시험관에서 만든 뇌에서 뇌파가 검출! 이 뇌는 살아있는 것일까? 죽은것일까?

시험관에서 배양한 뇌, 컴퓨터 기술로 재현된 인공지능……기술의 진보에 의해, 다양한 '뇌'가 만들어지고 있습니다.

죽어 있는 뇌의 기능을 되 살리는 방법도 연구되고 있다고 합니다.

뇌가 살아 있다는 것은 어떤 의미 일까요?

인간다움을 표현하는 뇌란 어떤 것일까요?

뇌의 큰 수수께끼에 다가온 신간 '뇌'로부터의 프롤로그를 편집해서 전달합니다.

 

죽은 후 뇌가 살아났다고?

의학기술이 발전하여 "죽음=심장의 정지"라는 상식이 변화하고 있다 photo by getty images

살아있다'는것은 어떤 의미 일까요?

이렇게 물으면 당신은 뭐라고 대답할까요?

아마도 심장이 뛰고 있으니까, 숨을 쉬고 있으니까, 뇌가 활동하고 있으니까 살아있다고 답하겠지요.

그 대답을 듣기 전에 먼저 이런 이야기를 소개해 드리죠.

미국의 연구그룹에서 사후 4시간이 경과한 돼지의 뇌를 꺼내어 특수한 장치를 연결하고 대체혈액을 보냄으로써 일부 뇌기능을 회복하는데 성공했다고 합니다.

생전에 특별한 조치가 있었던 것도 아니고, 실험에서 일반 돼지의 뇌활동이 사후에도 회복되었다고 합니다.

통상적으로 목을 떼어내면 심장이 멈추고, 그 동물은 죽습니다.

그런데 이 연구결과는 심장이 멈춘 후에도 뇌는 계속 살아 있을지도 모른다는 것을 시사하고 있는 것 입니다.

과거 생물의 '죽음'은 호흡이나 심장이 멈추어 버리는 것으로 정의되어 왔습니다.

지금 까지도 죽음을 그렇게 알고 있는 많은 분들이 있지요.

그런데 의학기술이 발전하면서 전기충격이나 약물을 사용하여 한 번 정지된 호흡이나 심장의 기능을 소생시킬 수 있게 되었습니다.

이에 따라 생물의 돌이킬 수 없는 '죽음=심장의 정지'라는 상식에서 서서히 변화하고 있습니다.

종래의 개념 대신에 인간에게 있어서 진정한 의미의 죽음은 뇌의 죽음이 아닌가 하는 논란이 일어났으며, 현재도 찬반양론이 있습니다.

바꿔 말하면 '살아있다'는 것은 '뇌가 살아있다'는 것으로도 받아들여지게 된다는 것입니다.

전기신호가 '살아있다는 증거'가 되는 것인가?

그렇다면 죽음의 의미는 '뇌가 살아있다'혹은 '뇌가 죽는다'는 그러한 상태를 말하는 것일까?

뇌가 활동하고 있을 때에는 미약한 전류가 발생 합니다.

따라서 전기적인 활동을 볼 수 있다면 '뇌가 활동하고 있다 즉, 뇌가 살아있다'라고도 볼 수 있습니다.

이처럼 뇌의 활동을 알 수 있는 것에 대하여 단순히 뇌의 전기적인 활동을 측정하면 충분한 것일까요?

뇌 신경 세포의 집합적인 전기 활동은 뇌파로서 잘 알려져 있습니다.

예를 들어 릴랙스할 때는 알파파로 불리는 느린 뇌파가 발생하고, 집중하고 있을 때는 감마파라는 빠른 뇌파가 발생합니다(아래 그림참조).

이러한 뇌파를 측정할 때 뇌와 몸이 어떠한 상태에 있는지를 어느 정도 알 수 있을 것입니다.

뇌에서 기록된 뇌파의 전기 활동을 나타내는 뇌파를 측정하여 뇌와 몸 상태를 알 수 있다

현재 뇌신경과학에서는 뇌가 살아 있는지, 죽었는지 하는 판단은 뇌파를 기준으로 생각되고 있습니다.

예를 들면 법적인 뇌사 판정의 하나로 '뇌파활동의 소실(평탄 뇌파)'이라는 것이 있습니다.

이는 뇌의 전기적 활동에서 뇌파가 관측되지 않으면 그 뇌는 죽었다고 판단하는 기준 중 하나가 된다는 것입니다.

이와 같이 현재는 뇌의 전기적인 활동이 '살아 있느냐' '죽었느냐'를 판단하는 기준이 되었습니다.

전기적인 활동이 생사의 판단 기준이 되고 있다 photo by gettyimages

앞서 소개된 돼지의 뇌에서는 일부 뇌세포의 전기적 활동은 보였으나 집합적인 전기활동인 '뇌파'는 관측되지 않았습니다.

