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조지 드보르스키: 오늘의 에세이-인간 뇌에 관하여 결코 이해하지 못하는 여덟 가지 문제

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2013. 9. 20.

 

인간 뇌에 관하여 결코 이해하지 못하는 여덟 가지 문제

8 Things We Simply D'ont Understand About the Human Brain

 

―― 조지 드보르스키(George Dvorsky)

 

1. 의식이란 무엇인가?

 

확실히 의식적 각성은 인간 뇌의 가장 놀라운―그리고 가장 당혹스러운―측면이다. 그것은 우리를 독특하게 만드는 것으로서 우리를 자기성찰적 생명체로 만든다. 의식 덕분에 우리는 명백히 자기정향적 방식으로 주변 환경을 경험하고 그것에 반응할 수 있게 된다. 우리는 결코 좀비가 아니다. 우리는 나름의 내밀한 사유, 느낌, 의견, 그리고 선호들이 있는데, 이런 특질들 덕분에 우리는 세계를 파악하고 세계 속에서 조작할 수 있게 된다.

 

그런데 우리는 여전히 뇌가 어떻게 현상적 경험 또는 감각질(qualia)을 만들어내는지 전혀 이해하지 못하고 있다. 신경과학자들은 들어오는 감각들이 맛, 색깔, 또는 고통 같은 주관적 인상들로 전환될 수 있도록 그것들이 어떻게 경유되는지 설명할 수 없다. 또는 우리는 필요할 때 어떻게 우리의 마음 속에 심상을 상기시킬 수 있는가?

 

과학자들은, 그것은 뇌의 감각적 부분들이 중뇌 구조들(시상 같은)에 연결되어 있는 방식과 관련이 있다고 생각한다. 또한 의식은, 대니얼 데닛(Daniel Dennett)의 말을 차용하면, "반(半)독립적인 행위주체자들의 다발"에서 비롯될지도 모른다. 또는 마빈 민스키(Marvin Minsky)가 "마음의 사회"라고 부르는 것에서 비롯될지도 모른다. 민스키가 강조하듯이, "의식은 다양한 시점에 진행되고 있는 40내지 50개의 상이한 과정들을 논의하지 않기 위해 사용하는 낱말이다..."

 

이런 이론들은, "모든 것이 모이는" 식별할 수 있는 단일한 장소가 뇌 속에 있다고 시사하는 데카르트의 극장 모형과 극명한 대조를 이룬다. 더 논란이 많게도, 심지어 양자 효과를 제안한 과학자들도 있다. 그런데 궁극적으로 우리는 결코 실마리를 찾았던 적이 없다.

 

2. 우리 개성의 얼마나 많은 부분이 우리 뇌에 의해 결정되는가?

 

이것은 오래된 본성 대 양육 논쟁이다. 그리고 그것은 수량화하기가 어려운 난제다. 스티븐 핑커(Steven Pinker) 같은 일부 과학자들은, 우리 모두는 우리 심리에 영향을 미치는 유전적 성향들을 타고난다고 주장한다. 이것은, 마음은 그 어떤 타고난 특질도 없으며, 우리의 개별적 선호들의 전부는 아니더라도 대부분은 사회적으로 구성된다고 제시하는 "빈 서판 가설"을 부정하는 것이다.

 

출생 직후에 격리된 쌍둥이들을 연구하는 것이 도움이 될 수 있지만, 얼마간 도움이 될 뿐이다. 유전자들의 효과가 어디에서 시작하여 어디에서 끝이 나는지 말하기는 어려운데, 그것이 사회적 경험에 의해 강화되거나 억압될 때 특히 그렇다. 환경에 따라 유전자적 표현이 정지되거나 활성화되는 후성유전학은 이 쟁점을 훨씬 더 복잡하게 만든다. 그런데 어떤 면에서 자연 대 양육 논쟁은 진행 중이다. 뇌는 진행 중인 끊임없는 작품이고, 환경으로부터 동력을 끊임없이 흡수하는 스폰지다.

 

3. 우리는 왜 잠을 자고 꿈을 꾸는가?

 

우리는 우리 삶의 대략 삼 분의 일을 잠자면서 보내지만, 우리가 왜 잠을 자는지 전적으로 확실히 알지는 못한다.

