감각과 지각, 기억과 꿈의 신비를 알아가는 놀라운 여정!

대한민국에 뇌공(뇌공부) 열풍을 불러온 박문호 박사의 10년 뇌과학 공부 집대성

구조를 이해하면 기능이 보인다! 뇌의 작동 메커니즘을 보여주는 일러스트 240컷 수록.

‘박문호의 자연과학 세상’의 뇌과학 강의, 서울대, KAIST, 불교 TV, YTN 사이언스 등의 강연과 저술을 통해 대한민국에 뇌공부 열풍을 불러온 박문호 박사의 뇌과학 공부 완결판! 지난 4년간의 강의 내용을 바탕으로, 뇌의 구조와 기능에 대한 한층 깊어진 내용을 선보인다. 뇌 기능의 해부학적 메커니즘을 상세히 설명하고 이를 어떻게 그려가며 숙달할 것인가를 안내할 뿐 아니라, 뇌과학 공부 방법론에서 의식과 기억에 관한 철학적 수준의 논의까지, 그야말로 뇌 공부의 모든 것을 밀도 있게 담았다. 복잡한 뇌의 작용을 직관적으로 이해할 수 있도록 색상, 음영의 정도와 지시선 하나까지 수정해가며 공들여 만든 올컬러 일러스트를 제시하면서 뇌 작용을 감각, 지각, 기억, 꿈 중심으로 설명했다. 

책 속에서

기억의 첫째 법칙은 대칭화다. ... 대칭 구조를 가지는 문장은 오래 기억된다. 그래서 하나의 단어를 기억하기는 어렵지만 대칭적 의미를 가지는 두 단어는 기억하기 쉽다. 곡선으로 된 부정형의 도형은 정확히 기억해내기 어렵지만 대칭적인 직사각형은 쉽게 기억된다. 다양한 형태의 벽돌로는 높은 건물을 짓기 어렵지만 일정한 대칭 구조의 벽돌로는 고층 빌딩도 지을 수 있다. 마찬가지로 대칭성이 부족한 지식은 서로 연결되어 고차적인 지식 구조를 형성하기 어렵다. 아름다운 얼굴은 대칭적인 얼굴이며, 인간이 느끼는 아름다움의 바탕에는 대칭성이 존재한다. 사물의 형태가 대칭이면 머릿속으로 그 사물을 쌓아서 다양한 입체 구조를 쉽게 만들어낼 수 있다. 석회암은 쉽게 원기둥과 직육면체로 만들 수 있다. 그래서 원기둥과 직육면체 판들로 건물과 도로를 만들어낸 그리스와 로마에서 과학과 서양 문명이 시작된 것은 우연이 아니다. 대칭 구조로 된 생활환경에서 자란 사람들은 자연히 건물 구조의 대칭성에 따라 기하학적 논리를 내면화하게 된다. 기하학에서 시작된 논리와 논증의 엄밀성은 대칭 구조가 가져다준 선물이다. _14-15쪽

뇌 구조를 알면 생각과 행동이 바뀐다. 뇌 작용을 알면 감정을 이해하게 되어 자유로워지고, 자신과 타인을 이해하는 데 도움이 된다. 뇌를 그리는 이유는 뇌 작용을 이해하는 데 가장 효율적인 공부 방식이기 때문이다. 뇌 구조를 기억하는 동안 이미 뇌의 연결이 바뀌고, 그래서 자신이 변화한다. _27쪽

그런데 자연과학 분야에 쉽게 접근할 수 있는 방법이 있다. 그것은 모든 학문은 언어학이라고 가정하고 시작하는 것이다. 그렇게 하면 개별 학문을 접근하는 방식이 달라진다. 물리학과 생물학 공부를 영어나 중국어처럼 외국어를 익히는 과정과 같다고 가정하면 분명한 실용적 효과가 생긴다. 모든 학문을 언어학이라 가정하면, 알파벳과 기본단어 공부를 시작할 수 있게 되고, 공부 방법과 효과가 분명해진다. ... 모든 학문 분야에는 핵심 용어가 있고 그 핵심 용어를 집중적으로 체득하면 그 분야가 친숙해진다. 모든 학문을 언어학이라고 개념화하면 새로운 분야에 진입할 수 있다. 새로운 분야에 익숙하지 않은 이유는 용어가 생소하기 때문이다. 어렵다고 하지 말고 익숙하지 않다고 표현하자. 뇌 구조의 명칭을 기억하자. _30, 32쪽

