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유전자는, 우리 몸의 기본 구조와 대체적인 기능을 지정한다는 점에서, 건축 설계 도면에 비유할 수 있다. 뇌의 구조와 기능도 이에 해당된다. 이러한 기본 설계 위에 환경이 작용하면서 다양성이 생긴다. 태어날 때에 겨우 ~400g정도이던 신생아의 뇌가 성장하면서 ~1400g의 성인의 뇌로 자라난다. 그 동안에 일어나는 많은 변화에 환경이 영향을 미치게 된다. 이러한 변화는 엄마의 뱃속에서부터 시작된 작업이며, 전 생애 동안 계속되는 변화이다. 따라서, 현재 작동하고 있는 뇌는 유전과 환경의 합작품이다. 이렇게 하여 만들어진 다양한 뇌가 다양한 방법으로 환경에 대응한다. 여기에서 말하는 환경이란, 기후나 음식처럼 물리화학적인 것뿐 아니라, 경험, 학습, 등, 유전자 이외의 모든 것을 포함하는 개념이다.
뇌를 컴퓨터에 비유하기도 한다. 외부에서 입력된 정보를 분석/처리하여 적절한 결론을 내리고 이를 출력한다는 점에서 비슷한 면이 있다. 그러나 비슷함은 여기에서 끝난다. 둘 간에 근본적인 차이가 존재한다. 컴퓨터에는 Software와 Hardware가 구분되어 있어서, 필요에 따라서는 사용하던 Software를 몽땅 바꾸어 버릴 수 도 있다. 또는 한 컴퓨터에 있던 Software와 Contents를 뽑아서 다른 컴퓨터에 옮길 수도 있다. 반면에, 뇌에는 이 둘이 통합되어 있다. 학습의 결과로 뇌의 특정 회로에 구조적인 변화가 생기게 되며, 그로 인하여 이 회로의 작동 양식에 변화가 생기게 된다. 그리고 이 변화가 계속 유지되면 기억이 된다. 즉, Software가 Hardware의 일부가 됨으로써, 둘이 통합(Integration)되어 있다. 학습에 의하여 변화된 Hardware는 그 후에 똑 같은 정보가 들어왔을 때에 처리방식이 바뀌게 된다. 즉, ‘뇌가 겪어온 과거의 경험이 현재의 뇌의 작동 방법을 변화시킨다.’ 컴퓨터와 매우 다른 점이다.
동물의 뇌를 연구함으로써, 우리의 뇌를 공부할 수 있다. 왜냐 하면, 인간 유전자의 대부분이 생쥐 같은 다른 동물에도 있고, 또 한, 비슷한 작용을 하기 때문이다.
생쥐가 실험 동물로 많이 쓰인다. 유전자 돌연변이 생쥐를 만드는 기술이 생쥐에서 발달되어있기 때문이다. 희미하게 보이는 것을 분명하게 관찰하는 것이 과학의 시작이다. 훌륭한 과학은 좋은 실험에서 비롯된다. 일반적으로, 실험을 할 때에는 한가지 조건만 다르게 바꿔 놓고서, 그 때문에 무슨 일이 일어나는지를 관찰한다. 그래서, 그 한가지가 바로 그 무슨 일의 원인인 것을 알게 된다. 돌연변이 생쥐도 마찬가지이다. 생쥐의 유전자 하나를 바꿔 놓고 나서, 그 때문에 생쥐에 무슨 증상이 생기는지를 관찰한다. 유전자 바꾼 것이 그 증상의 원인이므로, 이 유전자가 생쥐의 몸 속에서 무슨 역할을 하는지를 유추할 수 있게 된다.
예를 들면, NCX2 유전자 변이 생쥐는 정상 보다 뛰어난 학습/기억 능력을 보인다. 이 생쥐의 뇌의 해마 시냅스 기능이 강화되어 있다. 시냅스의 구조가 학습에 의하여 변화된 것이다. 수지상 돌기(dendritic spine)도 변화되어 있다. 보통 생쥐에서 보다 더 활발하게 발달되어 있다. 즉, 학습에 의하여 뇌/신경의 구조가 바뀌고, 이는 회로 기능의 강화로 연결된다. 즉, 뇌가 겪어온 과거의 경험이 특정 회로를 강화시키는 형태로 보관되고, 이는 현재의 뇌의 작동(정보 처리 방식)을 변화시킨다.
이상의 내용이 의미하는 바는 무엇인가?
전통적인 견해로 마음과 마음의 작용은 눈으로 볼 수 없다. 단지, 그 작용의 결과로 나타나는 행동을 보고서, 마음의 작용을 해석할 수 있을 뿐이다. 즉, 행동을 관찰함으로써 마음 작용을 연구할 수 있었다. 그러나, 현대의 뇌 과학의 발전에 힘입어 뇌 기능의 변화를 여러 가지 기법으로 관찰할 수 있게 되면서, 모든 행동에는 그에 해당하는 뇌 기능의 변화가 있음을 알게 되었다. 즉, 뇌 기능이 마음의 작용을, 그리고 그에 의하여 나타나는 행동을 설명할 수 있게 되었다.
