뇌 과학과 철학

2009년 5월 20일   이 근 호 목사   

저     자 : 패트리샤 처칠랜드 (Patricia Churchland)
번     역 : 박제윤
출 판 사 : 철학과 현실사(서울:2006)


심리학이나 마음 같은 것을 뇌 해부학이나 신경과학과는 별개로 독립적인 탐구 영역을 갖는다고 주장하는 현 심리학과 철학에 대해서 저자는 강하게 반박한다. 뇌에 대한 과학적인 분석과 관련된 심리학을 수립해야 한다는 것이다. 따라서 현재 진행 중인 각가지 뇌 활동에 대한 이론을 우선적으로 신뢰할 필요가 있다는 것이다.
 
본다는 것, 느낀다는 것, 생각한다는 것, 깨닫는다는 것, 기억한다는 것, 이런 모든 것도 필히 뇌 안에서 이루어지는 물리적이고 생리적 작용의 안목으로 풀어낼 수 있어야 한다는 것이다. 인간의 뇌의 해석에서 벗어날 수 없는 것이다. 그렇다면 두뇌를 가진 인간이 어떻게 자체적인 두뇌에 대해서 편견 없이 분석해 낼 수 있을까?
 
두뇌는 전기적 현상으로서 정보를 주고받는다. 따라서 바깥에서 그 전기적 변화를 읽어낼 수가 있고 그 변화에 의미를 가하고 해석을 성사시킬 있다는 것이다. 전위를 측정하는 것이다. 실험을 통해서 보면, 신경 세포에 대한 기계적 변형만 있어도 신체 근육은 움직인다. 이는 뇌신경을 자극하기 위하여 혼백이나 영혼의 명령이 꼭 필요 없다는 말이 된다. 신경 효과는 사실 전기 현상이며, 전기 활동 파동이 신경을 통과하는 것이다.
 
그런데 기계 이상의 요소가 들어있다. 예를 들면, 신경 신호를 근육에 전달할 때, 근육 세포 자체와 직접 접촉하지 않고 근육에 효과만을 전하여 근육을 수축시키는 것이다. 이것은 화학작용을 하는 전달 물질이 신경 세포 말단부에서 터져 나와 다음 세포에게 신호를 이전시키는 것으로 설명할 수 있다. 이것이 ‘신호의 증폭’이다.
 
신경세포(뉴런)는 세 종류의 전기적 특성을 갖고 있다. 안정전위(막전위), 활동전위(신경충격), 점진적 전위(국소전위)를 말한다. 뉴런은 여러 종류의 화학물질 가운데서 어떤 것만을 통과시키는 반(半)투과성을 띤 세포막으로 덥혀 있다. 이러한 세포막, 특 축색돌기(긴 줄기)의 막 안에는 음이론을 가진 화학물질들이 주로 들어 있고, 그 바깥에는 양이론을 가진 화학물질이 들어 있다.
 
따라서 막의 내부가 외부에 비해서 전기적으로 음성을 띠고 있다. 이와 같이 세포막의 안과 밖의 전기적 성질이 나눠 있는 상태가 분극(polarization)이며, 이때의 전압이 안정전위 또는 막전위이다. 자극을 받지 않은 뉴런이 활동하지 않고 쉬고 있을 때가 바로 안정전위의 상태이다. 그러나 뉴런이 받은 자극 에너지가 모여 일정 수준을 넘으면 축색돌기의 막은 갑자기 투과성이 커져서 막 외부의 양이온이 막 안으로 들어오게 되고, 안정전위 상태에 있던 막의 내부에 급격한 전기적 변화가 생긴다.
 
막 내부의 음성이 점점 감소됨에 따라 막전위가 감소되는 상태, 즉 탈분극(depolarization) 상태가 된다. 이때 생기는 전압을 활동전위, 신경충격, 또 방전이라고 한다. 축색돌기를 따라 내려온 전기적 활동이 종말 단에 다다르면, 그곳에 있는 주머니 안의 신경전달물질이 방출되고, 이 화학물질은 다른 뉴런의 수상돌기(세포의 머리 부분) 또는 세포체의 막에 전기적 변화를 일으킴으로써 뉴런 사이의 정도는 처리된다.
 
