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우리의 뇌의 구조와 동작하는 방식은 인류 역사상 가장 중요한 연구주제임에 틀림이 없습니다.  19세기 까지만 하더라도 뇌의 구조에 대한 관점으로 상명하달(Top-Down)로 바라보는 경우가 많았습니다.  뇌의 일정 부분에서 여러가지 결정이 내려지고, 이에 대한 명령을 하달하기 위한 다양한 통로로서 신경세포의 신경초들이 이용된다는 시각입니다.

그런데, 최근 복잡계(complex system)와 인터넷과 같은 네트워크와 관련한 다양한 연구들이 수행되면서 인간의 뇌 역시 이런 네트워크의 관점에서 바라보는 시각이 많이 늘어나고 있습니다.  제가 과거에 포스팅한 바 있는 시냅틱 웹(synaptic web)은 뇌의 구조를 되려 웹에 적용해서 바라본 시각인데, 반대로 인터넷 연구에서 알아낸 많은 연구결과들이 뇌의 연구에 다시 응용되기 시작하였습니다.  특히, 스트레스, 우울감, 식욕 등과 같은에 의해 발생하는 뇌의 아주 작은 지역에서 발생하는 신호가 뇌의 지역들 사이의 연결을 따라 전달되는 것을 추적할 수 있는 기술들이 개발되면서 이런 연구가 활기를 띠고 있습니다.


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최근 유명한 학술저널인 PNAS(Proceedings of the National Academy of Sciences)에는 신경계의 전체 맵을 구성하는 시도에 불을 당길지도 모르는 논문이 발표되었습니다.  USC(University of Southern California)의 래리 스완손(Larry Swanson)과 리차드 톰슨(Richard Thompson) 박사는 쥐의 뇌의 즐거움과 보상과 관련한 부분을 인지하는 매우 작은 지역을 분리한 뒤에 '트레이서(tracer)'라는 물질을 뇌 조직의 매우 작은 지역에 투입을 하였습니다.  이 분자들은 조직 사이의 신호의 움직임에 관여하지 않지만, 현미경으로 이런 움직임을 관찰하는 것을 도와줍니다.

이 연구에서 동시에 같은 지역에 투입된 2개의 트레이서들이 하나는 나가는 신호를, 다른 하나는 들어오는 신호를 추적할 수 있어서 뇌의 연결의 방향을 보여줄 수 있게 되었습니다.  이는 그동안 일부 신경학자들이 주장했던 신경세포의 단방향성 연결(들어오거나 나가거나)에 따라 일사분란하게 움직이는 뇌보다는 인터넷과 같이 거대한 상호작용과 양방향 신호전달에 의해 뇌가 동작한다는 것을 뒷받침하는 결과라 하겠습니다.  

실제로 이렇게 복잡하게 연결되어 있는 뇌구조와 그에 따라 뇌가 전체적으로 판단한다는 가정은 여러 학자들에 제시한 바 있지만, 실험적으로 이런 내용이 증명된 사례는 그다지 많지 않았습니다.  이런 연구가 활성화 되어 뇌의 전체적인 연결구조가 인터넷의 연결을 파악하는 것과 마찬가지로 알 수 있게 된다면 우리의 뇌의 신비를 풀어내는데 큰 전기가 마련될 것입니다.   어쩌면 우리가 아직도 풀어내지 못하고 있는 의식과 무의식, 인지와 관련한 여러가지 문제에 대한 답을 제시할지도 모릅니다. 


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블루 브레인 프로젝트를 아시나요?  블루 브레인 프로젝트는 IBM이 지원하는 프로젝트로 수천 개의 컴퓨터 칩을 연결하면서 인간의 뇌의 구조를 역공학하여 그 구조를 그대로 만들어가는 방식의 인공뇌 프로젝트 입니다.  현재까지 들어간 마이크로 칩의 수는 2,000개가 넘고, 이들이 수행하는 연산의 양은 약 22.8조 개 정도를 초당 수행할 수 있다고 합니다.  2005년에 처음 시작할 때만 하더라도 많은 논란과 회의론들이 있었지만, 4년이 지난 현재 많은 성과가 있다고 합니다.  일반적인 형태의 인공지능 연구와는 달리, 인간의 뇌가 가지고 있는 구조를 그대로 흉내내는 것에 초점을 맞추고 있습니다.