하지만 기술이 더 진보하여 사후 뇌의 기능을 소생할 수 있게 된다면 앞으로 죽음에 대한 생각을 근본적으로 바꿀 필요가 있을 것입니다.

시험관에서 만든 뇌에서 뇌파가 기록됐다!

한편 뇌의 생사 개념을 뒤엎는 놀라운 연구가 있었 습니다.

미국의 연구그룹에서 시험관 안에서 인공적인 뇌를 만들고 그 뇌에서 발달중인 태아와 비슷한 뇌파를 기록했다는 것입니다.

2018년의 연구 결과로 당시 이 소식은 온 세상에 충격을 주었습니다.

인공적으로 만들어진 장기는 오가노이드 (organoid)라고 불리지만, 특히 뇌 오가노이드 이른바 미니브레인을 제작하려는 시도는 이전부터 있었습니다.

그러나 뇌파는 뇌기능의 고도의 작용에서 유래한 것으로 이해되어 왔기 때문에 시험관 내에서 배양된 미니브레인에서 뇌파를 기록하게 된 것은 연구자들도 놀라게 했을 것입니다.

Photo by metamorworks/ iStock

조직적인 뇌활동이 관측되었다는 것은 단순한 세포가 모여있는 것이 아니라 '작용'을 가진 뇌조직을 만들어냈다는 것을 의미합니다.

과거 사이언스 픽션의 상상속 이야기들처럼 현실이 되고 있는 것입니다.

인공지능은 뇌라고 할 수 있을까

한편, 컴퓨터의 진보도 눈부시게 발전하여 이제는 우리 인간의 상상을 초월하는 매우 정확하고 빠른 연산이 가능해 졌으며, 일반적으로 인공지능(AI) 이라고도 불리고 있습니다.

이대로 컴퓨터가 계속 진보한다면 인간 대부분의 일은 인공지능을 겸비한 로봇으로 대체될 수 있다 는 우려가 있으며,

인공지능이 인간의 능력을 훨씬 능가하는 이른바 singularity (기술적 특이점)가 다가오고 있다고도 합니다.

과연 인공지능은 뇌가 될 수 있을까요?

뇌는 자주 컴퓨터와 비교됩니다.
그 배경에는 뇌와 컴퓨터 기능에서 정보처리를 담당하는 기본적인 요소(소자)인 0 또는 1의 기본적인 신호와 동일한 처리를 할 수 있다는 점에 있습니다.

뇌의 활동을 매우 심플하게 생각하면 전기가 발생했는지, 발생되지 않았는지를 치환해서 생각할 수 있기 때문입니다.

덧붙여서 뇌와 컴퓨터가 비교되는 이유로는 이들도 소자끼리 전기적인 회로(네트워크)를 만들어 연결돼 있다는 점도 들 수 있습니다.

이 구조를 잘 이용하여 고안된 것이 뉴럴 네트워크 라고 하는 수리 모델입니다.

컴퓨터 상에서 뇌세포와 같은 동작을 하는 인공적인 소자를 서로 접속하여 네트워크를 형성하고 시뮬레이션을 실시합니다.

인공소자는 입력을 받아 이를 통합하여 그 결과가 일정 값을 넘으면 '1'을 출력하고, 넘지 않으면 '0'을 출력합니다.

이 연산을 여러 번 반복하여 네트워크의 연결방식을 '학습'하고 가장 효율이 좋거나 정답률이 높은 연산의 패턴을 찾는 것이 뉴럴 네트워크 입니다. (아래 그림).

뉴럴 네트워크(neural network)의 기본적인 생각(위)과 이것을 다층적으로 조합한 심층 학습을 행하는 다층 뉴럴 네트워크(neural network)의 모식도(아래)

예를 들어, 수기 문자를 인식하거나 화상을 판별하는 것에 대해 놀라운 속도와 정확성에서 정답을 도출할 수 있습니다.

이 연산을 다층적으로 하여 보다 복잡한 학습을 하는 방법은 심층학습이라고 불리며 이것은 인공지능을 뒤에서 서포트하고 있습니다.

컴퓨터의 성능이 향상됨에 따라 보다 복잡한 학습을 보다 고속으로 정확하게 할 수 있게 되었습니다.

이대로 가다가는 정말 인간의 뇌를 훨씬 능가하는 인공지능이 등장할지도 모릅니다.

전기적인 활동은 뇌의 작용의 일부분

지금까지 한번 죽은 후 소생된 뇌와 시험관에서 배양된 뇌, 컴퓨터상에서 구현된 뇌를 살펴보았는데요.

