뇌와 세계 인간 우주의 신경생물학적 기원

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뇌와 세계, 인간 우주의 신경생물학적 기원

뇌와 세계 인간 우주의 신경생물학적 기원

미겔 니코렐리스 지음 | 김성훈 옮김 | 김영사 | 2021년 09월 10일 출간


목차
1장 태초에 뇌가 있었다
2장 뇌가 진화하다
3장 정보와 논리를 갖춘 유기 컴퓨터 - 섀넌 조금, 괴델 약간
4장 뇌 연속적 실체의 동역학 - 생물학적 솔레노이드와 기능 원리생물학적 원리
5장 상대론적 뇌 이론 - 결국 모든 것은 피코테슬라의 자기력으로 귀결된다
6장 뇌는 튜링기계가 아니다
7장 브레인넷, 동기화된 뇌 - 뇌의 결합으로 사회적 행동을 만들다
8장 뇌 중심 우주론
9장 시간과 공간의 발명
10장 우주에 대한 수학적 기술의 기원
11장 정보 바이러스와 시대정신
12장 디지털 중독의 공격
13장 불멸하는, 인간의 뇌

책 속으로

내가 말하는 인간 우주란 지식, 지각, 신화, 신념, 종교적 관점, 문화, 도덕적 전통, 기술, 예술, 그리고 인간 뇌의 작업을 통해 등장한 다른 부산물을 모두 합친 거대한 집합체를 말한다. 이 책은 역사책도 아니고, 인간의 뇌가 어떻게 그런 재주를 부리는지에 관해 신경과학이 알아냈다고 생각하는 내용들을 다루는 포괄적 개요서도 아니다. 그보다는 뇌를 완전히 새로운 틀에서 바라보기 위해 쓴 과학서다. 이 책은 거대한 네트워크의 일부로 작동하는 인간의 뇌가 어떻게 그런 놀라운 업적을 이루었는지 설명하는 새로운 이론을 구체적으로 다루게 될 것이다. _21-22쪽



들소에게 별 위안이 되어주지는 못하겠지만, 방금 일어난 장면은 분명 동굴벽화로 영원히 남게 될 것이다. 그 벽화는 그 들소를 기억하고 그 희생을 기리기 위해, 혹은 다른 사냥꾼들에게 이날 아침에 어떤 전략을 사용했는지 가르치기 위해, 혹은 이제 이 들소가 사냥감으로 생을 마치고 난 후에 그 존재를 이어가게 될 신비의 왕국에 대한 믿음을 표현하기 위해 그려질 것이다. 이 들소는 자신을 죽음으로 내몬 이 기발하고도 새로운 삶의 방식을 도저히 이해할 수 없을 테지만, 이 삶의 방식은 앞으로 온 세상을 뒤흔들게 될 운명이었다. 사실 이 거대한 동물은 의식이 붙어 있는 마지막 순간까지도 자신의 죽음이 사전에 꼼꼼하게 계획된 후에 매끈하게 실행되었다는 사실을 알 길이 없었다. 이 죽음을 계획한 존재는 자연선택의 맹목적인 발걸음이 빚어낸 역사상 가장 강력하고, 가장 창조적이며, 가장 효과적이고, 경우에 따라서는 가장 치명적인 유기 컴퓨터, 바로 인간의 브레인넷brainet이다. _35-36쪽



헨리크의 관점에 따르면, 호모 사피엔스가 경험한 진화적 성공은 개개의 신경계가 갖고 있는 힘 덕분이라기보다는 우리의 집단 두뇌 활용 능력에 더 크게 신세를 진 것이다. 이런 가설은 예를 들어 인도네시아 플로레스 섬에서 화석이 발견된, 뇌가 작은 호미니드(호모 플로레시엔시스)가 오스트랄로피테쿠스와 뇌의 부피가 대등한데도 화식火食과 석기 생산이 가능했던 이유를 부분적으로나마 설명해줄 수 있다. 브레인넷에 의해 문화가 형성되고 전달될 수 있었던 것이 호모 플로레시엔시스 개개인의 작은 뇌를 보완해주었을 것이다. 이는 인간의 인지 기능 진화를 평가할 때 고려해야 할 변수가 뇌 크기만은 아님을 암시한다. _47쪽