 

사실상 모든 동물이 잠을 자는데, 그것은 생각해보면 이상하다. 진화가 그것을 우회하는 방법을 고안해내지 못했기 때문에 잠은 틀림없이 엄청나게 중요하다. 그것은 의식적 각성이 (대체로) 차단되어서 환경을 의식하지 못한 채로 완전히 취약한 상태로 놓이는 조건이다. 충분한 잠을 박탈당할 때 우리는 결국 죽을 것이다.

 

그렇다면 잠의 배후에 있는 목적은 무엇인가? 그것은 뇌를 재충전하고 육체의 에너지 저장고를 다시 채우는 방법일 것이다. 또는, 그것은 필요 없는 신경적으로 무의미한 것을 버리는 한편, 중요한 기억들을 강화하고 저장하는 데 도움을 줄 수 있을 것이다. 그리고 사실상, 잠이 우리의 장기 기억을 코드화하는 데 도움을 준다는 생각은 얼마간 신빙싱이 있는 듯 보인다.

 

또는, 줄리오 토노니가 주장했듯이, 잠은 우리의 뇌 세포들을 바닥 상태로 되돌리는 방법일지도 모른다. 그는 이렇게 적고 있다.

 

우리의 가설이 학습과 기억에 있어서 잠의 역할을 연구하는 신경과학자들 사이에서 얼마간 논란이 있는 까닭은 우리가 바닥 상태로의 복귀는 잠자는 동안 발화되는 신경세포들 사이의 연결들을 약화시키는 데서 비롯된다고 제안하기 때문이다. 그 대신에 통상적인 지혜는, 잠자는 동안의 뇌 활동은 새롭게 형성된 기억들을 저장하는 데 관여되는 신경 연결들을 강화한다고 주장한다. 그런데 파리에서 인간에까지 걸치는 유기체들을 수년 동안 연구한 결과는 우리의 관념을 뒷받침한다.

 

꿈꾸기에 대해서도 과학자들은 마찬가지로 당혹스러워한다. 설명들은 부족하지 않는데도 그렇다. 꿈꾸기는 무작위적인 신경 충동들의 우연적인 부수작용, 현실 세계의 위협들을 흉내내고 복사하는 방식, 또는 고통스러운 감정들을 처리하는 방식일 수 있을 것이다.

 

4. 우리는 어떻게 기억을 저장하고 끄집어내는가?

 

컴퓨터의 하드 드라이브처럼 기억은 우리 뇌에 물리적으로 기록된다. 그런데 우리는 우리 뇌가 이것을 어떻게 행하는지 알지 못하며, 이 정보가 뇌 속에 어떻게 정위되는지도 알지 못한다.

 

게다가, 한 종류의 기억만 존재하지도 않는다. 단기 기억과 장기 기억이 있다. 선언적 기억(이름과 사실들)과 비선언적 기억(이른바 근육 기억처럼)도 있다. 그리고 장기 기억 속에서는 중대한 사건 동안 자신이 행하고 있던 일의 정확한 세부를 기억할 수 있는 "섬광" 기억이 있다. 그리고 상황을 더 복잡하게 만드는 것은, 우리 뇌의 상이한 부분들이 상이한 기억 과업들을 수행한다는 점이다. 그것은 우리의 시냅스와 신경세포들 사이의 꽤 복잡한 상호작용이다.

 

신경과학자들은 기억 저장이 시냅스들 사이의 연결과 연결 강도에 의존한다고 생각한다. 기억은 이산적인 정보 조각들로 코드화되는 것이 아니라, 오히려 두 개 이상의 것들 사이의 관계들로 코드화된다(예를 들면, 전열판을 만지면 고통을 유발한다). 그 점과 관련하여, 어떤 사건에 관한 기억은 "엔그램(engram)", 즉 기억 흔적으로 불리는 우리 뇌 속의 상호연결된 신경세포들의 매트릭스에 저장될지도 모른다. 그리고 실제로 최근에 과학자들은 이런 가정 아래 작업하면서 거짓 기억을 쥐에 이식했다.

