 아무리 뇌 영상 기술 이 발달 했 다고 하 더라도 분자 , 세포 수준 에서 의 연구 를 수행 하 기 에 는 큰 제약 이 따른다 . 인간 의 뇌 를 연구 대상 으로 삼 아 실험 을 하 기 위해서 는 유전자 를 조작 하 거나 , 뇌 의 신경 세포 를 떼 어 내 그 특성 을 관찰 하 거나 , 뇌 특정 부위 에서 일어나 는 전기 적 활동 을 측정 하 기 위하 여 전극 을 삽입 하 거나 , 특정 부위 의 신경 세포 기능 을 변화 시키 기 위하 여 약물 을 주입 하 는 등 윤리 적 으로 어려움 이 따르 는 실험 을 해야 하 기 때문 이 다 . 더 나아가 특정 신경 세포 나 회로 의 기능 을 없앤 후 그 결과 나타나 는 뇌 기능 의 변화 를 분석 함 으로써 신경 세포 및 회로 수준 에서 의 뇌 기능 을 밝혀내 는 실험 역시 인간 을 대상 으로 해서 는 안 되 는 일 이 다 . 따라서 뇌 기능 의 작용 원리 를 연구 할 때 분자 수준 에서 행동 까지 이어지 는 과정 을 대상 으로 하 기 위해서 는 모델 동물 을 사용 할 필요 가 생긴다 . 모델 동물 을 동원 할 경우 행동 분석 이나 뇌 지도 작성 의 단계 를 넘 어 분자 , 세포 , 신경 회로 에서 의 작용 원리 를 밝히 기 위한 실험 을 수행 할 수 있 기 때문 이 다 . 달팽이 처럼 단순 한 동물 에서부터 침팬지 같 은 고등 동물 에 이르 기 까지 다양 한 동물 들 이 이러 한 실험 에 이용 되 어 왔 다 . 특히 유전자 녹아웃 ( 특정 유전자 의 발현 을 막 는 것 ) 생쥐 를 제작 하 는 기술 의 발달 덕분 에 ‘ 분자 에서 행동 까지 ’ 의 고리 를 밝혀내 기 위한 연구 대상 동물 생쥐 가 많이 이용 된다 . 분자 → 신경 세포 → 신경 회로 → 행동 전 과정 연결 고리 밝히 는 것 이 궁극 목 표현 대 의 신경 과학 연구 는 매우 빨리 발전 해 가 고 있 다 . 행동 을 분석 하 여 유추 하 는 데 에 머물 던 옛날 의 심리학 적 방법 에서 훨씬 멀리 나아가 있 다 . 실제 행동 이 진행 될 때 뇌 속 을 들여다보 고 , 뇌 세포 의 전기 활동 을 측정 하 고 , 뇌 속 분자 의 기능 을 검정 할 수 있 게 되 었 다 . 그리하여 행동 , 감각 , 느낌 , 정서 , 생각 , 판단 등 모든 생존 행위 하나 하나 에 뇌 기능 이 함께 한다는 것 을 알 게 되 었 다 . 이러 한 발전 의 속도 를 보 면 머지않 아 뇌 의 모든 것 이 밝혀 지 지 않 을까 하 는 착각 도 가능 하 다 . 그러나 뇌 의 복잡 성 을 살펴보 면 , 이 는 전혀 잘못 된 인식 이 라고 생각 된다 . 미래 신경 과학 을 예측 하 는 데 중요 한 요소 인 뇌 의 복잡 성 문제 를 다시 생각 해 보 자 . 현대 신경 과학 의 큰 과제 는 복잡 계 인 뇌 의 구조 · 기능 을 어떻게 낱낱이 밝혀낼 것 인가 에 있 다 . 궁극 적 으로 각각 의 신경 세포 간 유전자 발현 의 차이 , 그 에 따른 각 신경 세포 들 의 서로 다른 특성 , 모든 시냅스 들 의 연결 상태 및 활동 에 연관 된 시냅스 전도 효율 , 각 회로 들 의 구조 및 작동 방법 을 구별 하 고 , 그 들 간 의 전기 적 활동 을 파악 하 여 이것 이 어떠 한 뇌 기능 으로 나타나 게 되 는가 를 이해 하 고자 함 이 다 . 뇌 를 구성 하 고 있 는 모든 뇌세포 와 그 들 이 형성 하 고 있 는 모든 시냅스 의 연결 상태 , 즉 커 넥 톰 ( Connectome ) 을 파악 하 고자 하 는 거대 한 목표 가 거론 되 고 있 는 이유 이 다 . 이러 한 목표 가 우주 를 이해 하 려는 것 못지않 게 광대 한 것 임 을 쉽 게 알 수 가 있 다 . 그리고 이러 한 목표 를 향하 여 가 는 길 에 현재 까지 인간 이 축적 한 모든 지혜 와 기술 을 뛰어넘 는 훨씬 더 깊 고 높 은 수준 의 개념 및 기술 이 필요 함 은 당연 한 일 이 다 . 현재 를 뛰어넘 는 인간 의 지혜 가 필요 하 다는 것 을 쉽 게 추측 할 수 있 다 . 뇌 는 결국 인류 가 풀 어야 할 미래 의 큰 숙제 이 다 .