2009년에 있었던 TED Global 미팅에서 이 프로젝트를 이끌고 있는 Henry Markram 이 직접 많은 이야기를 하고 있는데, 더욱 자세한 내용은 아래에 임베딩한 TED 강연내용을 참고하시기 바랍니다.  현재까지의 성과는 인간의 뇌의 신피질 컬럼(neocortical column)을 시뮬레이션 하는 수준입니다.  약 1만 개의 신경세포와 3천만개의 시냅스(신경 간의 연결)를 구축한 것인데, 이를 활용한 다양한 연산수행이 가능합니다.  앞으로 2년 정도 뒤면 쥐의 뇌 전체를 시뮬레이션 할 수 있을 정도로 키울 수 있을 것으로 기대하고 있으며, 이 때에는 모바일 로봇을 이 뇌를 이용해서 움직이려는 계획을 가지고 있습니다.

기본적으로 뇌를 시뮬레이션하는 방식이기 때문에, 쥐의 뇌의 형태로 만들어서 작은 로봇에 연결하게 되는 경우, 로봇에서 감지하는 여러 감각정보들은 블루 브레인을 학습시킬 것이고, 이에 따라 대응을 하게 될 것입니다.  그런데, 아마도 이런 학습방식은 예축하는 것이 거의 불가능할 것입니다.  그리고, 제대로 동작을 한다면 로봇은 자기 나름대로 판단하고 움직이고, 살아가려고 하겠지요?  

어쩌면 정말 허황된 프로젝트일지도 모르겠습니다.  그렇지만, 진정한 과학적 발전을 위해서는 이렇게 황당해 보이는 프로젝트에도 투자할 수 있어야 하지 않을까요?




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뇌는 좌우의 2개 반구로 되어 있습니다.  창의성은 양쪽 뇌가 같이 소통을 할 때 잘 발현된다는 것은 이미 잘 알려져 있습니다.  예를 들어, 좌우 뇌를 연결하는 부위를 잘라내면 (이런 수술을 commissurotomy 라고 합니다), 창의적인 작업에 애를 먹게 됩니다.  2009년 Elizabeth Shobe 박사 연구팀이 재미있는 논문을 발표했는데, 이런 사실을 바탕으로 창의성의 훈련과 관련한 약간의 가능성 및 배경이 될만한 논문이라서 소개를 해볼까 합니다.

Shobe 박사팀은 62명의 실험 참가자들에게 "Alternative Uses Test"라고 불리는 창의성 테스트를 하였습니다.  벽돌이나 신문과 같은 일상적인 물체를 가지고 할 수 있는 독특한 일들을 생각하는 것인데, 일단은 왼손이나 오른손 어느 한쪽으로 편향되었는지 아니면 상대적으로 양손의 정교함이 비슷한 수준의 양손잡이 그룹인지 분류하였습니다.  

여기에서 재미있는 시도를 하였는데, 작업을 시작하기 전에 2그룹으로 나누어서 한 그룹에게는 30초 정도의 시간을 들여서 눈을 좌우로 왔다갔다 하도록 하였습니다.  이 운동은 좌우 뇌의 소통을 돕는 것으로 알려져 있습니다.  그리고, 나머지 한 그룹에게는 앞을 그냥 30초간 쳐다보도록 하였습니다.  결과는 어땠을까요?  좌우 어느 한쪽으로 편향된 사람들 중에서, 눈 운동을 한 그룹에서 그렇지 않은 그룹보다 훨씬 좋은 창의성 테스트 결과가 나왔습니다.  그런데, 처음부터 양손잡이인 그룹의 경우에는 창의성 테스트 결과가 좌우 쳐다보는 운동이 큰 영향을 끼치지 않았습니다.  물론, 양손잡이 그룹이 어느 한쪽 손으로 많이 치우친 그룹에 비해서는 전반적인 테스트 결과가 좋았습니다.