신경전달 물질의 과다에 의해서 발생되는 병들이 밝혀지면서 정신 장애를 개선할 수 있었다. 실험실에서 특정 신경화학물질을 합성할 수 있으며, 신경세포들이 신경전달물질 전잘 과정에 직접 개입할 수 있게 되었다. 신경약리학의 발달이다. 몸을 떠는 신체마치로 알려진 파킨슨병은 신경전달물질은 도파민의 수치가 비정상적으로 낮아서 일어나기에 환자의 뇌 안에서 도파민으로 전환되는 엘-도파 약물을 투여하면 운동기능 장애가 완화되었다.
 
뿐만 아니라 정신분열증에 사용하는 진정제인 페노티아진은 도파민이 넘치지 않도록 조정한다. 그러나 문제는 이러한 뇌의 활동에 대해서 인간들이 심리적으로 어떤 관점을 가지느냐로 이어진다. 즉 자아와 해골 속의 세포덩어리하고 무슨 관계가 있느냐 하는 것이다. 즉 정신분열증이 ‘죄의식’, ‘부끄러움, ’좌절‘ 등등과 같은 심리적 요소들에 의한 병이 아니라 유전적인 고장에 의해서 일어나는 것이라면 그동안 심리적 치료법의 허점이 드러난 셈이 된다. ‘미쳤다, ’제 정신이다‘이라는 구분을 생화학적 용어로 표현할 수 있다는 말이다.
 
신경세포는 생리학과 해부학을 통해서 규명될 수 있다. 해부학이 구조적이라면 생리학은 기능적이다. 구조를 통해서 기능을 설명하고, 기능을 통해서 구조를 규명할 수도 있다. 이런 원칙이 적용되는 신경기관은 다음의 다섯 차원으로 존재한다. ‘신경로’, ‘층판, ’국소 대응도, ‘피질 원주’가 바로 그것이다.
 
국소 대응도란 기능분포도를 말한다. 두뇌 구석구석에는 감각과 운동에 상응하는 특정 구역들이 있는 것이다. 감각에서 주어진 그것만의 특별 정보와 신호가 어떤 경로로 두뇌까지 이르러서 활성화 시키느냐를 추적해보는 방법은, 방사선 동위원소로 표시한 아미노산을 신경 세포에 노출시켜, 그 아미노산을 단백질과 결합시킨 후에 그 물질을 신경줄기(축색돌기)를 따라 이동시키는 방식이다.
 
이런 방식으로, 신호가 직선적이고 순차적으로 전달한다고 믿었던 것이 잘못이었으며 실제로는 병렬적으로 움직인다는 것이 밝혀졌다. 그래야 패턴인식이 가능하기 때문이다. 또 해부학의 도움으로 대뇌의 피질이 여섯 겹의 층판으로 구성되어 있는 것도 알게 되었다. 이 층판을 신호가 이동하면서 대뇌에 위상지도가 만들어진다. 이것이 국소 대응도이다(Topographic Map). 뇌 안에는 이 대응도를 바라볼 어느 누구도 존재하지 않는다. 다시 말해서, 이 대응도는 누군가에 의해 읽히고 이끌려 가는 것이 아니라 그 자체의 논리성을 띠고 형성되는 것이다.
 
두뇌의 피질에 있어 수평층판이 수직 피질 원주와 교차하면서 정보가 처리되는데 이것이 뇌의 병렬처리 시스템이다. 성장한 유기체의 뇌는 눈에 뜨게 질서정연한 조직을 보여주지만, 놀라운 사실은 그 구조를 지배하는 그 어떤 지성도 존재하지 않는다는 사실이다. 뇌는 배아 발달과정 초기에 상피세포로부터 발생한 몇 개의 세로로부터 출발하여 자연스럽게 성장한다. 이 성장에 있어 발견된 것은, 기능적으로 부지런한 신경세포가 게으른 신경세포보다 더 많은 영양분을 섭취할 수 있어서 자체적인 선택적 죽음을 발생시킨다는 사실이다. 다시 말해 “일한 자만이 먹을 수 있다”는 원리다.
 