이들의 공통적인 점은 측정 가능한 뇌의 전기적인 활동에 초점이 맞춰진다는 점입니다.

이러한 예를 살펴보면 뇌의 전기적인 활동 자체가 뇌의 전부인것 같다는 생각이 듭니다.

그렇다면 뇌파를 일으킬 수 있는 전기적인 활동이 그것은 '뇌가 살아있다'고 할 수 있을까요?

그것이 우리가 살아있다는 증거가 될까요?

더 나아가서 뇌의 전기적인 활동을 측정하면 살아 있는 우리의 전부를 알 수 있는 걸까요?

측정 가능한 전기적 활동이 뇌 활동의 전부일까? illustration by gettyimages

물론 전기적인 활동에 의한 빠르고 정밀한 정보 전달을 위해 우리는 물건을 보거나 운동도 할 수 있습니다.

그러나 그런 가운데 뇌의 전기적 활동은 뇌 기능의 일부에 지나지 않습니다.

뉴런이외의 뇌 작용이 열쇠였다!

뇌 속에서 전기적 활동을 하고 있는 뇌 세포는 뉴런이라고 불리고 있습니다.

뉴런들은 서로 네트워크를 형성하고 있어 복잡한 연산을 하고 있습니다.

지금까지 뇌의 연구는 뉴런의 활동을 알면서 뇌의 기능을 밝혀낼 수 있다고 믿었습니다.

그런데 뇌 속을 다시 자세히 살펴보니 뉴런 외에도 다양한 요소가 있었고 각각의 작용을하고 있는것을 알 수 있었습니다.

다만 이러한 요소들은 모두 뉴런을 서포트하는 것으로서 뇌 속에서 중심적인 역할을 하는 것은 아니라고 생각되어 결코 표면화되지는 않았습니다.

여기서 소개했듯이 뇌 연구의 대부분은 신경세포 뉴런에만 초점이 맞춰졌던 것입니다.

그런데 희로애락의 '마음의 작용' 속에는 뉴런의 작용이 설명되지 않는 현상이 많이 존재합니다.

뇌의 뉴런 이외의 요소에 그 수수께끼를 푸는 열쇠가 아닐까 주목되고 있는 것입니다.

그것은 지금까지 중요시되지 않았던 '뉴런 이외의 뇌'가 뇌의 중요한 기능을 담당하고 있을 가능성이 있습니다.

뉴런 이외의 요소'가 숨겨져있을 가능성(뉴런을 서포트하는 글리어 세포의 이미지) illustration by gettyimages

 

우리가 「살아있다」라고
실감할 수 있는 이유

"살아있다"라고 하는것은 어떤것인가?
최초로 던진 이 물음을 생각할 때 우리 인간에게 있어서 빠뜨릴 수 없는 것은 바로 '마음의 작용'이 아닐까요.

심장이 움직이고 있다는 것, 숨을 쉬고 있다는 것, 뇌세포 뉴런이 전기적인 활동을 하고 있다는 것..

이러한 현상은 생물학적인 측면만을 생각하면 '살아있다'의 정의로서 사용될 수 있을지도 모르 겠습니다.

하지만 위의 조건을 만족하지 못한다면 우리 인간은 '살아있다'고 할 수 없을까요?

아름다운 경치를 보았을 때 감동하고, 사람으로부터 던져진 말에 분노를 느끼고, 가까운 사람의 죽음에 직면해 슬픔에 잠기며, 좋아하는 사람과 함께 하는 것에 행복을 느낀다......

이러한 인간의 예민한 마음의 작용이 있기 때문에 우리는 '살아있다'고 실감할 수 있습니다.

우리 인간이 '살아 있다'라는 무슨말인가.

이것은 인간다움이란 무엇인가에 대한 생각으로도 이어 질 수 있습니다.

이를 이해하기 위해서는 '뉴런 이외의 뇌'의 작용이 필수적이라고 생각하며 더 많은 연구가 진행되고 있습니다.

특히 뇌의 뉴런 이외의 다른 요소가 중요한 역할을 하는 것이 아닌가 하는 점에 주목되고 있습니다.

예를 들어 사람을 포함한 동물의 뇌 대부분은 글리어세포라고 불리는 수수께끼 같은 세포로 구성되어 있으며 이 글리어세포가 뇌의 정보처리 에도 관여함을 나타내는 증거가 있기도 합니다.

또한 두개골 아래에서는 뇌척수액이라고 불리는 액체가 뇌 안을 순환하고 있으며, 이 뇌척수액이 정상적이고 건강한 뇌의 작용을 유지할 가능성에 재주목 되고 있습니다.

앞으로 뇌과학의 이러한 점을 이해하고 납득하기 위해서는 뇌를 구성하는 요소를 하나하나 이해할 필요가 있겠네요.

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