자폐증에 관한 후자의 관점을 뒷받침하는 증거는 지난 2년 동안 내 연구실에서 한국 출신의 박사후과정 연구원 안보배의 연구를 통해 나왔다. 이 연구에서 안보배는 구애 기간의 수컷 생쥐가 명금류처럼 짝짓기를 하고 싶은 암컷에게 복잡한 초음파 멜로디를 노래하는 경향이 있다는 것을 처음으로 관찰했다. 그와 동시에 암컷과 수컷의 뇌를 기록해본 안보배는 두 동물 사이에서 복잡한 패턴의 동기화가 등장하는 것을 관찰했다. 흥미롭게도 이 뇌 사이 동기화interbrain synchronization는 생쥐의 뇌 뒤에서 앞으로 퍼져나오는 파동을 만들어낸다. 다음으로 안보배는 유전적으로 조작된 수컷 생쥐를 이용해서 이 실험을 반복해보았다. 이 수컷은 정상적인 암컷과 상호작용하는 동안 자폐증에서 보이는 것과 비슷한 사회성 결핍을 보였다. _182-183쪽



정신적 추상이 우리 종의 전체 역사에서 필수적인 역할을 했다는 이런 전제를 바탕으로 나는 인간 우주를 구축하는 데 필요했던 대략 10만 년 정도의 우주론적 기술description, 즉 호모 사피엔스가 이룩한 모든 지적·물질적 업적의 총체를 아주 다른 관점에 따라 근본적으로 새로운 틀 속에 담을 수 있다고 제안한다. 이 관점은 단독으로, 혹은 인간 브레인넷의 일부로 작동하는 인간의 뇌 속에 중심을 두는 관점이다. 이렇게 개편된 우주론에 따르면, 소위 인간 우주는 별개의 정신적 추상 그리고 그 추상에 충성을 맹세한 사회적 집단들이 인류의 집단적 정신을 지배하기 위한 거대한 투쟁에서 패권을 장악할 목적으로 자기들끼리 경쟁하는 과정에서 점진적으로 구축됐다. 인류 역사의 결정적인 갈림길마다 패권을 장악한 승자는 그 이후에 이어질 이야기를 쥐고 흔들 수 있는 권력을 잡았다. _301-302쪽



이탈리아 물리학자 카를로 로벨리Carlo Rovelli는 관계적 양자역학relational quantum mechanics이라는 새로운 이론을 소개했다. 이 이론에서 로벨리는 절대적인 물리량은 존재하지 않는다는 개념을 지지하는 주장을 펼쳤다. 대신 그는 모든 양자계의 상태는 관계적이라고 주장했다. 양자계의 상태가 계와 관찰자 사이에 확립된 상관관계나 상호작용에 전적으로 달려 있다는 의미다. 본질적으로 로벨리의 접근방식은 물리계를 정의할 때 관찰자의 준거틀을 이용할 것을 주장하고 있어서 나의 뇌 중심 우주론과 상당히 비슷하다. _428-429쪽



우리가 막연하게 우주라 부르는 것은 인간의 정신 깊숙한 곳에서 지속적으로 뇌의 자체적 관점의 산물로서 구축되고 세밀하게 조각되는 규정하기 힘든 실재의 그림자를 통해서만 경험되고 기술되고 이해될 수 있다. 그리고 철학자 루트비히 비트겐슈타인의 관점과 쿠르트 괴델의 결론이 지적한 것과 같이 실재에 대한 순수하게 수학적인 기술만으로는 인간 우주의 복잡성과 풍부함을 완전히 기술하기에 부족할지도 모른다. 일부 학계에는 충격적인 말로 들릴 수도 있겠지만, 이것이 의미하는 바는 우리가 전통적으로 과학을 해온 방식이 인간 우주 전체를 기술할 수 있을 만큼 충분히 폭넓지 못할 수 있음을 우리 과학자들이 겸손하게 인정해야 한다는 것이다. _432쪽



