우리는 각자의 세계가 된다

 

우리는 각자의 세계가 된다

이후 서술되는 내용은 필자가 데이비드 이글먼 교수님의 '우리는 각자의 세계가 된다'을 읽고 인상 깊었던 부분을 정리한 것이다.

 

뇌 가소성(Brain Plasticity)

'우리는 각자의 세계가 된다'는 뇌가소성(이 책에서는 '생후배선'이라 표현)에 관련된 내용을 다룬 책으로 위의 글을 참고하시면 좋습니다.

또한, 이 책의 저자이신 데이비드 이글먼 교수님의 뜻에 따라 이 포스팅에서는 뇌가소성 대신 생후배선(livewired)이라는 표현을 주로 사용하도록 하겠습니다.

 

1. 섬세한 분홍색 지휘자

- 우리의 뇌는 미완성 상태로 태어나서 주변 환경과 몸의 능력에 따라 항상 회로를 바꿈 (생후배선)

  - 뇌는 중요도에 따라 자원을 분배하기 때문에 뇌의 모든 부위들은 일생 동안 자기 영역 보호와 생존을 위한 경쟁을 함

- 생후배선의 이점

  - 01. 속도

    - 신경회로의 재편으로 특정 작업이 자동화(의식하지 않아도 가능)되면, 빠른 결정과 행동이 가능해짐

  - 02. 에너지 효율성

    - 외부 상황을 계속 의식하지 않아도 되기 때문에 에너지를 아낄 수 있음

 

2. 덧셈뿐인 세계

- 생후배선이 나타나는 이유

  - 인간의 뇌와 몸은 매우 복잡하기 때문에 이를 유전자에 다 각인하기에는 너무 비효율적임 (인간은 860억 개의 뉴런과 2만 개의 유전자를 가짐)

  - 따라서, 생물은 기본적인 설계도를 기반으로 하여 세상 경험으로 다듬어지게 하려는 전략을 택함

    - 다시 말해서, 뉴런 연결망의 적절한 발달에 필요한 건 세상과의 상호작용임 (환경이 어떻냐에 따라 뇌의 발달이 달라짐)

    - 만 2세에 시작되어 만 6~7세 정도에 끝나는 (감각에 따라 기간은 다름) 민감기 시절의 환경이 매우 중요

 

3. 내면은 외면의 거울

- 호문쿨루스(Homunculus, 뇌의 신체 지도)

  - 몸에서 활발하게 입력되는 자극에 따라 호문쿨루스가 유연하게 바뀜

    - 몸이 변하면 따라서 호문쿨루스도 변함 (e.g. 팔이 절단된다면 팔을 담당하던 영역이 인근 영역들에 서서히 잠식됨)

    - 나이가 들수록 시스템의 유연성이 비교적 떨어짐 (e.g. 나이가 들어 팔이 없어진다면 팔을 담당하던 영역이 제대로 사라지지 않아 환상통^[각주:1]을 느끼기도 함)

호문쿨루스(Homunculus)

 

- 헤브의 법칙(Hebb's law, 스파이크 타이밍 의존 가소성[STDP; Spike timing dependent plasticity])

  - 뉴런은 서로 소통하기 위해 스파이크(spikes)라고 하는 작은 전기 펄스를 생성함

  - 이때, 한 뉴런이 다른 뉴런들과 아주 짧은 간격을 두고 신호를 발사한다면 타이밍의 일치로 유대가 강화됨

    - 더 많은 신경전달물질(neurotransmitter; NT)을 방출하거나 더 많은 NT 수용체 만듦

  - 우리 몸의 서로 이웃한 부위들은 더 자주 함께 활성화되고, 이로 인해 호문쿨루스에서도 이웃하게 위치함

 

- 신경 재배치

  - 뇌의 영역들은 다른 임무에 할당될 수 있음 (e.g. 시각 피질에 자리한 뉴런에 특별한 특징은 없음, 시각 정보가 오니까 처리하는 뉴런인 것)

  - 뇌는 부피가 한정되어 있는 피질에 온갖 임무를 배정해야 하기 때문에 주변 환경 변화에 빠르게 대처함 (빠른 신경 재배치)