 

그건 그렇다 치고, 과학자들은 기억이 어떻게 형성되는지, 어떤 기억들이 왜 퇴화되고 사라지는지, 우리는 왜 때때로 거짓 기억을 만들어내는지, 그리고 우리는 왜 자신이 원할 때 항상 정보를 끄집어낼 수는 없는지 여전히 확실히 알지는 못한다.

 

5. 인지의 모든 측면은 계산적인가?

 

컴퓨터과학자 앨런 튜링(Alan Turing)은 그 어떤 실세계 계산―인지를 포함하여―도 튜링 기계를 포함하는 등가적 계산으로 전환될 수 있다고 주장함으로써 이 문제를 처음으로 제기했다. 이것은 인간 인지에 관한 기능주의적 모형을 낳았다. 그 이론에 따르면, 유기체의 마음은 기본적으로 고전 정보처리기다.

 

그런데 미구엘 니콜레리스(Miguel Nicolelis) 같은 몇몇 과학자들은 뇌는 계산 불가능하고 그 어떤 공학도 뇌를 재생산할 수 없다고 주장한다. 그는, 인간 의식의 가장 중요한 특징들은 수조 개의 세포들 사이의 예측할 수 없는 비선형적 상호작용들의 결과이기 때문에 인간 의식은 실리콘으로 복제될 수 없다고 말한다.

 

사실상, 우리 마음은 자연 속에서 순전히 아날로그적인 어떤 기능들―물리적 기초를 필요로 하는 과정들―에 의해 추동될지도 모른다. 또는 인지와 의식은 아직 발견되지 않은 대안적 계산 형식에서 비롯될지도 모른다. <<특이점이 온다(The Singularity is Near)>>에서 레이 커즈와일(Ray Kurzweil)이 서술했듯이,

 

컴퓨터는 0과 1만을 사용할 필요는 없다... 계산의 본성은 논리적 기호들을 조작하는 데 한정되어 있지 않다. 인간 뇌 속에서 무언가가 진행되고 있고, 이런 생물학적 과정들을 비생물학적 존재자들에서 역으로 제작하어 복제하지 못하게 막는 것은 아무것도 없다.

 

그런데 이런 과정들은 정확히 무엇인가? 인간 인지의 어떤 부분들은 본질적으로 계산적이어야 한다는 점은―최소한 내게는―명백한 듯 보인다(예를 들면, 움직이는 객체들의 삼각법을 결정할 수 있는 우리의 타고난 능력). 그런데 어떤 것들이 계산적인가? 그리고 어떤 것들이 계산적이지 않는가?

 

6. 지각은 어떻게 작동하는가?

 

뇌의 주요한 한 기능은 우리 감각을 경험으로 변환하는 것이다. 지각 능력 덕분에 우리는 우리가 주변 세계를 구성하고 이해하는 데 도움이 되는 방식으로 감각 정보를 조직하고, 식별하며, 해석할 수 있게 된다. 그런데 우리 뇌는 정확히 어떻게 들어오는 감각 정보를 대단히 생생한 질적 경험으로 전환하는가? 그리고 뇌 속에서 지각은 어떻게 조직되는가?

 

이것은 의식의 어려운 문제와 감각질―적색을 본 후에 또는 다크 초콜릿 한 조각을 맛본 후에 우리 각자가 갖는 주관적 느낌―의 개시와 어느 정도 관련된 쟁점이다.

 

신경과학자들은 신경계―인간의 모든 지각의 장소―를 가리킨다. 우리의 다양한 기관들은 빛 또는 냄새 분자들 같은 들어오는 자극을 받아들이며, 아무튼 우리는 그것을 '지각"이라고 불리는 것으로 변환시킨다. 흔히 우리는 학습, 기억, 그리고 기대를 통해서 이런 경험들의 결을 형성할 수 있지만, 많은 경험들은 의식적으로 각성되지 않은 채 일어난다. 또한 지각은 뇌 속의 상이한 모듈들에 의해 통제되는데, 그 모듈들은 결국 더 넓은 인지적 그물의 일부다.

