우주에서 가장 복잡한 물체, 뇌 해독하고 마음 읽으려는 과학자들의 탐구 ①

복잡하고 수수께끼 같은 뇌를 해독하고 사람의 마음을 읽으려는 과학자들의 탐구 내용이 영국의 인터넷 국제정보지 '더 컨버세이션(THE CONVERSATION)' 7일자에 실려 주목받고 있다. 자연 속 생물에서 영감을 얻고 모방하는 혁신적 청색기술에 관심있는 《청색경제뉴스》 독자를 위해 동 내용을 3부로 나눠 싣는다.

2023년 중반, 미국 텍사스대학교의 '후스랩(HuthLab)'에서 수행한 연구가 신경과학과 기술 분야에 충격을 던진 바 있다. 처음으로 인공지능(AI)과 뇌 영상 기술을 결합하여 외부 세계와 소통할 수 없는 사람들의 생각과 인상을 연속적인 자연어로 번역한 것이기 때문이다. 

이것은 과학이 사람의 마음을 읽는 데 가장 근접한 단계에 도달한 것이나 마찬가지다. 지난 20년간 신경 영상기술의 발전으로 의식이 없는 환자가 뇌로 컴퓨터 커서를 제어할 수 있게 되었다면, 후스랩의 연구는 사람들의 실제 생각에 접근하는 데 한 걸음 더 다가선 것이다. 연구를 공동 주도한 신경과학자 알렉산더 후스(Alexander Huth)는 뉴욕 타임즈와의 인터뷰에서 다음과 같이 말했다.

"이것은 단순한 언어 자극이 아닙니다. 우리는 의미, 즉 무슨 일이 일어나고 있는지에 대한 생각을 파악하고 있습니다. 그리고 그것이 가능하다는 사실은 매우 흥미롭습니다."

연구팀은 AI와 뇌 스캐닝 기술을 결합하여 외부 세계와 소통할 수 없는 사람들 사이에서 지속적인 자연어를 재구성할 수 있는 비침습적( non-invasive) 뇌 디코더를 만들었다. 이러한 기술의 개발과 마비된 환자가 다시 움직일 수 있도록 하는 뇌 제어 운동 보철의 병행 개발은 폐쇄 증후군과 사지 마비 등 신경 질환으로 고통받는 사람들에게 엄청난 가능성을 제시한다.

CBS 오스틴에서 HuthLab의 '마음 읽기' 연구에 대한 보도 영상

장기적으로는 핏비트(fitbit) 스타일의 뇌 건강 모니터나 뇌로 제어되는 스마트폰과 같은 더 광범위한 대중 애플리케이션으로 이어질 수가 있다. 1월 29일 일론 머스크는 자신의 뉴럴링크(Neuralink) 기술 스타트업이 처음으로 인간의 뇌에 칩을 이식했다고 발표했다. 그는 이전에 팔로워들에게 뉴럴링크의 첫 번째 제품인 텔레파시가 언젠가는 사람들이 '생각만으로' 휴대폰이나 컴퓨터를 제어할 수 있게 될 것이라고 말한 바 있다.

하지만 이러한 기술 발전과 함께 윤리적, 법적으로 큰 문제가 발생하고 있다. 프라이버시뿐만 아니라 사람들의 정체성 자체가 위험에 처할 수도 있다. 이른바 '마음 읽기(mind reading)' 기술의 새로운 시대에 접어들면서, 우리는 사람들에게 해를 끼칠 수 있는 잠재력이 도움을 줄 수 있는 잠재력을 능가하는 것을 어떻게 막을 수 있을지 고민해야 할 것이다.

인류 최대의 매핑 과제
뇌는 우주에서 가장 복잡한 물체다. 890억 개 이상의 뉴런(neuronㆍ신경세포)으로 구성되어 있으며, 각 뉴런은 약 7,000개의 다른 뉴런과 연결되어 매초 10~100개의 신호를 보낸다. AI의 개발은 뇌와 뉴런이 함께 작동하는 개념에 기반을 두고 있다. 이제 딥러닝(deep learning) 학습을 통한 AI의 작동 방식은 뇌의 작동 방식을 훨씬 더 명확하게 이해하는 데 도움이 되고 있다.

건강한 인간의 뇌 구조와 기능을 완전히 지도처럼 매핑(mapping)하면 뇌와 마음의 질병에서 무엇이 잘못되었는지 매우 정확하게 파악할 수 있게 된다. 2009년 미국 국립보건원은 건강한 인간 뇌의 구조와 기능에 대한 지도를 구축하는 것을 목표로 '휴먼 커넥톰 프로젝트(the Human Connectome Project)를 시작했다. 2013년 유럽(휴먼 브레인 프로젝트)과 2016년 중국(차이나 브레인 프로젝트)에서도 유사한 이니셔티브가 시작되었다.

커넥톰은 뇌 속에 있는 신경세포들의 연결을 종합적으로 표현한 뇌 회로도인데, 좀 더 넓은 의미의 커넥톰은 뇌 안에 있는 신경세포 뿐만 아니라 우리 몸에 넓게 분포된 신경세포들 간의 연결망을 가리킨다.