    - 실험 결과, 신경 재배치가 일어나기에는 40~60분이면 충분함

    - 이렇게 빠른 신경 재배치는 뇌가 꿈을 꾸는 이유 중 하나일 것으로 여겨짐

      - 하루에 평균 12시간은 어둠이 찾아오고, 오로지 시각 시스템만 다른 감각들에 영역이 점령당할 위험에 처함

      - 꿈이 발생하는 렘수면(REM; Rapid Eye Movement sleep)은 뇌간의 뇌교라는 곳에 있는 특정 뉴런들에 의해 촉발됨

      - 이 뉴런들의 활동 증가는 주요 근육들의 마비(실제로 움직이지 않아도 직접 세상을 경험하는 듯한 느낌)와 PGO파(Ponto-Geniculo-Occipital waves)가 뇌간에서 후두 피질까지 전달된다는 결과(시각적 자극)를 낳음

PGO파는 뇌교(pons)에서 시작되어 외측슬상핵(lateral geniculate nucleus)으로 갔다가 일차시각피질(primary visual cortex)로 이동함

      - 꿈이 빠른 신경 재배치 때문이라는 추가적인 이유

        - 01. 수면 중 첫 번째 렘수면은 겨우 5~10분만 지속되지만, 마지막 렘수면은 25분 넘게 지속될 수 있음

        - 02. 해마와 전전두엽 피질은 꿈 수면 중에 덜 활발히 활동함 (꿈의 목적과 두 영역의 목적이 다름, 굳이 기억할 필요 X)

        - 03. 미숙한 상태로 태어나는(가소성이 높은 뇌를 가진) 동물들은 렘수면을 더 많이 겪음 (최대 8배)

        - 04. 나이를 먹을수록 렘수면이 감소함 (나이를 먹을수록 가소성이 줄어들기 때문)

 

4. 입력 자료 이용하기

- 포테이토 헤드 가설

  - 뇌에게는 정보의 종류가 무엇인지 정보의 출처가 어디인지는 중요하지 않고, 오직 정보가 들어오면 뇌는 그것을 이용할 방법을 찾아낼 뿐임 (뇌에게 모든 감각기관은 Plug & Play 주변기기일 뿐임)

    - 어떤 감각기관이든지 모든 정보는 전기 신호로 변환되어 뇌에 전달되기 때문임

  - 뇌에 감각기관을 꽂아 넣으면, 뇌가 그들에게서 유용한 정보를 추출하는 법을 스스로 배움

  - 따라서, 새로운 감각 장치(e.g. 초음파, 자외선)가 발달하기만 한다면 뇌는 그 새로운 감각을 이해할 수 있음

미국의 유명한 장난감인 포테이토 헤드

 

- 감각 대체    한 기관에서 들어오는 정보를 다른 기관에서 들어온 정보처럼 사용하는 것

  - 뇌는 어떤 정보든 받아들여 똑같은 기본 알고리즘으로 정보를 처리함 (뇌는 범용 컴퓨터 장치)

  - 입력되는 데이터가 뇌의 영역을 결정함 (시각피질이 시각피질이라고 불리는 이유는 시각 데이터가 들어오는 곳이기 때문)

  - 잔상 효과

    - 위와 같은 감각 대체 기기를 오랫동안 사용하면 뇌가 유의미한 정보로 이해하고 그 정보에 대해 새롭게 전기 회로를 생성

    - 따라서, 기기를 제거한 후에도 잠시 동안 잔상 효과가 나타남 (오래 사용할수록 잔상 효과가 더 오래 남음)

  - e.g. 브레인포트(혀 전극판[통각]을 이용한 시각 대체)^[각주:2]

브레인포트의 원리

 