 

지각은 입력을 이해하고자 하는 적극적이고 전(前)의식적인 시도들과 결부되어 있다고 주장하는 이론이 있다. 다시 말해서, 지각은 적극적인 가설 시험 과정일지도 모른다. 광학적 환영들에 관한 연구―올바르지 않은 가설들이 제시된다―는 이 제안을 강화하는 듯 보일 것이다. 또한 지각은 주의―또 하나의 도전적인 연구 분야―와 병행하여 작동할지도 모른다.

 

7. 우리는 자유의지가 있는가?

 

수천 년 동안 철학자들은 이 문제에 관한 논쟁을 벌여왔는데, 마침내 과학자들이 그 논쟁에 맹공을 퍼붓기 시작하고 있다. 그리고 그들은 자신들이 이해하는 것을 반드시 좋아하지는 않을 것이다.

 

자유의지를 둘러싼 논쟁은 우주론적 결정론(시간이 흐름에 따라 모든 것이 예측할 수 있는 방식으로 진행된다), 비결정론(우주와 그 속에서의 우리 행위들은 무작위적이라는 관념), 그리고 우주론적 자유방임주의/양립주의(자유의지는 우주에 관한 결정론적 견해들과 논리적으로 양립 가능하다)를 낳았다.

 

덜 철학적으로, 무의식적 마음이 겉보기에 자발적 행위를 촉발한다―의식적 각성보다 대략 0.35초 더 빨리―는 점을 보여주는 실험들이 있다. 1980년대로 거슬러 올라가면, 벤자민 리벳(Benjamin Libet)은 우리 운동의 촉발에 관한 한 우리는 자유의지가 전혀 없지만, 마지막 순간에 그 운동을 막는 일종의 인지적 "거부권"이 있다는 결론을 내렸다. 우리는 운동을 개시할 수는 없지만 중지시킬 수는 있다. 더 최근에, 준비 전위(readiness potential)로 불리는 이런 지연이 각성하기 무려 1초 전에 일어난다고 보여준 fMRI 연구들이 있다.

 

회의주의자들은, 이런 실험들은 아무것도 증명하지 않으며, 그리고/또는 데이터 왜곡이 있다고 주장한다. 충격적인 파급효과 때문에 이 문제를 거부하는 사람들도 있다.

 

8. 우리는 어떻게 그렇게 잘 움직이고 반응할 수 있는가?

 

우리는 시간과 공간에 걸쳐 우리 육체를 움직이는 믿을 수 없는 작업을 수행한다. 그런데 우리가 어떻게 우리 육체를 그렇게 잘 통제하면서 움직이는지는 여전히 불가사의다.

 

바늘에 실을 꿰는 데 필요한 능숙함에 관해 생각하자. 또는 피아노 협주곡을 연주하는 데 필요한 능숙함에 관해 생각하자. 우리의 운동신경 자극들이 사실상 얼마나 느리고, 우연적이며, 예측할 수 없는 것인지 고려할 때, 이런 성취들은 더욱 더 믿을 수가 없다. 명백히, 그런 매끈한 효율적인 행동을 가능하게 하는 대뇌 피질과 운동 피질 사이에 진행되고 있는 매우 복잡한 것이 있다.

 

그런데 또한 시간 조절도 고려해야 한다. 우리는 모두 주변 환경을 우리에게 실시간으로 전달하는 대단한 작업―인지적 지연이 있지만―을 행하는 내부 시계(신경과학에서 또 하나의 불가사의)가 있다.

 

우리 뇌가 시각 정보를 처리하는 데 1/10초 걸린다. 그런데, 그것은 정말 짧은 시간인 듯 보일 것이만, 서브된 테니스 공처럼 어떤 객체가 시속 200km의 속도로 접근하고 있다면, 우리 뇌가 그것을 자각하기 전에 5.5m를 움직일 것이다. 최근의 연구에 따르면, 우리 뇌는 움직이는 객체를 앞으로 "밀어내어"서 우리는 그것이 시공간 상에서 실제보다도 더 앞에 있다고 지각한다. 이것은 우리 뇌가 실세계와 시간적으로 동조하지 않는다는 점을 의미한다. 그리고 앞에서 지적했듯이, 우리는 의식적으로 자각하기도 전에 운동을 개시한다.