[기획] "인간마음 밝히는 뇌연구, 인문·사회과학에도 영향"

  한겨레 사이언스온 – 한국과학창의재단 공동기획

‘미래를 여는 첨단과학’ 현장을 가다

  (7) 인지신경과학 연구하는 이대열 예일대 교수 심층인터뷰

 
최신의 첨단 과학은 각종 매체에 중요한 열쇳말로 자주 오르내리지만 정작 그 과학 지식의 알맹이는 우리에게 쉽게 다가오지 않는다. 과학의 ‘결과’는 사회와 더 가까워지지만 과학의 ‘내용’은 더 난해해져 멀어지기 때문이다. 여러 분야에서 두드러진 연구성과를 내고 있는 연구자들을 직접 찾아가 몇차례의 집중인터뷰와 함께 실험실 현장 체험도 곁들이면서 그런 난해함의 의미를 풀어본다. 후성유전학, 대사공학, 현대기하학, 식물분자유전학, 네트워크과학, 기후역학, 신경과학, 핵융합 등 8개 분야를 차례로 살펴본다.- 한겨레 사이언스온

monkey_human » 원숭이와 사람 뇌의 비교. 확산 스펙트럼 영상기법을 이용해서 재구성한 원숭이(왼쪽)와 사람(오른쪽) ‘뇌량’의 신경경로들. 뇌량은 양쪽의 대뇌반구를 연결하는 신경다발을 말한다. 출처: <대뇌피질>(Cerebral Cortex, 2008)에 실린 호퍼(Hofer) 등의 공저논문        


신경세포(뉴런)의 세세한 구조를 현미경으로 들여다보기 시작한 지 1세기 남짓. 신경과학은 급속히 발전해, 이제 정신과 마음 현상을 어떤 뇌 부위의 기능으로 얘기하는 게 과학적 설명의 방식이 됐다. 분자생물학과 생리실험, 뇌영상(fMRI), 그리고 뇌 이론모형의 연구들이 모여 신경과학은 자연과학을 넘어 ‘의사결정’이나 ‘자유의지’, ‘도덕’ 같은 문제들에서 인문학·사회과학에도 새로운 화두를 던지고 있는 중이다. 신경과학은 정신과 마음의 비밀을 풀고 뇌에 대해 전에 없던 새로운 인식을 가져다줄 것인가?   이른바 ‘신경경제학’이라는 낯선 분야를 연구하는 이대열 미국 예일대 교수(신경생물학)는 “뇌의 전모를 다 파악하기는 불가능하겠지만, 인간의 사고와 감정을 연구하는 신경과학의 발전으로 인문학과 사회과학에도 중요한 변화가 생겨날 것”이라고 내다봤다. 그가 연구하는 신경경제학은 경제학에서 얘기되는 효용과 선택의 ‘의사결정’ 이론과 모형들을 신경생리학 실험으로 연구하는 인지신경학의 한 분야이다. 예일대 연구실에서 그를 만나 인지신경과학의 관심사와 동향에 관해 들어봤다.

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신경과학 100년과 미래

뇌는 여전히 ‘최후의 개척지’다. 저 우주만큼이나 큰 신비를 품은 ‘작은 우주’이다. 연구자들이 이구동성으로 말하듯이 아직도 풀리지 않은, 또 풀기 힘든 도전과제들이 많다는 뜻이다. 지난 한 세기 동안 숨가뿌게 달려온 현대 신경과학의 성과가 뇌기능 자기공명 영상(fMRI)의 뇌영상처럼 분명하게 우리 눈앞에 펼쳐지고 있지만, 이대열 교수는 “우리의 연구실험 테크닉은 여전히 미약하고, 앞으로도 뇌는 제한적으로 이해할 수밖에 없을 것”이라고 말했다.    


현대 신경과학이 본격 시작한 건 대략 언제쯤인가요?  

