스파이크

시스템 신경과학 연구의 세계적 석학 마크 험프리스
뇌 작용의 본질, 스파이크에 대한 매혹적인 통찰

★★★★★ 정재승, 박문호 강력 추천!
★★★★★ 《뇌 과학의 모든 역사》 매튜 코브 강력 추천!
★★★★★ 2022 미국출판협회 프로즈상 최종 후보

“뇌의 본질을 소설처럼 흥미롭게
이야기 형식으로 풀어놓았다. 각별히 소중하다.”
_정재승(뇌과학자, KAIST 바이오및뇌공학과 교수)

“스파이크에 올라타 뇌 작용을 살펴볼 수 있는 매우 드문 책이다.
이런 책은 항상 곁에 두고 찬찬히 읽고 싶다.”
_박문호(《뇌, 생각의 출현》 저자)

신경계의 본질적 요소 ‘스파이크’의 여행을 따라가며 그 작용을 낱낱이 살펴보는 최초의 뇌과학 교양도서. 우리 뇌 속 수십억 개의 뉴런은 서로 전기 신호를 주고받으며 소통한다. 뇌과학자들은 이 전기 신호를 ‘스파이크’라고 부른다. 우리가 다채로운 정신적 능력을 누리고 신체를 세심히 움직일 수 있는 것은 모두 스파이크 덕분이다. 말하고 먹고 달리고 보고 계획하고 느끼고 결정하는 모든 행위는 스파이크가 뉴런을 타고 질주하며 온갖 효과를 일으킨 결과이다. 이 책은 우리의 행동 가운데 한 부분이 이루어지는 동안, 즉 쿠키를 보고 주변 상황을 판단한 뒤에 그것을 향해 손을 내미는 2.1초 동안 뇌 속에서 스파이크가 어떻게 생겨나 어디로 향하는지 상세히 살펴본다.

뇌과학 연구는 지금껏 대부분 fMRI(기능성 자기공명영상) 장비에 의존해 수행되어왔지만, 최근 들어 시스템 신경과학 황금기의 성과로 인해 완전히 다른 국면이 펼쳐지고 있다. fMRI로 인해 우리는 어떤 뇌 영역이 특정한 감정적 반응과 감각을 처리하는지에 관한 수많은 지식을 갖게 되었다. 하지만 fMRI가 만들어내는 이미지 속 미세한 픽셀 각각은 뉴런 10만 개 주변에 흐르는 혈류를 측정한 것으로, 개별 뉴런과 그 뉴런이 방출하는 스파이크에 관해서는 아무것도 알려주지 않는다. 저자의 비유처럼, “fMRI를 사용하여 뉴런의 작동을 이해하려 하는 것은 관중의 함성을 듣고 축구 경기의 상황을 알아내려 하는 것과 같다.” 선수들이 어떻게 행동하고 공을 모는지 이해하기 위해서는 선수들과 공을 직접 봐야 한다. 마찬가지로 뉴런의 활동과 스파이크의 이동 경로를 이해하기 위해서는 뉴런과 스파이크를 직접 봐야 한다.

시스템 신경과학의 기술적 성취를 바탕으로 뉴런과 스파이크를 들여다봄으로써 이 책은 스파이크 하나가 눈에서 출발하여 쏜살같이 뇌를 거쳐 손까지 여행하는 과정을 마치 소설처럼 생생하게 보여준다. 쿠키에서 반사되어 눈 속으로 쏟아져 들어온 빛이 망막에 충돌해 뉴런들이 흥분하고, 그로 인해 발생한 스파이크 군단이 뉴런의 축삭돌기를 따라 겉질로 이동하고, 스파이크들이 뉴런 하나에 모여들어 새로운 스파이크를 창출하고, 끝내 근육들을 올바른 순서로 수축시켜 쿠키를 집게 하는 스파이크들의 머나먼 여행. 이 모든 복잡다단한 과정이 놀랍게도 한 권의 책에 질서정연하고 충실하게 담겼다. 이 책을 통해 독자들은 스파이크의 관점에서 뇌의 내부 작동에 관한 이해가 어떻게 근본적으로 변화했는지를 상세하게 알게 된다.