두뇌는 가운데 ‘뇌량’이라는 일종의 다리 역할을 하는 부분이 있어 우뇌와 좌뇌의 정보를 연락이 가능하게 했다. 그런데 이로 인하여 다음과 같은 심리적 의문점을 낳기도 한다. 즉 ‘각각의 뇌가 과연 자아를 따로 갖고 있는가?“라는 점이다. 그럴 때 어느 자아가 참된 자아가 되느냐 하는 문제가 생긴다. 좌뇌와 우뇌에 관해서 몇 가지 가설들이 있는데, 예를 들면 이런 것들이다.
 
‘우뇌’는 상상력과 창의력을 가진 반면, ‘좌뇌’는 분석적이고, 언어표현과 관련 있고 따지기 좋아하고, 단조롭다‘는 가설이 있고, 또한 동양 사상의 음양(陰陽)애 해당되는 나름의 신경 장소가 좌우 두뇌에 있다’는 가설도 있으며, 좌뇌가 우뇌보다 초자아의 지배를 더 받는다‘는 가설도 있지만 다 근거가 정확하지 않다.
 
뇌가 어떻게 기능하느냐에 대해서 각가지 설이 있다. ‘뇌가 홀로그램hologram(3차원 입체 사진) 같다는 설도 있지만 자료를 저장하고, 삭제하고 꺼내어지는 작용에 대해서는 설명을 못해내고 있다. 또 뇌가 컴퓨터와 같다고 말들 하지만, 이 설 역시 입력과 출력이 컴퓨터 식의 순차모델로 이루어지지 않기에 잘못된 비유일 수가 있다. 그 대신 가능한 설로서 관심가질 수 있는 설은 ’텐서그물망 이론‘이다.
 
텐서란, 하나의 벡터를 다른 벡터로 변환하기 위해 사용하는 일반화된 수학적 함수를 말한다. 만약 ‘소뇌’(두뇌 뒷부분에 붙은 뇌로서 운동에 관여하는 일을 한다)에 주어지는 입력이 한 좌표계의 벡터(방향을 지닌 힘과 운동을 표시하는 요소)로 구성되고 출력은 다른 좌표계의 벡터로 구성된다면, 여기에 수학적 행렬 산술 방식을 통해서(텐서) 입·출력 배열 사이의 ‘연결관계’가 수립된다. 그 연결관계는 샌드위치처럼 위상공간이 수직적으로 대응하면서 격자층 안에서 각각 층을 분리할 수 있는 관계다. 이것은 행동 패턴의 체계성을 말해준다.
동물의 ‘운동 시스템’이 근육 동작을 조절하는 데 뉴런들을 사용해야 한다면, 그래서 그 관절 동작을 조절해야 한다. 운동 뉴런들, 근육 세포들 그리고 관절들 각각의 위상공간들 사이에 체계적인 관계를 갖도록 발달했을 것이다. 이는 곧 신경세포 집단들의 적절한 위상 공간의 성질을 계산하여 탐구하는 방식이다. 감각위상공간은 ‘바깥 세계에 있는 대로’의 표상이라면, 운동위상공간은 ‘신체’의 표상이다.
 
텐서는 효율적으로 감각표상을 운동위상공간의 출력 표상으로 변환시킨다. 입력 ‘의도’ 벡터가 텐서를 통해서 섬세하고 연속적인 근육 세포 활동을 위해 수행 벡터로 변환된다는 것이다. 소뇌가 바르게 기능하지 못하면 ‘수행’ 벡터보다 ‘의도’ 벡터가 직접 척수(머리 뒤에서 아래로 뻗어 나온 신경다발) 명령을 전달해야 하므로 운동은 일어나되 근육조절이 완벽하지 못하고 타이밍을 맞추지도 못한다.
 