브레인넷을 통해 인간의 뇌는 지구상에 등장한 것 중 가장 창조적이고 회복력 있고 번창하고 위험한 사회집단을 탄생시켰다. 그 시작 이후로 인간의 브레인넷은 자기 주변의 광대한 우주에 존재하는 모든 것을 설명하는 일에 강박적으로 매달리기 시작했다. 그 일을 위해 브레인넷은 미술, 신화, 종교, 시간과 공간, 수학, 기술, 과학 등을 비롯해서 독특한 우주 만들기용 정신 도구에 의존했다. 인간의 뇌는 이런 정신적 도구의 부산물들과 1,000억 명이 넘는 인류의 개별 경험들을 모두 이어붙여 최종 걸작을 탄생시켰다. 인간 우주를 창조한 것이다. 이 인간 우주는 물질적 실재에 대해 우리가 얻을 수 있는 유일한 설명이다. _547쪽 닫기



출판사 서평



인간의 뇌는 언제 어떻게 출현해 우주에서 경쟁자 없는 유기 컴퓨터로 진화했는가? 그리고 뇌는 어떤 식으로 작동해 인간 우주를 창조했는가? 뇌를 이해하는 새로운 관점, 상대론적 뇌 이론이란 무엇인가? 인공지능은 인간의 뇌를 대체할 수 있는가?

뇌-기계 인터페이스 연구와 신경과학 분야의 권위 있는 석학이자 미국 듀크대학교 신경생물학 교수인 미겔 니코렐리스의 신작 《뇌와 세계》가 출간되었다. 날카로운 통찰과 논리로 인류의 미래를 뒤바꿀 뇌과학의 전망을 다룬 전작 《뇌의 미래》 이후 9년 만의 신작으로, 이 책에서는 30년에 걸친 니코렐리스 교수의 기초 및 임상 뇌 연구를 토대로 최신 뇌과학부터 수학, 역사, 예술, 양자역학을 넘나들며 우리를 둘러싼 거대한 세계와 뇌의 빅 히스토리를 추적한다.



미겔 니코렐리스는 ‘세계의 사상가 100인’(〈포린 폴리시〉), ‘세계를 이끌어갈 과학자 50인’(의공학부문, 〈사이언티픽 아메리칸〉)에 이름을 올리고, 탁월한 연구업적을 낸 과학 리더에게 수여하는 미국립보건원 파이어니어상을 수상한, 신경과학 분야의 세계적으로 주목받는 석학이다. 특히 그의 뇌-기계 인터페이스 연구는 MIT가 발표한 ‘세상을 바꿀 10대 신기술’에 선정되었고, 컴퓨터과학, 로봇공학 등 여러 분야 연구에 영향을 끼치고 있다. 이 책에는 네안데르탈인의 동굴벽화부터 21세기 로봇공학까지, ‘인간 우주’를 구축해온 뇌의 독특한 중심적 위치에 관한 니코렐리스 교수의 대담한 통찰이 담겨 있다. 〈뇌의 미래〉에서 잠시 다루기도 했던 상대론적 뇌 이론을 더 구체적으로 전개하면서, 인간 우주의 신경생물학적 기원을 깊이 천착한다.



이 책은 인간의 뇌를 탐구하는 경이로운 지적 모험이자 그 고유함을 기념하는 과학적 선언문이기도 하다. 뇌의 출현부터 진화 과정, 그리고 유발 하라리의 《사피엔스》를 연상시키는, 인류 문명의 근원에 관한 대서사를 뇌과학적 관점에서 밀도 있게 담아냈다. 나아가 인공지능 기술이 뇌에 가하는 위협에 대한 경고의 메시지를 전하기도 한다.