개나 고양이는 사건기억이 거의 없다. 사건기억이 약하니 애완견에게 어제가 어떠했는지는 묻는 것은 의미가 없다. 동물에게는 감각에 자극된 짧은 순간의 현재만 존재한다. 호랑이의 눈빛이 불타는 것은 돌출한 현전성 때문이다. 감각에 구속된 야생동물의 눈은 현재만이 존재하는 시간의 단편을 본다. 기억이라는 애매하고 복합적인 기능이 인간 뇌에서 생겨나 시간에 대한 의식이 출현한다. 대뇌피질이 진화하면서 감각입력을 직접적으로 처리하는 일차감각피질 부근에 감각을 연합하는 연합피질이 확장되었다. 그리하여 대략 200만 년 전에 대뇌피질의 면적은 두 배나 증가했다. 시각, 청각, 체감각을 연합하는 특정 뇌 영역으로 신경자극이 유입되면서 감각입력의 흥분된 흔적들이 시간이 지나도 사라지지 않는 현상이 생겨났다. 경험한 사건을 기억하게 된 것이다. 매일 이동하는 원시인에게 위험한 장소를 기억하는 것은 생존과 직결되는 능력이었다. _310쪽

장기기억은 단백질이 생성되어야 가능하다. 신경세포 말단에 삽입된 단백질 채널이 기억의 출발점이다. 단백질 채널의 생성에는 유전자가 관여하며, 시냅스는 기억이 생성되는 구체적 실체다. 신경전달물질의 전달 과정, 신경세포의 전기 작용, 그리고 신경세포의 집단적 흥분 현상을 이해해야 한다. 왜냐하면 기억이란 신경세포 집단의 흥분 현상이기 때문이다. _311쪽

창의적 사고에 관해서는 많은 의견이 있지만, 작업기억의 용량을 확장하는 것이 창의적 사고력을 높이는 효과적인 방법일 수 있다. 전문가는 장기기억을 작업기억처럼 사용하는 사람이다. 비유하자면 장기기억은 은행에 저금된 전 재산이고, 작업기억은 지갑에 있는 현금이다. 오랫동안 학습한 장기기억을 즉시 인출하여 사고에 반영할 수 있는 사람이 바로 전문가다. 창의성은 장기기억을 다양하고 새롭게 조합하는 과정에서 생기며, 기억 조합의 다양성은 기억된 정보의 양에 비례한다. 다양한 장기기억을 작업기억처럼 사용하는 사람이 바로 전문가들이다. _317쪽

미래에 대한 의식이 생기면서 무한대로 지속되는 자연의 시간에 대한 막막함을 느끼게 되었다. 그래서 인간은 시간을 의식하면서부터 영원히 지속되는 시간의 흐름을 견뎌내기 위해 시간을 반복되는 단위로 개념화했다. 즉 무한 직선적 시간을 반복 가능한 원의 형태로 바꾸어 인식하면서 반복되는 시간 주기에 생활 패턴을 결합시켰다. 계절마다 반복되는 축제의 날을 설정하여 시간의 무한한 지속이라는 감당하기 힘든 느낌을 유한한 삶 속에 조절해 넣을 수 있게 된 것이다. 무한히 펼쳐진 공간에 대한 막막한 느낌도 동서남북의 방향을 설정하여 내면에 세계의 좌표를 설정함으로써 극복했다. 무한히 펼쳐지는 시간과 공간에 대한 두려움을 뇌가 생성하는 반복되고 방향이 정해진 내면세계로 전환하여 인간은 자연에 적응해갔다. 반복되는 현상이 현실이 되며, 반복되기에 현실은 예측 가능해진다. _326쪽

꿈과 동물과 기억상실증 환자는 어쩌면 영원한 현재적 존재일 수 있다. 과거 기억을 반영한 현재 입력 처리 과정은 미래를 예견하게 한다. 전전두엽에서 지속적으로 작동하는 미래에 대한 예측은 인간에게 항상 불안감을 느끼게 한다. 그런데 불안과 걱정은 미래를 예측하는 전전두엽 예측 기능의 산물이며, 불안한 미래는 인간 정신 활동의 본질적 요소다. 불안은 우리를 현실의 안주에서 벗어나서 행동하게 만든다. 그러한 미래에 대비하는 행동들이 인간을 변화하는 자연 환경에 적응하는 동물로 만들었다. 시간 의식과 예측 능력은 해마의 일화기억에서 생겨난 놀라운 선물이다. 해마의 기억하는 능력과 전전두엽의 예측하는 기능 덕에 인간은 현재의 구속에서 벗어나 미래라는 가상의 세계를 출현시켰다. _326-327쪽