BrainFacts.org의 휴먼 커넥톰 동영상

이 어려운 작업은 아직 몇 세대가 더 걸릴 수도 있지만, 인간의 뇌를 매핑하고 읽는 과학적 야망은 2세기 이상 거슬러 올라간다. 세계 일주가 여러 차례 이루어지고 남극 대륙이 발견되고 지구의 많은 부분이 지도화되면서 인류는 새로운 (그리고 훨씬 더 복잡한) 매핑 과제인 인간의 뇌에 대한 도전을 준비하게 되었다.

이러한 노력은 18세기 후반에 과학자들이 뇌와 그 영역이 어떻게 우리의 생각, 감정, 행동과 같은 심리적 경험을 만들어내는지에 대한 체계적인 프레임워크의 개발과 함께 본격적으로 시작됐다. 가장 초기의 시도 중 하나는 오스트리아의 의사이자 해부학자인 프란츠 요제프 갈(Franz Joseph Gall)이 개척한 뇌과학이었다.

지금은 벼룩시장에서 판매되는 장식용 흉상으로 가장 잘 알려져 있지만, 19세기 초까지만 해도 이 과학은 큰 인기를 끌었다. 갈과 그의 조수인 요한 스퍼츠하임(Johann Spurzheim)은 뇌가 35개의 심리적 기능에 따라 조직화되어 있으며, 각각 다른 기저 영역과 연결되어 있다고 제안했다.

더 큰 이두박근을 원하면 아령을 들기 시작하는 것처럼, 뇌과학에서는 특정 심리 기능을 더 많이 사용할수록 그 기저에 있는 뇌 영역이 더 커져서 두개골에 해당 덩어리가 생겨야 한다고 주장했다. 갤과 스퍼츠하임에 따르면 기억력, 자식에 대한 사랑, 살인 본능 등 일부 기능은 동물과 공유되는 반면, 재치나 시적 능력, 도덕성 등 다른 기능은 인간만의 고유한 특징이라고 한다.

대영제국 전역과 이후 미국에서는 계급주의, 식민주의, 노예제, 백인 우월주의를 정당화하는 데 동물학이 사용되었다. 빅토리아 여왕은 자녀들에게 독서를 시켰지만 나폴레옹 보나파르트는 그다지 좋아하지 않았다. 갈이 1807년 파리로 이주하여 많은 이론적 작업을 수행했을 때, 프랑스 황제는 이렇게 말했다. "그것은 기발한 우화이며, 세상 사람들을 유혹할 수는 있지만 해부학자의 면밀한 조사를 견딜 수는 없다."

1860년대에 뇌가 어떻게 작동하는지에 대한 '위치론적' 관점이 다시 부상했지만, 이 연구를 주도한 과학자들은 자신의 이론을 뇌 과학과 구별하고자 했다. 프랑스의 해부학자 폴 브로카는 30세에 '탄(tan)'이라는 음절 이외의 다른 말을 할 수 없게 된 환자 루이 빅토르 르보르뉴 덕분에 좌반구에서 언어 생산을 담당하는 부위를 발견했다. 그래서 오늘날의 '탄 환자'는 심리학에서 가장 유명한 사례 연구 중 하나로 남아 있으며, 전두피질에 있는 브로카 영역은 뇌에서 가장 중요한 언어 영역 중 하나로, 생각을 말로 표현하는 데 중요한 역할을 한다.

마찬가지로 독일의 신경해부학자 코르비니안 브로드만이 1909년에 처음 발표한 대뇌피질의 52개 영역에 대한 지도는 여전히 현대 신경과학의 중요한 도구로 사용되고 있으며, 오늘날의 신경과학자들은 이러한 선구자들과 동일한 질문을 계속 던지고 있다.

  "우리의 생각, 감정, 행동이 뇌의 집단적 작용 또는 특정 뇌 영역에 의해 생성되는 것일까, 아니면 뇌의 특정 영역에 의해 생성되는 것일까?"

현대 신경과학 연구에서는 양전자 방출 단층촬영(PET) 및 기능적 자기공명영상(fMRI)과 같은 첨단 스캔 도구를 통해 연구자들은 국소 신경 활동의 변화와 관련된 국소 혈류의 변화를 측정하여 뇌를 지도화할 수 있다. 이러한 접근 방식은 거의 한 세기 전 미국의 생리학자 존 풀턴(John Fulton)의 발견에 기반하고 있다. 풀턴은 두통과 시력 장애를 앓고 있던 월터 K라는 26세의 선원을 치료하고 있었다. 어두운 방에서 나온 후 눈을 사용할 때 환자는 시각 피질 위에 위치한 머리 뒤쪽에서 잡음이 나는 것을 감지했다. 이 강한 활동의 맥박은 담배나 바닐라 냄새를 맡을 때와 같은 다른 감각 입력으로는 재현되지 않았다.

20세기의 남은 기간 동안 국소 뇌 혈류와 뇌 기능 사이의 연관성에 대한 이 최초의 관찰은 미국의 시모어 케티와 스웨덴의 협력자인 데이비드 잉바르와 닐스 라센을 비롯한 신경과학자들에 의해 구축됐다. 이들의 선구적인 연구는 미국 로드아일랜드 주에 위치한 브라운대학의 신경과학부에서 시작된 다학제 연구 부서인 '브레인게이트(BrainGate)'의 획기적인 연구에 힘입어 현대 뇌 매핑의 길을 열었다.

첫 번째 임상시험은 《2부에서 계속됩니다》.