만물의 진정한 창조자,

뇌의 출현과 진화 과정



“우리의 장대하고 비극적인 역사의 작곡가이자 유일한 건축가가 등장했다. 그는 자연의 가장 심오한 미스터리를 파헤치는 통찰력 넘치는 조사자이고, 인류 기원의 잡힐 듯 잡히지 않는 진리를 쉬지 않고 찾아나서는 탐구자이며, 환상술의 대가이자, 정통에서 벗어난 신비주의자이고, 수많은 재능을 가진 예술가이다. 그리고 모든 호미니드가 머릿속에 품었던 모든 사랑의 몸짓과 꿈, 그리고 환각 속에 영락없는 신경생물학적 음운을 불어넣은 서정 시인이다.”(20-21쪽)



860억 개의 뉴런 깊숙한 곳으로부터 수백만 년에 걸쳐 여러 차례의 진화를 거듭하며 인간의 정신이 등장했다. 수백억 개의 뉴런이 전기생물학적 스파크를 전도시키면서 전자기 상호작용이 발생했고 이 전자기파는 뉴런을 하나의 뉴런 시공간 연속체로 결합해 인간의 이족보행, 도구 제작, 자기 성찰, 정교한 사회 관계 등 놀라운 성취를 이루어냈다.



그렇다면 뇌는 어떻게 진화하여 현재의 정교한 유기 컴퓨터 같은 구성을 갖추게 되었을까? 저자는 약 250만 년 전 시작된 대뇌화 과정, 즉 뇌 크기의 증가와 사회 집단 크기의 확대를 주요 요인으로 삼는다. 이를 뒷받침하는 근거로, 사회 집단이 살아남으려면 각 개체가 뇌에서 창조된 막대한 사회적 정보를 다루기 위해 뇌 크기를 발달시켜야만 했다는 ‘마키아벨리식 지능 이론’과 영장류 사회 집단을 통해 사회적 복합성을 실험한 인류학자 로빈 던바의 연구를 제시한다. 그 외에도 인간의 뇌가 진화하는 데 문화가 중추적인 역할을 했을 것이라는 진화생물학자 조지프 헨리크의 ‘문화-유전자 공진화 이론’을 비롯해 신경과학자 존 올먼의 ‘회백질-백질 관계 입증 연구’, 엔도캐스트(endocast)를 이용한 뇌 형태의 변화 추적 등 여러 분야 학자들의 방대한 연구를 소개하며 뇌의 진화 과정과 호모 사피엔스의 문명화에 대한 서사를 흡인력 있게 이끌어간다.



뇌를 이해하는 새로운 관점,

상대론적 뇌 이론과 뇌 중심 우주론



만약 우리가 영화 〈스타트렉〉의 외계인 스팍 같은 또 다른 생명체와 소통할 수 있다는 흥미로운 상상을 해본다면 어떨까? 스팍이 사용하는 언어는 물론이고, 우주를 설명하는 관점과 이론, 개념이 우리 인류와 다르리란 것을 쉽게 예측할 수 있다. 이는 미겔 니코렐리스의 대표적 개념적 모델인 ‘상대론적 뇌 이론’을 단적으로 보여주는 예다. 이 책의 배경이론이라 할 수 있는 그의 ‘상대론적 뇌 이론’을 이해하는 데 도움이 되는 핵심적 아이디어는 다음 문장에 담겨 있다. “산다는 것은 결국 에너지를 소산시켜 유기 물질에 정보를 새기는 과정이다.”(62쪽) 입력되는 정보를 우리의 뇌가 물리적으로 새기는 과정은 마치 나무에 나이테가 새겨지는 것처럼, 신경회로의 물리적 구성과 기능적 속성을 변화시킨다. 이런 과정은 ‘학습’과 지속적인 기억 저장으로 이어지고, 결국 인간의 뇌는 에너지 소산 과정을 통해 ‘지식’이라는 엄청난 산물을 얻게 된다는 것이다.