“과학적 방법을 써서 체계적으로 뇌를 연구한 건 100년 정도 된 것 같아요. 현미경을 써서 뇌 세포들의 구조를 체계적으로 관찰하고, 또 신경세포들이 전기·화학 신호를 어떻게 주고받는지 이런 중요한 연구들이 시작된 게 100여년 전쯤, 19세기 말이니까요.”    


그동안 뇌에 대한 인식에서 생긴 가장 큰 변화는 뭐라고 생각하세요?  

“제 생각에 가장 큰 변화는 마음, 인지, 기억 같은 복잡한 정신 작용들이 뇌의 물리적 현상으로 연구되었고 또 확실한 증거들이 많이 쌓여왔다는 점 같아요. 100년 전에는 인간 정신이 정말 물리적인 현상인지 아닌지에 관해 의문들을 제기할 수 있었지만, 지금은 아주 자세히 알지는 못해도 그런 현상의 전체 윤곽은 확실하게 이해하고 있으니까요.”    


현대 과학에서 뇌를 연구하는 방법들, 그러니까 신경생리실험, 뇌영상 연구, 분자생물학 분석, 수학적 모형 이론 등으로 볼 때 뇌의 전모는 언젠가 파악될까요?  

“저는 그렇게 될 수 없다고 보죠. 제한된 이해만 할 텐데….”    


왜 그렇게 생각하시죠?  

“뇌의 복잡성에 비해 우리의 실험·연구 테크닉은 너무 미약하기 때문이지요. 딱 들어맞는 예는 아닌 것 같은데 물리학에도 불확정성의 원리가 있잖아요. 어떤 대상을 측정할 때에 측정하는 과정 자체가 만들어내는 왜곡이 있거든요. 뇌도 그래요. 뇌는 아주 섬세하고 정밀한 기관인데, 그걸 관찰하려면 뇌로 하여금 정상 과정에서 발생하는 신호 외에 다른 신호를 만들어내게 해야 하는데, 그 과정에서 뇌의 정상적 과정을 방해하지 않고서 측정하는 방법이 지금은 없다는 거죠. 예를 들어 신경생리 실험을 위해 뇌에 전극을 꽂아야 하고 미세하더라도 조직 손상이 일어나겠지요. 뇌영상은 비교적 자연 상태에서 뇌를 측정하지만 해상도가 떨어지는 문제가 있고요. 해상도를 높이려고 ‘이광자·다광자 현미경’ 같은 첨단 영상기술이 개발되지만 만족스런 수준은 아니에요.”  

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나의 생각, 뇌의 생각

실험 과학자로서 이 교수의 관심사는 ‘의사결정은 뇌에서 어떻게 일어나는가’로 압축된다. 사람을 대상으로 실험을 할 수 없기에, 연구팀은 사람과 가장 비슷한 뇌 구조를 지닌 영장류 원숭이를 대상으로 사회적 행동과 뇌 기능이 어떻게 연관돼 있는지 연구한다. 여기엔 컴퓨터도 등장한다. 원숭이한테 어떤 반응 행동을 이끌어내기 위해서, 컴퓨터 프로그램은 원숭이와 게임을 벌이는 맞상대로 쓰인다. 뇌 중에서도 이마 바로 뒤의 전전두피질이 이곳 연구실의 최대 관심사다.  


학계에서 주목받았던 실험들로는 어떤 게 있었나요?  

“우리 연구팀은 의사결정을 할 때 뇌에선 어떤 반응이 일어나는지 보여주는 여러 실험들을 해왔어요. 그 하나가 원숭이와 컴퓨터의 홀짝 게임이죠. 원숭이가 두 가지 중 하나를 선택할 때 컴퓨터가 그걸 예측해 맞히면 컴퓨터가 이기고 못 맞히면 원숭이가 이기는 게임이에요. 원숭이는 컴퓨터가 맞힐 수 없게 왔다갔다 하며 무작위로 결정을 내려야 유리하죠. 하지만 무작위(랜덤)란 없다는 게 확인됐어요. 사실 사람들도 완전하게 무작위의 선택을 하기는 불가능하죠. 전에 했던 자기 결정들의 결과에 영향을 받아 다음 결정을 내리게 된다는 게 생물학적으로 입증되지요.”    