사람의 뇌에는 약 천 억 (100x109) 개의 신경세포가 있고, 이들이 서로 연결되어 다양하고 복잡한 회로를 이루고 있다. 신경과 신경의 연결점은 시냅스 라고 부르는 특수한 구조를 이루는데, 사람의 뇌에는 약, 백 조 (100x1012) 개의 시냅스가 있다고 추정한다. 즉, 뇌는 거대한 신경 네트워크이라고 볼 수 있다. 복잡성에서 우주에 비견하는 이유이다.
뇌 기능은 신경세포의 전기적인 활동에 의한 신경회로의 작동을 기본 바탕으로 한다. 따라서, 신경세포 내지 신경회로의 정상적인 작동을 저해하는 모든 조치는 뇌 기능에 영향을 주게 된다. “전기적 신경 회로 ? 뇌 기능” 의 예를 들어보자면:
먼저, 뇌는 외부 자극을 어떻게 인식하나?
오감(色, 聲, 香, 味, 觸)의 자극은 해당 감각기관에 존재하는 수용체 세포를 흥분시킨다. 각각의 수용체는 해당 자극에 전문적으로 민감하게 반응한다. 수용체의 흥분은, 신경세포의 전기적 신호로 바뀌고, 이 전기신호는 신경 회로를 따라서 뇌의 상응하는 부위에 있는 신경세포로 전달되어 이 세포를 흥분시킨다. 즉, 외부의 신호는 뇌의 특정한 부위에 있는 신경세포의 전기적인 흥분으로 통역이 되어서 인식된다. 각종 감각에 상응하는 감각 피질의 지도가 밝혀져 있다. 감각뿐 아니라, 기억, 언어, 정서, 동작, 판단, 상상, 계획, 등, 등의 작용에 필수적인 역할을 하는 뇌의 부위가 밝혀져 있고 이를 뇌 지도라고 부른다.
둘째, 통증을 느끼는 것과 통증으로 고통 받는 것은 뇌에서 구별할 수 있을까?
직접 당하는 통증으로 괴로워할 때에, 뇌에는 어떠한 변화가 일어 날까? 한편, 사랑하는 이가 당하는 통증을 옆에서 보면서 고통을 함께 하는 경우에, 뇌에는 어떠한 변화가 일어 날까? 통증의 고통 과 공감 고통 (共感, Empathy), 두 경우에 뇌기능에는 어떠한 차이가 있을까?
뇌에서 어느 순간에 활동 중인 부분을 fMRI (자기공명영상기술)로 사진찍을 수 있다. 따라서, 특정 마음 작용이나 그에 따른 행동을 하는 개체에서 (사람, 동물) fMRI 를 이용하여 뇌의 상태를 분석하면, 그 마음 작용이나 행동을 일으키는 뇌의 작용 부위를 알아낼 수 있다. 이 실험을 통증고통/공감고통에 적용한 결과에서 보면: 공감 고통 시에는 통증을 겪을 때 활성화 되는 뇌의 부분들이 역시 활성화되고 있으나, 단, 체 감각 피질은 활성화 되지 않았다. 즉, 실제의 통증 감각에 상응하는 부분인 체 감각 피질은 활성화 됨이 없이, 그 이후 단계의 (괴로워하는 데에 관여하는) 뇌 부분 들이 활성화 됨으로써 공감 고통을 겪게 된다. 통증을 느끼기 (前五識) 와 통증으로 고통 받기 (第六意識)의 두 단계가 구분되어 있음을 알게 된다.
타인의 고통, 감정, 의도, 등을 이해하는 공감능력은 사회 생활에서 필수적인 요소이다. 흔히 정신분열증, 자폐증, 싸이코패스, 등의 정신질환자에서 공감능력이 현저히 저하되었다는 보고가 있다. 이와 같은 공감능력의 뇌 회로를 생쥐에서 연구할 수가 있다.
세 번째로, 사물을 본다고 할 때에, 그 본다는 것이 무엇인가? 본다고 할 때에, 관찰의 주체와 객체는 구분되는 것일까? 이 둘은 둘이 아니라고 일찍이 불교에서 말해 왔는데, 과연 그런가? 이러한 질문들은 실제로 뇌 과학의 궁극적인 질문이 되고 있으며, 이는 곧 철학, 종교의 오래된 주제이기도 하다. (상세한 것은 심포지엄에서)
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2010년 10월 2일 10:40~11:40
뇌 과학과 마음