- 감각 확장    인간이 가지지 못한 감각(e.g. 초음파, 자외선)을 기기를 이용해 뇌가 이해할 수 있게 하는 것

  - 중요한 점은, 새로운 감각이 추가되어도 다른 피질의 기능이 잠식되거나 방해받지 않는다는 것

  - 날씨, 주식 데이터 등과 같은 정보도 기기를 이용해 전기 신호로 변환해 뇌에게 입력하면 뇌가 스스로 해석할 수 있음

  - 뇌가 새로운 데이터를 학습하는 데 필요한 2가지 조건

    - 01. 새로운 데이터가 사용자의 목표와 연결되어 있는지

    - 02. 새로운 데이터가 사용자의 행동과 결합되어 있는지

  - e.g. 360도를 볼 수 있게 해주는 헬멧 (카메라를 이용)

 

- 감각들이 서로 다르게 느껴지는 이유

  - 감각질(qualia)이 데이터의 구조에 의해 결정되기 때문

    - e.g. 시각 데이터의 경우 눈 주위의 근육에 명령을 내리면, 청각 데이터의 경우 고개의 방향을 바꾸면 변함

  - 따라서, 데이터의 구조가 명확하고 우리의 행동과 피드백 고리가 형성되어 있으면 감각질이 형성됨

  - 새로운 감각질을 생성할 때는 뇌가 대량의 데이터를 자연스럽게 요약하는 방법을 꺠우쳐야 하기 때문에 시간이 걸림

 

5. 더 좋은 몸을 갖는 법 (앞 장이 입력 측면이었다면, 이 장은 출력 측면)

- 운동 옹알이    뇌는 감각기관을 통해 들어오는 피드백과 자신의 동작이 어떻게 상응하는지 배워가며 운동기관을 익힘

- 도식(schema)

  - 뇌는 주위 환경의 행위유발성(affordance)을 평가해 그 결과에 맞게 무의식적으로 운동 기능을 조정함

  - e.g. 자전거를 탈 때는 허벅지를 둥글게 움직이고, 달리기를 할 때는 팔을 흔들면서 발을 들어올림

 

- 사회적 옹알이 (운동 옹알이와 같이 행동과 피드백의 고리를 이용해 익힘)

  - 우리는 사회적인 행동에 피드백을 평가해 행동을 조정 (어렸을 때는 다양한 페르소나를 시험하며 가능성의 폭을 조정)

  - 우리는 특정한 상황에서 특정한 페르소나에 대해 피드백이 좋으면, 그 페르소나를 고수하는 경향이 있음

 

- 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI; Brain-Computer Interface)

  - 치료 분야 활용 예

    - 척수가 손상되어 근육 수축^[각주:3]이 제대로 일어나지 않는 경우, 피드백 고리를 연결해 치료할 수 있음

    - 환자가 팔을 움직이는 생각을 하면(특정 전기신호 패턴), 신호가 손상된 부위를 위회해 근육 자극기로 넘어가 근육 자극

  - 신체 일부 추가 예

    - 팔을 움직이고 싶다는 생각(특정 전기신호 패턴)을 해석하고, 이 전기신호 패턴을 확인할 때마다 로봇 팔을 움직이게 하여 생각만으로 로봇 팔을 움직이게 할 수 있음

    - 현재는 로봇 팔만 연구가 이루어졌지만, 자신과 똑같이 생긴 로봇을 만든다면 생각만으로 로봇을 움직일 수 있을 것임

BCI 기술을 이용해 생각만으로 로봇 팔을 움직이는 모습

 

6. 중요하게 여기는 것이 왜 중요한가

- 뇌가 회로를 재편할 때 중요하게 여기는 것은 우리가 어떤 정보에 시간을 쏟는가 하는 것

- 우리가 반복하는 일은 뇌의 구조에 반영됨

  - 단기간 안에 회백질의 밀도 증가가 나타난다면 이는 시냅스나 세포체의 크기 증가에 의한 결과

  - 장기간에 걸쳐 부피가 증가한다면 이는 새로운 뉴런들이 태어난 결과 (특히 해마)

  - e.g. 음악가의 뇌에서는 운동피질 중 손의 움직임과 관련된 구역에서 오메가(Ω)와 비슷한 모양의 주름이 발견됨

- 중요한 것은, 반복하는 일이 뇌의 목표(생존, 보상 등)와 일치할 때 뇌의 재편이 궁극적으로 일어난다는 것

 