뇌에선 어떤 특징이 관찰되나요?  

“홀짝 게임을 하는 동안에 원숭이 뇌의 전전두피질에 있는 뉴런들이 어떤 반응을 보이는지 전극실험으로 측정했죠. 그런데 뜻밖의 결과였어요. 흔히 전전두피질을 ‘의식의 중심’으로 생각하죠. 그래서 원숭이가 선택하기 전에 이미 전전두피질에서 결정이 내려지고 다음에 그 결정이 운동피질이나 다른 곳에 가서 표현될 거라고 생각했는데, 달랐어요. 실험에선 전전두피질이 어떤 선택을 결정한 다음에 닥치는 결과와 상황을 살피고 자기 행동을 조절하는 데 더 관련돼 있는 것으로 나타난 거죠.”    


이곳에선 전전두피질에 관한 실험들이 많군요.  

“사람 뇌에서 가장 신비한 곳이 전전두피질입니다. 시각피질이나 운동피질과 관련해서는 신경세포들이 어떻게 시각 감각을 일으키고 어떻게 피아노를 학습해 능숙하게 치게 하는지 다 알지는 못하지만 대략의 원리가 이해되고 있어요. 하지만 전전두피질은 워낙 기능 자체가 복잡해, 여기에서 정보를 어떻게 종합·처리하고 어떤 기능을 하는지 모르는 게 너무 많아요.”    


행동과 뇌에 관해, 주목받는 다른 연구들엔 어떤 게 또 있나요?  

“흥미롭게 본 연구 중의 하나가 지난해 미국립보건원(NIH) 연구팀의 연구입니다. 원숭이도 사람처럼 호기심을 갖는데, 미래에 관한 정보를 제공하는 자극을 줄 때에 지금까지 주로 보상에 대해 반응한다고 여겨졌던 도파민 신경세포가 반응을 보인다는 것이 실험에서 확인된 겁니다. 왜 사람들이 호기심을 충족하기 위해 행동하는지를 생물학적으로 이해하는 데 중요한 단서가 되는 연구라고 생각합니다. 또 다른 흥미로운 연구로는 '손실 기피'에 관해 2007년에 <사이언스>에 발표한 UCLA 연구팀의 뇌영상 연구를 꼽을 수 있습니다. 행동경제학에서 잘 알려진 결과 중의 하나는 인간이 의사결정을 할 때 이득보다는 손실에 훨씬 더 민감한게 반응한다는 것인데, 이 연구에서는 이런 손실기피에서 나타나는 개인들 간의 차이가 뇌 부위인 배쪽선조와 전전두피질의 활동과 관련 있다는 것을 보여주었습니다."

prefrontal » 쥐, 원숭이, 사람의 뇌(왼쪽부터)에 표시된 전전두피질의 크기 비교. 출처: 미국 예일대      


신경과학, 인문·사회과학을 바꿀까?

신경과학자들은 신경과학이 정신 질환 치료에 도움을 주는 의학적 가치를 지닐 뿐 아니라 ‘인간이란 무엇인가’ 같은 인문학적 물음, ’자유의지는 무엇이며 법적 책임은 무엇인가’ 같은 사회과학적 물음에도 영향을 끼칠 것이라는 전망도 내놓는다. 그래서 의사결정이나 인간의 행동과 사고 방식을 뇌 수준에서 밝히려는 연구들이 새로운 학문의 트렌드를 만들 것이냐도 신경학계 안팎의 관심사로 떠오르고 있다.    


신경과학이 인문학·사회과학에 좋은 실마리를 줄 수 있다는 말씀을 하시는데, 어떤 뜻인지요?    