이 결과는 좌우 뇌의 어느 한쪽이 우성이면서, 소통이 적은 사람의 경우 눈의 좌우로 쳐다보는 일종의 준비운동이 창의성과 관련한 작업을 하는데 도움이 된다는 것을 의미합니다.  그에 비해, 이미 좌우 뇌의 소통이 어느 정도 되고 있는 양손잡이의 경우에는 그리 큰 영향을 미치지 않았다고 해석을 할 수 있습니다.  물론, 테스트를 한 사람의 수도 적고, 명확한 이론으로 자리를 잡으려면 앞으로 많은 연구가 더 수행되어야 하겠지만, 기본적인 백그라운드 이론이 있고, 좌우로 눈운동을 하는 것이 그리 어려운 일도 아니기 때문에 창의성을 요하는 작업에 앞서 마치 우리가 준비운동을 하듯이 뇌에 대한 준비운동으로 눈을 굴려보는 것도 그리 나쁘지 않다는 생각입니다.


참고자료

Shobe ER, Ross NM, & Fleck JI (2009). Influence of handedness and bilateral eye movements on creativity. Brain and cognition, 71 (3), 204-14 PMID: 19800726

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생각보다 많은 사람들이 불규칙한 수면 사이클을 가지고 있습니다.  어떤 날은 잠이 잘 오지 않아서 앉아 있거나, 다른 일을 하다가 잠이 들고, 어떤 날은 무척 일찍 잠이 들기도 합니다.  그리고, 시간에 쫓기면서 다음날 아침일직 일어나야만 하는 경우도 부지기수입니다.  그렇지만, 수면의 중요성은 최근 연구를 통해 점점 더 부각되고 있습니다.  

2009년 신경과학 학회 미팅에서 수면 사이클이 무너질 경우 건강과 인지기능(cognitive function)에 미치는 악영향에 대한 연구발표가 하나 있었습니다.  록펠러 대학의 연구팀들은 쥐를 가지고 한 실험에서, 하루의 리듬을 망가뜨리기 위해서 빛을 주어서 낮처럼 느끼도록 10시간을 밝게하고, 그 뒤에 밤처럼 느끼도록 10시간을 어둡게 하는 실험을 하였습니다.  이렇게 2달의 시간이 지나자, 쥐들은 항상 졸려하고, 학습능력이 저하되었으며, 굉장히 공격적이 되었습니다.  또한, 살도 찌는 것이 관찰되었는데, 이는 식욕호르몬과 대사장애가 있었기 때문으로 추측됩니다.

이 연구를 통해 수면이 인간 및 동물들의 자가제어(self-control) 능력을 유지하는데 매우 중요하다는 것을 알게 되었습니다.  심지어는 체온을 유지하는 것과 같은 가장 기본적인 항상성을 유지하기 위한 기능조차도 수면문제로 장애를 일으킬 수 있습니다.  연구자들은 수면문제가 동물들의 내측 전전두엽(medial prefrontal cortex)에 변화를 유도함을 밝혀내었는데, 이 부위는 자가제어에 있어 가장 중요한 부위로 수면과 식습관변화에 가장 민감하게 반응한다고 합니다.

이 밖에도 많은 연구들을 통해서 수면에 문제가 있을 경우 스트레스 관리, 감정의 조절, 학습능력과 의지력 등에도 좋지 않은 영향을 미친다는 것이 알려져 있습니다.  최근 뉴욕타임즈의 기사에서 스탠포드 대학에서의 연구내용이 발표된 적이 있습니다.  간단히 내용을 요약하면 하루 10시간을 잔다면 운동선수의 운동능력이 향상되었다는 것입니다.  이와같이 충분히 자고, 그 사이클도 규칙적으로 가져간다면 우리의 건강과 인지능력은 항상 최적의 상황을 유지할 수 있습니다.  