- 영역 변화 허락

  - 느린 변화 (안정적인 변화)

    - 사건들이 서로 연결되어 있을 때 가소성을 발동시키는 전략 (e.g. 소의 모습과 음매 하는 소리)

    - 떄로 사건들이 잘못 연결될 수 있기 때문에 한 번에 조금씩 느릿느릿 변하는 것이 해결책

  - 빠른 변화 (바로 각인)

    - 응급 매커니즘    생명이나 신체 일부에 위협이 되는 일 (e.g. 뜨거운 난로에 손을 대보고 학습하는 것)

    - 중요성에 따른 변화 (e.g. 새로운 단어 학습[생존에 이득, 중요])

      - 뇌는 신경조절물질(Neuromodulator)^[각주:4]을 이용해 중요성을 나타냄 (그 중 특히 중요한 것이 아세틸콜린)

 

- 아세틸콜린(Ach; Acetylcholine)

  - Ach을 방출하는 뉴런은 콜린성 뉴런이라고 하며 이 뉴런들은 거의 전적으로 기저전뇌에만 존재함

  - Ach는 뇌 전체에 널리 영향을 미쳐, 모든 종류의 관련 자극에 따른 변화를 일으킬 수 있음 (가소성을 만들어줌)

  - 콜린성 뉴런에서 방출된 Ach는 자신이 도착한 뇌 영역을 향해 변화하라고 명령함 (어떻게 변화하라고는 말해주지 않음)

  - Ach가 닿는 모든 곳에서 광범위한 변화가 일어나지 않고 겨냥한 부위에서만 변화가 일어나는 이유

    - Ach의 방출과 효과가 다른 신경조절물질의 조절을 받기 때문

기저전뇌(Basal forebrain nuclei)에서 분비되는 아세틸콜린(Acetylcholine)

 

7. 사랑은 왜 이별의 순간에야 자신의 깊이를 깨닫는가

- 뇌가 회로를 재편하는 원칙

  - 01. 에너지 절약을 위해 적극적으로 자신을 재조정함

    - 뇌는 뉴런에 스파이크를 일으키는 에너지를 최대한 아끼기 위해 주변 상황을 최대한 예측하려고 함

  - 02. 뇌는 바깥세상의 내적인 모델을 구축하려고 함 (예측과 이어지는 내용)

    - 예측을 바탕으로 회로를 재편하고 예측과 결과가 같으면 유지하고, 차이가 있다면 조정함

 

- 뇌는 정보를 최대한 받아들이는 것을 원한다

  - 뇌는 세상에서 들어오는 데이터를 최대화하기 위해 회로를 섬세하게 조정함

  - 이 조정 작업에 도움을 주는 것은 보상

 

8. 변화의 가장자리에서 균형잡기

- 뇌의 각 영역들은 서로 대결하며 완벽한 균형을 이룸

  - 각 영역들의 활동 여부가 뇌의 영역 보존을 좌우함 (또한, 많은 정보를 보내는 부위가 더 많은 영역을 차지함)

  - 신호가 감소하면, 뉴런은 활동이 있는 곳을 찾아 연결 상대를 변경함

  - 뉴로트로핀(Neurotrophin)    뉴런의 성장과 발달을 자극하는 분비 단백질로 뉴런이 경쟁을 통해 얻고자 하는 것

    - 뉴로트로핀을 안정적으로 공급받는 뉴런은 번성하고, 그렇지 못한 뉴런은 다른 곳에 가지를 뻗어 얻기 위해 노력

    - 장기적으로 뉴로트로핀이 공급되지 못하면 뉴런은 죽음

  - 시냅토톡신(Synaptotoxin)    기존의 시냅스를 없애버리는 물질

    - 뉴런의 활동성이 어느 수준 이하로 떨어지면 시냅스가 제거되기 때문에 축삭돌기는 계속 활동성을 유지하려 함

  - 이웃을 자극하는 흥분성 뉴런과 이웃의 활동을 방해하는 억제성 뉴런은 균형을 이루며 시스템의 유연성을 결정함

    - 흥분성 뉴런이 우세하다면 변화가 과하게 일어나고, 억제성 뉴런이 우세하다면 변화가 거의 일어나지 않음

 