컴퓨터와 두뇌의 차이점 중의 하나는, 컴퓨터는 명령, 즉시 일을 처리하지만 두뇌는 지속적이고 반복적으로 학습을 하는 학습 기능을 보인다는 점이다. 이것은 단번에 정확성을 가지고 실행되는 것이 아니라 조금씩 유사구조 관계를 가지고 근접해가는 ‘과정성’을 보인다. 이 과정성은 피드백(feed back)을 가지고 신뢰성 있는 표상을 얻도록 수정한다. 피드백이란 일방통행이던 정보 흐름을 여러 갈래로 나뉘어 되돌려 보내거나 역류시키는 회로다. 이렇게 되면 단순한 일방통행과는 다른 방식으로 정보가 처리된다. 뿐만 아니라 신경망에는 노이즈(잡음)라는 보정 효과가 있어, 비록 심리적 현상이 물리적 현상처럼 규칙적으로 말하기 어렵게 보인다 할지라도 얼마든지 물리적으로 설명할 여지가 있는 것이다.
 
사람들은 말한다. 자신의 심적 상태에 대해서는 어떤 간섭도 없이 직접 안다고 말이다. 하지만 내가 창밖을 내다 볼 때, 나무를 직접 보는 것 같으며, 내가 컴퓨터보다 크다는 것도 직접 아는 것 같지만 나는 단지 ‘내적 성찰로부터 오는 자료와 관련지어’ 나무를 보는 것이다. 내가 진실로 원하는 것이 무엇인지, 왜 내가 화내고 있는 것인지, 비록 이것을 직접 느낀다 할지라도 그것을 결정하기 위해서는 추론이 필요하다. 그리고 우리는 늘 틀리고, 늘 달라지고 늘 변덕스럽다. 그렇더라도 그 어느 경우에도 비물리적인 경우는 없다.
 
“마음이 어떤 종류의 실체인가?”라는 존재론적 질문과 “마음이 어떻게 자신을 아는가?”라는 인식론적 질문은 구별되어야 한다고 저자는 주장한다.

 
(평 가)
 
인간들이 눈에 보이는 것들을 그냥 보는 것이 아니라 이득이 될 만한 것에 이용할 수 있기를 바라면서 바라보게 되고 생각하게 된다. 이것은 자신의 존재를 당연시 하는 것을 전제로 한다. 즉 그 어떤 행동을 하더라도 단순히 “내가 누구냐?“ 정도가 아니라 ”왜 나는 뭐든지 정당하게 행동하게 되는가?“를 확인하기 위해서 움직이는 것이다. 따라서 인간이 퍼붓는 모든 질문 속에는 자신의 결정과 태도의 불신은 근원적으로 끄집어 내는데 한계를 갖고 있다.
 
마치 최초의 인간은 남자와 여자가 선악과를 따먹을 때에도 자신의 행위가 옳지 못함을 판단할 궁극적 기준을 내부적으로 갖지 못하는 것과 마찬가지며 이러한 현상은 오늘날에도 여전하다. 하지만 하나님께서 추후적으로 인간에게 내려 주신 조치는 저주였다. 그렇다면 그 저주의 실제성 앞에서 철학이든, 뇌과학이든 다시금 조명되어야 한다. 왜 이런 학문적 시도들이 인간에게 저주로 이어지는지를….
 
성경 말씀 이외에 해답이 있을 리가 없다. “내가 땅의 일을 말하여도 너희가 믿지 아니하거든 하물며 하늘의 일을 말하면 어떻게 믿겠느냐 하늘에서 내려온 자 곧 인자 외에는 하늘에 올라간 자가 없느니라 모세가 광야에서 뱀을 든 것 같이 인자도 들려야 하리니 이는 그를 믿는 자마다 영생을 얻게 하려 하심이니라”(요 3:12-15)