[과학] 매혹적인 뇌연구
‘뇌’에 대한 관심은 ‘인간’에 대한 관심이기도 하다. 뇌에 관한 호기심은 오래 전부터 시작됐지만, 연구 수단이 거의 없었기에 뇌과학 연구는 최근 활발히 진행되고 있는 연구 분야 중 하나다. 전 세계 선진국들은 ‘뇌연구’에 대해 10년 이상의 장기 계획을 세우며, 미래 연구 자산으로써 국가적 역량을 투입하고 있다. 성인 남자의 두 손을 오므려 맞붙인 것과 비슷한 크기의 작은 뇌가 인간의 감정·생각을 어떻게 구현하는지, 뇌과학 연구의 역할을 다양한 시선으로 살펴보고자 한다. <편집자 주>
[글 싣는 순서]
① 뇌과학, 인간을 바라보다 ② 사회의 가치를 구현하는 뇌과학 ③ 현대 뇌과학의 동향 ④ 뇌과학, 치료·윤리를 말하다
뇌과학, 인간을 바라보다
염홍기 / 조선대 전자공학부 조교수
세계가 주목하는 뇌과학 기술
2013년 4월 미국의 오바마 대통령은 뇌과학 연구에 막대한 자금을 지원하는 브레인 이니셔티브(Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies Initiative) 계획을 발표했다. 브레인 이니셔티브는 뇌의 기능을 이해하기 위한 혁신적인 기술 개발을 목적으로 한다. 뇌를 구성하는 신경세포(Neuron)가 어떻게 동작하는지부터 이것이 뇌에서 어떤 회로를 구성하고 어떻게 동작하는지, 이러한 신경회로들이 어떻게 연결돼 있는지에 관해 뇌의 전반적인 메커니즘을 이해하기 위한 것이다. 미국 정부는 이를 위해 2014년 한 해에만 약 1천2백억 원의 예산을 편성했다. 뇌과학의 중요성을 인식하고 그에 대한 막대한 투자를 지원한 것이다.
사실 뇌과학 연구의 중요성은 오바마 정부 훨씬 이전부터 세계 여러 선진국들에 의해 주목 받아오고 있다. 미국, 유럽, 일본 등의 선진국들은 수십 년 전부터 관련법(Decade of the Brain, European Decade of Brain, Century of the Brain)을 제정해 뇌 연구에 많은 연구비를 지원해오고 있으며, 우리나라도 1998년 뇌연구촉진법을 제정해 뇌 연구를 지원해오고 있다.
왜 뇌과학에 주목하는가
사람의 신경계는 중추신경계와 말초신경계로 구성돼 있으며, 중추신경계는 뇌와 척수로 구성돼 있다. 말초신경으로 자극이 들어오면, 척수를 통해 뇌로 전달되게 되고, 자극에 대해 뇌가 어떤 결정을 하게 되면 그 명령이 다시 척수를 통해 말초신경으로 전달돼 몸을 움직이게 된다. 이때 신경을 통해 전달되는 신호나 뇌에서 발생하는 신호는 미세한 전기신호로 나타난다.
사람의 뇌는 약 1천억 개의 신경세포로 구성돼 있다. 하나의 신경세포와 다른 신경세포는 시냅스(Synapse)라는 것을 통해 연결돼 신호를 주고받는다. 뇌에서 하나의 신경세포는 평균 1천 개 이상의 다른 신경세포와 시냅스를 이루고 있다. 시냅스는 두 신경세포가 물리적으로 연결돼 있는 것이 아니라 약간의 공간을 두고 떨어져 있는데, 하나의 신경세포에서 신경전달물질(Neurotransmitter)이 분비돼 다른 신경세포의 수용체(Receptor)를 통해 전달되게 된다. 이러한 신경전달물질은 수십 종류가 있으며, 신경세포나 수용체의 종류도 다양하다.
이렇게 뇌는 굉장히 복잡한 구조를 가지고 있다. 과학기술의 급속한 발달로 베일에 싸여있던 뇌에 대해 과거에 비해 많은 것을 알게 됐지만 뇌를 이해하기 위해서는 아직도 가야 할 길이 멀다. 조금 다른 이야기지만 최첨단 기술로도 아직 빙산의 일각밖에 이해하지 못한 복잡하고 정교한 뇌가 엄청난 시간이 흐른다고 해서 우연히 혹은 자발적으로 생겨났다고 보는 것은 불합리하다.
뇌의 구조와 동작 메커니즘은 매우 복잡하다. 하지만 이것을 이해할 수 있게 되면 치매나 뇌전증, 조현병 등 다양한 뇌 질환을 효과적으로 치료할 수 있을 것이며, 우리가 세상을 보고 느끼며 상호작용하는 방식을 획기적으로 바꿀 수 있다. 예를 들어 뇌에서 신호를 전달할 때 전기신호가 발생한다고 했는데 이를 분석하면 그 사람이 무엇을 보고 있는지, 무엇을 하고자 하는지, 어떤 생각을 하고 있는지 알 수 있으며, 반대로 뇌에 적절한 전기 자극을 주면 실제로는 아무것도 없어도 무엇을 보게 하거나 느끼게 할 수도 있다.