그러므로, 결과가 잘 나오지 않는 일로 괜히 잠을 줄이는 방법을 선택하기 보다는 적더라도 잠을 자는 습관을 들이도록 합시다.  저의 경우도 의과대학을 다니면서, 다음 날 시험에 제대로 준비가 되지 않았더라도 반드시 몇 시간 정도는 자는 습관을 들였습니다.  그럴 때면, 자고 일어났을 때 그 전날 그렇게도 외워지지 않던 내용들이 자면서 나도 모르게 머릿속에 정리되어 있는 경험을 많이 했습니다.  수면은 일하는 것 이상으로 중요한 행위입니다.  잠을 잘자기 위해 노력하는 것은 우리 건강을 위해 노력하는 가장 중요한 행동입니다.


참고자료

Society for Neuroscience presentation (October 28 2009). Disruption of circadian rhythms affects both brain and body, mouse study finds. ScienceDaily. Retrieved October 28, 2009, from http://www.sciencedaily.com/releases/2009/10/091026225744.htm.


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위의 그림에서 보듯이 우리 뇌는 온통 주름투성이 입니다.  인간의 뇌는 다른 동물들의 뇌에 비해 그 크기도 크지만, 주름이 무척이나 많은데, 이렇게 주름이 많아지면 뇌의 체적이 같다고 하더라도 펼쳤을 때 면적은 훨씬 넓어지기 때문에 다른 동물들보다 차별되는 뇌를 가졌다고 할 수 있습니다.  뇌의 주름은 뇌조직 부분을 gyri, 그 사이의 홈에 해당하는 부분을 sulci 라고 합니다.  일부 gyri 와 sulci 는 이름까지도 가지고 있는 중요한 부위입니다.  그렇지만, 이들의 모습은 사람마다 많이 다르다고 알려져 있습니다.

흔히 가지고 있는 뇌에 대한 믿음 중에, "뇌에 주름이 많으면 똑똑하다"라는 것이 있습니다.  일견하기에는 다른 동물들과 인간을 구별하는 특징 중에 하나이기 때문에 맞는 것처럼 보입니다만, 이는 사실과 다릅니다.  물론 인간이 태아시기에는 주름이 거의 없는 작은 뇌를 가지고 태어납니다.  그리고, 점점 자라면서 신경세포들도 자라고, 신경세포들이 뇌의 다른 부위로 이동도 하며, sulci 와 gyri 도 만들어내기 시작합니다.  그런데, 뇌가 어른 수준의 주름을 가지는데에는 뇌의 크기는 작더라도 40주면 충분합니다.  그러니까, 돌이 채 되기 전에 주름 구조는 거의 완성이 되는 것입니다.  이 때부터는 커다란 주름의 구조는 많이 배우고, 똑똑해지는 것과는 상관없이 거의 변하지 않습니다.  물론, 숙련되거나 교육 등에 의해 특정 gyri 등이 커지거나 할 수 있지만 커다란 두뇌의 손상이 나타나는 경우를 제외하고는 전반적인 구조가 바뀌는 일은 없습니다.

물론 우리의 뇌는 무언가를 배우고 익힐 때마다 계속 변합니다.  그렇지만, 새로운 sulci 나 gyri 를 만들어내지 않는다는 것입니다.  이렇게 무언가를 학습할 때마다 변하는 현상을 "뇌의 소성(brain plasticity)"라고 합니다.  쥐와 같은 동물의 뇌에 대해 변화를 관찰하는 연구결과를 보면 신경세포간의 연결을 담당하는 시냅스(synapse)나 신경세포를 지원하는 혈구세포(blood cells)의 수는 늘어납니다.  일부 연구자들은 새로운 기억이나 경험이 만들어질 때마다 새로운 신경세포가 생겨난다고 주장하기도 합니다만, 포유류의 뇌에서는 아직  가설 수준으로 남아 있습니다.

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