- 뇌의 신경회로는 중복된 상태로 많이 교차 연결되어 있음 (대규모 생후배선이 빨리 일어날 수 있는 이유)

  - 측방 억제    각각의 강렬한 시냅스가 자신에게 가장 가까운 이웃들의 활동을 억누른 것

    - 많은 뉴런이 시냅스를 통해 이미 연결되어 있지만, 다른 강한 시냅스 연결에 의해서 억제되어 있음

    - 이로 인해, 강렬한 시냅스의 연결이 약해지면 다른 시냅스들의 연결이 목소리를 낼 수 있음

 

- 속도가 느린 방식 (장기적인 변화)

  - 축삭돌기가 성장하며 다른 영역으로 들어가서 많은 신경회로들을 생성하는 것

  - 새로운 시냅스의 생성

  - 세포자살(Apoptosis)

 

9. 나이 든 개에게 새로운 재주를 가르치기가 더 어려운 이유

- 아이의 뇌는 매우 유연성이 높지만, 어른이 되가며 뇌는 세상을 많이 예측할 수 있게 되고 유연성을 희생하고 전문성을 얻음

  - 경로의 선택 가능성 감소

    - 뇌는 처음에는 신경망 전체에 걸쳐 수많은 경로를 가지고 있지만, 시간이 흐르며 사용 빈도가 낮은 경로를 제거함

  - 신경조절물질 조합의 변화

    - 아이의 뇌는 콜린성 전달물질의 함량이 높아 광대한 영역 전체를 변화시키지만, 어른의 뇌는 억제성 전달물질의 함량이 높아 꼭 필요한 아주 작은 영역만 변화시킴

 

- 민감기    생애 초기 뇌가 가장 유연한 기간으로, 이 기간이 지나면 신경 지도의 변화가 어려워짐

  - 뇌가 유용한 신경회로를 만들기 위해서는 민감기에 적절한 신호가 입력되어야 함

  - 뇌의 여러 영역마다 민감기가 다른 이유

    - 계속 변하는 세세한 정보를 처리해야 하는 영역과(계속 학습) 안정적인 작업을 담당하는 영역(빨리 굳어짐)이 있기 때문

    - 입력되는 데이터가 꾸준하다면 시스템은 그 데이터를 중심으로 굳어지지만, 그렇지 않다면 유연성을 유지

학습 내용에 따라 다른 민감기

 

10. 기억하나요

- 리보의 법칙(Ribot's law)    사람의 기억력이 감퇴하면 오랜 기억보다 최근의 기억이 먼저 상실됨 (오랜 기억이 더 안정적)

  - 알츠하이머병이 일어나면 결국 어린 시절의 기억만 남게 되는 이유

- 기억은 특정 영역에 한정되어 있는 것이 아니라 피질의 여러 부분에 저장됨

 

- 장기 강화(LTP; Long term potentiation)    반복된 자극에 의해 시냅스의 크기와 활성이 지속적으로 향상되는 상태

  - 뉴런 A가 뉴런 B를 움직이는 데 일관되게 참여한다면, 둘 사이의 시냅스가 강화됨

  - 이와 반대되는 개념으로는 장기 약화(LTD; Long term depression)이 있음

  - 원리

    - 대부분의 시냅스후 막에는 NMDA 수용체(NMDA-R)^[각주:5]와 비NMDA 수용체가 존재

    - 일반적인 저빈도 시냅스전 신호에서는 Mg 이온이 NMDA-R을 억제하고 있기 때문에 비NMDA-R만 열림

    - 하지만, 고빈도 시냅스전 신호는 시냅스후 막의 탈분극을 초래해 Mg 이온을 떨어뜨리기 때문에 NMDA-R도 열림

    - 따라서, NMDA 수용체(NMDA-R)는 두 뉴런이 동시에 신호를 발사했는지 감지하는 역할을 함

    - 중요한 점은, NMDA-R은 LTP를 유도하지만, 변화를 유지하는 데에는 세포핵에서의 단백질 합성 등 다른 메커니즘이 필요하다는 것

 