이뿐만 아니라 뇌과학의 발전은 인공지능 분야의 급속한 발전을 가져올 것이다. 현재 인공지능에서 가장 좋은 성능을 내고 있는 딥러닝(Deep Learning) 알고리즘은 신경세포의 동작 원리를 수학적으로 모델링해 이를 여러 층으로 이어 붙인 방식이다. 이처럼 뇌과학의 발전은 우리 삶의 다양한 부분을 획기적으로 발전시킬 것이다.
뇌과학을 이용한 주요 기술, BCI
뇌과학을 이용한 주요 기술에는 뇌-컴퓨터 인터페이스(Brain-Computer Interface, BCI)가 있다. BCI란 뇌에서 발생한 전기신호를 분석해 그 사람의 의도를 파악하고 그 의도에 따라 로봇이나 컴퓨터를 제어해주는 기술을 말한다. BCI 기술은 MIT(Massachusetts Institute of Technology)에서 발행하는 <Technology Review>에서 10대 유망기술로 선정된 바 있으며, <뉴욕타임즈>에서 선정한 21세기 8대 신기술, <CNN Business 2.0>에서는 세계를 바꿀 차세대 5대 기술로 선정되는 등 BCI 기술의 중요성은 세계 여러 기관에 의해 주목 받고 있다. 이러한 기술을 이용하면 사지마비 환자들도 자신의 생각을 표현하거나 전동휠체어를 제어해 원하는 곳으로 이동할 수가 있고, 비장애인도 움직일 필요 없이 생각만으로 각종 전자제품을 원하는 대로 제어하는 것이 가능하다.
BCI를 구현하는 방법에는 Slow Cortical Potentials(SCP), Sensorimotor Rhythms(SMR), P300, Steady-State Visually Evoked Potential(SSVEP) 등 다양한 방법이 있다. SCP는 가장 고전적인 방법으로 주의·집중에 따라 뇌 신호가 증가하거나 감소하는 현상을 이용한 것으로 반응속도가 느리고, 단순한 작업만 할 수 있기 때문에 현재는 거의 사용되지 않고 있다.
SMR은 뇌의 해부학적 정보를 활용한 방법으로 왼쪽이나 오른쪽, 팔 다리를 움직이려고 할 때 해당하는 부위의 뇌 영역에서 알파파나 베타파의 파워가 감소하거나 증가하는 현상을 이용한 것이다. 이 방법은 BCI 연구 초기에 많이 사용되던 방법이지만 훈련 시간이 오래 걸리고 상대적으로 정확도가 낮아 현재는 활용 빈도가 점점 줄고 있는 추세다. P300은 시각자극 제시 후 300ms 정도 이후에 뇌파에서 나타나는 피크의 세기를 이용하는 방법으로 어떤 시각자극에서 P300이 세게 나왔는지를 분석해 사용자의 의도를 인식하는 방법이다.
시각자극을 이용하는 또 다른 방법이 SSVEP다. 이 방법은 서로 다른 주파수로 깜빡이는 시각자극을 보고 있을 때 사용자가 바라본 시각 자극과 동일한 주파수에서 뇌 신호 세기가 증가하는 현상을 이용하는 방법이다.
P300과 SSVEP의 경우 상대적으로 인식률이 높고 간편해 최근까지도 많이 사용되고 있는 방법이다. 하지만 이러한 방법은 시각자극을 필요로 하며, 이미 정해진 선택지 상에서만 선택을 할 수 있다는 단점이 있다. 가장 이상적인 방법으로는 사용자의 팔 움직임 의도에 따라 해당 뇌 영역의 뇌파 세기가 달라지는 특성을 이용해 실시간으로 로봇팔을 제어해 주는 방식이다. 이 방법으로 2008년에는 원숭이를 대상으로 실시간으로 로봇을 제어해 먹이를 먹는데 성공했으며, 2012년에는 사지마비 환자가 음료수를 마시는데 성공했다. 하지만 이 방법은 아직까지도 정확도가 매우 낮아 실생활에 사용하기에는 어렵다.
뇌과학 미래와 연구 윤리 중요성
최근에는 의지에 따라 로봇을 제어해줄 뿐만 아니라 뇌의 감각을 담당하는 영역에 전기 자극을 줘 사물을 만진 것처럼 감각을 느끼게 해주는 기술 또한 활발히 연구되고 있다. 이러한 뇌 자극기술이 더욱 발달하게 되면 먼 미래에는 우리가 굳이 장시간 비행기를 타고 해외여행을 가거나 맛집에서 몇 시간 동안 줄을 서서 기다려 음식을 먹을 필요가 없을 수도 있다. 미세전류를 흘려줘 해외여행을 하는 것과 동일한 감각을 제공하거나 0 칼로리의 맛있는 음식을 맛보게 할 수도 있기 때문이다.
이처럼 뇌과학의 발전은 우리 삶 전반을 바꿔놓을 것이고, 이에 대한 원천기술을 확보할 수 있도록 정책적인 지원이 필요하다. 하지만 어떤 기술이든지 바르게 사용하면 득이 되지만 잘못 사용하면 해가 될 것이다. 뇌과학 연구는 분야 특성상 연구에 따른 각종 부작용을 일으키거나 생명윤리 문제를 일으키기 쉽기 때문에 연구를 시작하기에 앞서 이 연구가 이로운 연구인지, 윤리적으로 문제는 없는지 진지한 고민이 필요하다.