“인문학·사회과학 대부분의 분야에서 논의되는 이론의 중심에는 인간에 대한 어떤 모델이 있어요. 그런 모델의 성격에 따라 그 이론의 결론도 많이 달라지게 되고요. 문제는 인간의 사고와 감정을 객관적이고 과학적으로 이해하는 것이 굉장히 어려운 일이기 때문에 많은 학자들은 직관이나 영향력 있는 기존 학설을 이용해왔다는 것이지요. 반면에 생물학적인 방법으로 인간의 사고와 감정을 이해하려는 신경과학의 발달은 이제 인간의 기본적인 의사결정이 어떻게 일어나는지 규명하고 있습니다. 이런 연구들이 언젠가 인문학과 사회과학 분야에 중요한 영향을 끼칠 거라고 보는 거죠.”      


구체적으로 어떤 분야에 영향을 끼치리라 생각하나요?    

“경제학이 그렇고, 또 그밖에 여러 인문·사회 분야들이 신경과학의 방법론을 이용한 연구에 많은 관심을 보이고 있습니다. 예를 들어 신경 윤리학뿐이 아니라, 신경 법학, 신경 정치학, 신경 미학처럼, 인간 정신·사회활동과 관련된 과정을 연구하는 분야들에서 신경과학의 결과들이 더 많이 반영될 겁니다.”    


물론 신경과학이 직접 기여하는 분야는 의학 쪽이겠지요?  

“네. 전전두피질이 잘못될 때 여러 정신 질환이나 장애가 생기는 것으로 밝혀지고 있거든요. 정신분열증이나 우울증도 그렇고, 강박장애(OCD)도 그렇고…, 전전두피질이 단순한 자극이나 운동과 관련되는 게 아니라 복잡한 정보 처리와 관련되기 때문에 복잡한 정신 장애들은 전전두피질 장애와 상당히 관련돼 있을 가능성이 크거든요. 물론 아직 밝혀진 게 많지는 않아요.”      


신경윤리, 동물권, 그리고 연구자

이제 신경과학에도 ‘윤리’라는 말이 따라다닌다. 이른바 ‘신경윤리’다. 뇌의 행동과 기억 기능을 증강하거나 바꾸는 여러 약물의 효용과 안전성은 미국에서 이미 뜨거운 논란거리라고 한다. 기억증진 약물을 먹고 좋은 성적을 올렸다면 그건 나의 성취인가, 약물의 힘인가? 시시콜콜 기억하는 게 또 다른 뇌의 ’종합 사고’ 기능을 망가뜨리진 않을까? 기억은 변경될 수 있는가? 또한 우리 내면을 들여다보는 뇌영상들이 오·남용될 때 생길 수 있는 ‘뇌 프라이버시’도 쟁점이 되고 있다.      


전전두피질 연구를 위해선 영장류 실험이 불가피하다는데, 현실에선 영장류 실험에 대한 반대 목소리도 있지요?    

“영장류 동물은 사람과 많이 비슷하다는 점 때문에 연구 가치가 있죠. 바꿔 말해 동물이 기본권을 갖고 있다고 인정하면 가장 심각하게 문제가 되는 게 영장류인 겁니다. 그래서 영장류를 연구하는 사람은 사람과 덜 닮은 동물을 연구하는 사람보다 더 큰 책임감을 갖고서, 정말 인간사회에 도움이 되는 연구인지 늘 반성해야 합니다. 중요한 실험이라 해도 필요 이상으로 동물을 괴롭히는 절차를 쓰지는 않은지 더 많이 생각해야 하고요.”      


여러 윤리적인 쟁점도 제기되지요. 개인의 뇌영상이 잘못 쓰일 때 생길 수 있는 프라이버시 문제, 또 기억이나 인지능력을 향상하는 약물들과 관련한 사회·윤리적 논란도 있고요.  