상대론적 뇌 이론이란 바로 중추신경계로 들어오는 수많은 잠재적 정보들을 새기는 과정에서, 인간의 뇌는 자체적으로 비교하고 재생산하며 ‘뇌의 자체적 관점’을 확립하게 되고 이 관점에 의지해 작동한다는 것이다. 즉, 자연현상에서 절대적인 준거틀은 존재하지 않고 우리의 뇌 안에서 상대적으로 형성된 정신적 추상이나 기억 및 학습 과정을 통해 인간의 문명을 비롯한 이 세계가 구축되었다는 것이다. 동굴 벽에 그림을 새기는 일부터 우주선을 만드는 데 필요한 매우 복잡한 인과관계의 지도를 작성하는 일에 이르기까지, 정신적 추상 형태로 인류 누군가의 머릿속에서 시작된 것들이 긴 역사와 진화를 거듭해오며 문화, 신화, 물리학, 예술, 종교 등 인류가 구축해온 것들의 총체인 ‘인간 우주’를 형성했다. 니코렐리스는 이를 기반으로 인간의 뇌를 모든 것의 창조자 위치에 둔 ‘뇌 중심 우주론’ 가설을 완성한다.



생물학적 솔레노이드와

뇌에서 전자기장의 역할



그렇다면 수많은 정보를 처리하고 상호작용하여 정교하게 동기화하는 이 놀라운 생리학적 메커니즘은 뇌 안에서 어떻게 일어나는 것일까? 니코렐리스는 뇌의 백질 루프이자 뇌의 여러 부위를 통합시키는 ‘생물학적 솔레노이드’에서 그 답을 찾는다. 솔레노이드(전류가 통과할 때 전자석으로 작동하는 루프)가 만들어내는 자기장이 뇌 전체의 작동을 동기화하는 역할을 하며, 동기화된 뇌, 즉 브레인넷Brainet을 통해 인간이라는 가장 창조적이고 번창한 사회집단을 탄생시켰다는 것이다.



이 책에는 상대론적 뇌 이론 같은 큰 아이디어 외에도 연구자로서 저자가 제안하는 독특하고 흥미로운 가설이 여럿 등장하는데, 이 솔레노이드 개념과 더불어 뇌에서 자기장이 맡는 역할에 관한 설명이 그렇다. 뇌는 뉴런에서 나오는 신경섬유다발이 이루는 회로라고 볼 수 있는데, 그는 신경섬유다발의 역할이 전류를 전달하는 데 그친다는 기존 학계의 가정에서 시야를 넓혀 신경섬유다발이 만들어내는 전자기장의 역할에 주목한다. 인간의 뇌가 고등한 인지적 능력을 발현하는 이유는 바로 모든 새겉질을 하나의 유기 컴퓨터로 통합하는 데 필요한 접착제 역할을 하는 뉴런 전자기장 때문이라는 것이다. 이로 인해 겉질이나 세포, 분자 같은 뇌 안의 서로 다른 영역들이 하나의 신경생리학적 실체로 모인 뉴런 시공간 연속체가 탄생해 정교한 생리학적 메커니즘을 형성했다는 것이 그의 가설이다.



상대론적 뇌 이론부터 여기서 비롯된 여러 가설들까지, 때로 이해하기 쉽지 않은 대목들이 있으나 도식화한 이미지와 공들인 그림들이 삽입되어 독자의 이해를 돕는다. 또한 물리학자 카를로 로벨리나 리 스몰린, 신화학자 조지프 캠벨 등 세계적 학자의 흥미로운 이론을 소개하기도 하고, 그의 연구실의 한국인 연구자들의 업적, 저자의 한국 방문 에피소드를 들려주기도 하면서 읽는 재미를 높여 준다.