아무 활동도 하지 않는 암흑뉴런부터
외부 세계를 예측하는 자발적 스파이크까지
신경과학의 최전선에서 밝혀낸 뇌에 대한 새로운 이해

스파이크의 여행을 따라간 결과, 우리는 지금껏 인류가 쌓아온 뇌과학 지식을 근본부터 뒤바꿔야 한다는 사실을 깨닫게 된다. 우선 이른바 ‘암흑뉴런’의 존재를 생각해볼 수 있다. 우리가 스파이크 하나를 타고 약 1초 동안 뇌 속을 누빈다고 했을 때, 겉질 뉴런 가운데 90%는 그사이에 스파이크를 한 번도 발생시키지 않는다. 만일 1분 내내 측정한다고 해도 뉴런의 과반수는 아무 스파이크도 전송하지 않는다. fMRI로 측정해도 보이지 않는 ‘암흑뉴런’이 존재하는 것이다. 우리가 앉아 있거나 무언가를 보거나 생각하는 몇 초 동안, 암흑뉴런들은 아무 활동도 하지 않고 어느 뉴런과도 소통하지 않는다. 그렇다면 활동하는 뉴런들만 살펴보며 축적해온 오늘날의 뇌과학 지식은 뉴런 한 줌만을 다룬 것에 지나지 않는 셈이다. 암흑뉴런들은 과연 무엇을 위해 존재하는 것일까?

저자는 암흑뉴런을 이해하기 위한 세 가지 가설을 제시한다. 사실 암흑뉴런도 활동을 하지만 실험실에서 구현하는 세계가 너무나 단순하고 빈약해서 그 세계로는 암흑뉴런의 반응을 이끌어내지 못한다는 가설, 암흑뉴런은 뇌가 앞으로 사용하기 위해 아껴놓은 비축품이라는 가설, 암흑뉴런 각각은 정말로 가끔 스파이크를 전송하지만 그것들이 모이고 모여 의미 있는 스파이크 집단이 만들어진다는 가설이 있다. 암흑뉴런 문제는 지금도 신경과학계에서 활발히 연구되고 있으며 아직 완전히 해결되지 않은 주제이다.

또 하나의 사례는 ‘자발적 스파이크’이다. 오늘날 뇌과학 교과서는 모든 뉴런이 바깥 세계로부터 자극을 받아 스파이크를 내보낸다고 서술한다. 하지만 최신 연구 결과에 따르면 바깥 세계의 자극이 없어도 수많은 뉴런이 자발적으로 스파이크를 뿜어내고 있다. 우리가 뇌 속으로 들어오는 모든 감각 정보를 차단하더라도 뇌 속은 여전히 수많은 자발적 스파이크로 빛나고 있다.

저자는 자발적 스파이크의 의미가 외부 사건의 ‘예측’이라는 독창적인 설명을 내놓는다. 뇌는 자발적 스파이크를 통해 우리가 다음 순간에 무엇을 볼지, 무엇을 들을지, 어떤 결정을 할 개연성이 높은지 미리 예측함으로써 우리의 다음 동작을 준비한다는 것이다. 그로 인해 우리는 외부 사건에 더 빠르게 반응하고 더 깊이 생각하고 더 오래 생존할 수 있다. 저자의 말처럼, “우리의 풍부한 내면적 삶은 뇌 전체에서 일어나는 자발적 스파이크들의 전송과 수용이다.” 그렇다면 스파이크에게 가장 중요한 여행은 입력에서 출발하여 출력에 이르는 여행이 아니라 영원한 순환, 영원히 뇌 안에서 맴도는 여행인 셈이다.

“신경계를 따라 힘차게 질주한다.
더없이 놀라운 성취다.”
_매튜 코브(《뇌 과학의 모든 역사》 저자)

이렇게 스파이크의 이야기를 따라가다 보면 우리는 뇌에 관한 그간의 허구와 오류를 넘어 뇌과학 지식을 뒤바꿀 획기적 통찰과 마주하게 된다. 뇌과학자들이 즐겨 사용하는 표현인 “우리는 우리 뇌다”가 진실이라면, 이 책은 이제껏 드러나지 않았던 뇌의 비밀을 밝혀냄으로써 우리 존재의 비밀로 한 발짝 더 나아가게 해줄 것이다. 스파이크의 이야기는 곧 우리의 이야기이기도 하니 말이다.