- 안전성/가소성 딜레마

  - 뇌는 지속적으로 바뀌는 외부 환경에 맞춰 지속적으로 새로운 정보를 받아들여야 하고, 이 과정에서 헤브의 법칙이 계속 작동을 한다면 이전에 학습한 내용 위에 새로운 정보가 덧씌워질 수밖에 없음

  - 해결책

    - 01. 중요성을 기준으로 여기저기서 조금씩 유연성을 켰다가 끄는 방식

      - 신경조절물질을 이용한 방법

      - 적절한 때에 적절한 학습이 이루어지도록 함

    - 02. 기억을 한 곳에만 보관하지 않고, 다른 곳에 보내 더 오래 보관하는 것

      - 새로운 기억이 형성되는 데는 해마(Hippocampus)가 필수적이지만, 해마는 기억 저장 장소가 아님

      - 장기적인 기억 저장이 이루어지려면 해마가 그 행동 패턴의 흔적을 여러 번 재활성화해야 함

 

- 속도가 다른 층층 구조    모든 형태의 가소성은 상호작용을 하며, 더 빠른 가소성과 느린 가소성이 존재함

  - 느린 층은 빠른 층에 기초를 제공해줌 (과거의 경험[느린 층에 각인]이 현재 학습, 기억 등의 기초가 됨)

    - 사람이 한 과제를 이해할 때 본인의 느린 층을 기초로 이해하기 때문에 모든 사람이 한 과제를 이해하는 방식이 다름

    - 이로 인해, 모든 사람의 뇌에 업로드할 수 있는 표준 자료를 만드는 것은 불가능

  - 이전에 학습했던 정보들은 나도 모르게 뇌의 심층부에 저장되어 있음

    - 이로 인해, 이전에 학습했던 것을 시간이 지난 후 다시 학습할 때 아예 처음 시작하는 것보다 시간 단축이 일어남

  - 도식과 같이 무의식 상태에서도 실행되어야 할 정보들은 장기적인 신경회로에 각인됨

    - 데이터 중에서도 특별히 유용한 것은 DNA 단계까지 내려가 각인됨

  - e.g. 환상통 (체성감각피질[빠른 층]은 신체 변화에 변화가 일어났지만 느린 층은 변화가 일어나지 않았기 때문)

 

- 일반화(느린 학습)와 구체적 사례(빠른 학습)를 구분하는 뇌 

  - 뇌는 학습의 속도가 다른 두 개의 시스템을 가지고 있어야 함

  - 가설 1    빠른 학습에는 빨리 변화하는 해마, 느린 학습에는 피질

  - 가설 2    모두 해마에서 일어남 (CA3의 3연접 경로는 빠른 학습 속도, CA1의 단일연접 경로는 느린 학습 속도)

 

 

 

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1. 더 이상 존재하지 않는 신체부위가 여전히 있는 것처럼 통증을 느끼는 것 [본문으로]
2. 시각 장애인의 이마에 카메라를, 혀에는 작은 전극판을 부착함. 그리고, 카메라에 밝은색 화소가 나올수록 강한 자극을 줌. 그러면, 대략 0.025의 시력으로 사물을 분간할 수 있음 [본문으로]
3. 뇌가 특정 신체 부위를 움직이겠다는 결정을 내리면, 일련의 신경활동이 일어나 척수에 있는 데이터 케이블을 거쳐 말초신경으로 명령을 내려보냄. 그러면, 뇌에서 보낸 전기신호가 전환되어 신경전달물질이 풀려나고, 그 결과 근육이 수축함 [본문으로]
4. 시냅스후 뉴런의 막에서 이온 투과에 의한 전도도를 직접적으로 변화시키지 않고 신경전달물질의 작용 강약이나 지속 시간을 조절하는 물질 [본문으로]
5. 뉴런에서 발견되는 이온성 글루탐산 수용체 [본문으로]