“충분히 공감합니다. 새로운 기술과 사회윤리의 문제는 연구자 개개인의 생각을 넘어서 사회구성원 전체가 토의하고 일치점을 찾아나가야 하는 그런 문제입니다. 그 과정에서 과학자들도 중요한 역할을 해야죠. 예를 들어 새로운 약물이 나오거나, 뇌 프라이버시 같은 문제가 미래에 생긴다면, 과학자들은 신기술의 장단점을 파악하고 사회와 소통하는 일에 참여해야 합니다.”    


신경경제학을 이용해 소비자 심리를 마케팅에서 활용하고 조작하는 일도 늘 것 같은데요, 이에 대한 우려는 어떻게 생각하시는지요?  

“개인의 사적 생활을 침해하지 않는 한에서 소비자의 심리를 객관적이고 정확하게 이해하는 것은 모두에게 도움이 되는 것이고 문제되지 않는다고 생각합니다. 이와 별개로 사회적으로 바람직하지 않은 수요를 만들어내고 조작하는 데 이용되는 연구라면, 이것은 그런 방법과는 상관없이 문제가 있는 것이겠죠. 다시말하면, 이런 문제는 신경경제학만의 문제는 아닌 것이지요."    


흔히 뇌는 ‘최후의 개척지’라고 말하지요?  

“과학 분야에서 그 이상으로 도전적인 연구과제는 많지 않은 것 같아요. 기후나 경제 현상, 우주기원론, 이런 것들도 다 어려운 연구 주제이죠. 하지만 다른 점이 있어요. 우주가 어떻게 생겼는지, 인류의 기원이 어떤지는 실험으로 규명할 수 없잖아요. 굉장히 복잡한 추론을 통해 이론을 검증하는데, 뇌는 제한적이지만 동물실험을 할 수 있는 주제가 되거든요. 그런 점에서 보면, 뇌 연구에서는 테크놀로지가 발전할수록 점점 더 이해할 가능성도 커질 수 있어요. 지금은 상상할 수 없는 연구나 실험을 할 수 있게 된다면….” [뉴헤이븐(미국)에서 = 사진 김외현 기자 동행취재]  

기획지원:한국과학창의재단





<이대열 교수 인터뷰와 인지신경과학 관련 글 모음>

 

[최종 인터뷰 기사]

"인간마음 밝히는 뇌과학, 인문·사회과학에도 영향"

http://scienceon.hani.co.kr/blog/archives/11828


[상자] '분위기' 파악할 줄 아는 전전두피질

http://scienceon.hani.co.kr/blog/archives/11832  


[인터뷰 메모(2)] "인간 사회행동, 문화, 문명… 전전두피질 깊은 관련"

http://scienceon.hani.co.kr/blog/archives/11624  


[인터뷰 메모(1)] “의사결정은 뇌에서 어떻게” 물음좇아 과학자로 변신

http://scienceon.hani.co.kr/blog/archives/11593  


[자료] 뇌와 전전두피질에 관해- 정민환 교수와 이메일 문답

http://scienceon.hani.co.kr/blog/archives/11795  


[자료] 뇌와 전전두피질에 관해- 이대열 교수와 이메일 문답

http://scienceon.hani.co.kr/blog/archives/11793  


[옛기사] 서평- 다윈주의자 ‘자유의지’를 품다

http://scienceon.hani.co.kr/blog/archives/1277  


[옛기사] '나'의 의지인가, '뇌'의 명령인가

http://www.hani.co.kr/arti/science/science_general/283766.html  

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오철우 한겨레신문사 과학담당 기자, 사이언스온 운영
1990년 한겨레신문사에 입사해 편집부, 사회부, 문화부, 생활과학부 등을 거쳤으며 주로 과학담당 기자로 일했다. <과학의 수사학>, <과학의 언어>, <온도계의 철학> 등을 번역했으며, <갈릴레오의 두 우주체제에 관한 대화>를 썼다.
이메일 : cheolwoo@hani.co.kr      

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