포유동물은 중생대 1억 년 동안 야행성으로 적응했다. 공룡에 쫓겨 밤이라는 새로운 생태 환경에 적응했다. 포유동물의 선조는 중생대 대부분 쥐만 한 크기였고, 밤의 어두운 환경에서 움직이려면 방향 감각과 거리 감각이 중요했다. 쥐의 해마에서 장소세포와 격자세포 그리고 머리방향세포의 존재는 진화의 놀라운 선물이다. 어둠 속에서 예민해진 청각에 의지해 주위를 살피면서 조심스럽게 방향을 정하고 구석에 숨은 곤충을 잡아먹으면서 생존했던 우리 선조들의 이야기가 쥐의 해마 속 공간 지각을 처리하는 격자세포, 머리방향세포, 장소세포 속에 새겨져 있다. 아직도 우리는 바삭바삭한 튀긴 음식을 좋아한다. 눅눅해진 감자칩은 아무도 좋아하지 않는다. ‘바삭하다’는 느낌은 맛이 아닌데 우리는 왜 그렇게도 바삭한 튀김을 좋아할까? 진화생물학자의 가설에 의하면 중생대 1억 년의 긴 세월 동안 우리 선조 포유동물의 주식은 바로 곤충이었고, 그 곤충의 키틴질 외피를 씹었던 턱 근육의 움직임이 포유동물의 진화적 기억에 새겨져 있기 때문이다. _396쪽

신피질은 순서화된 패턴 서열로 기억을 저장하기 때문에 인간 기억의 본질은 순서기억이다. ‘바람’을 거꾸로 읽으라 하면 쉽게 ‘람바’가 되지만 ‘맑은 가을 하늘’이란 구절을 거꾸로 발음하기는 힘들다. 겨우 여섯 글자를 거꾸로 회상하기는 힘들지만, 순서대로 된 글자 나열인 노래 가사는 길어도 쉽게 기억해낼 수 있다. 이는 인간이 말하는 모든 이야기는 순서화된 발음의 나열이기 때문이다. 우리는 단지 익숙한 순서로 발음하거나 행동한다. 발음이나 행동의 순서를 거꾸로 하기란 무척 어렵다. 그리고 순서 없이 말하거나 행동하기는 본질적으로 불가능하다. 정상적인 인간은 순서 없이 행동할 수 없다. 순서가 사라진 행동, 즉 목적 없는 행동은 조현병의 증상이다. _402-403쪽

반도체 메모리는 주소 라인과 출력 라인이 교차하는 지점에 기억이 저장된다. 그래서 반도체 칩에 저장된 기억 정보는 주소가 입력선에 입력되면 그 주소 번지에 저장된 기억이 출력선을 통해 인출되는 ‘주소 지정 방식’이다. 반면에 인간 뇌는 내용이 곧 주소가 되는 ‘내용 주소 방식’으로 기억을 한다. 새로운 기억이 처리되는 과정에 유사한 기존 기억 흔적을 자극하여 새로운 기억을 유사한 이전의 기억과 결합하여 저장한다. 이미 형성된 일반화된 의미기억을 그대로 이용하여 새로운 추가 부분만 첨가하는 방식으로 기억은 점차 확장되고 공고해진다. 이처럼 유사한 기존 기억이 새로운 기억 저장의 주소가 되는 기억 저장 방식이 내용 주소 방식이다. 대부분의 인간 기억은 기존의 익숙한 내용에 약간의 새로운 내용이 추가된 형태다. 내용 주소 방식은 이미 기억된 익숙한 기억 요소가 새로운 기억을 이끌어 자신의 회로에 추가하는 방식이다. 새로운 기억을 C라고 하면 C=A+B로 구성되는데, A는 이전에 대뇌피질에 저장된 기억이며 새로운 기억의 주소로 동작한다. B는 이전에 경험하지 않은 새로운 기억이다. 따라서 기존 기억에서 새로이 추가되는 기억 요소는 B이고, B가 저장될 주소는 A가 된다. 기억을 인출할 때는 두 기억이 이미 결합되어 있으므로 A와 B가 각각 완전한 기억을 회상하게 하는 단서가 되어 C라는 전체 기억이 회상된다. 이처럼 새로운 기억이 저장될 때는 유사한 기억 부근에 저장되므로 기억은 유사한 의미를 중심으로 상호연결된 구조로 저장된다. _405쪽

렘수면 꿈에서는 놀라운 장면이 맥락 없이 등장한다. 꿈에서 위태로운 몸동작이 반복해서 나타나는 이유는 꿈의 진화적 관점에서 설명된다. 낮 동안에는 위험한 현장에서 사건에 대한 도망이나 회피 반응을 학습하기가 마땅치 않다. 그래서 동물들은 안전한 보금자리에서 낮 동안 경험한 상황을 꿈으로 재연(replay)한다. 그래서 꿈에 가장 많이 등장하는 장면은 도망가는 장면이다. 꿈에서는 정교한 몸동작이 반복적으로 등장하는데, 일차운동피질에서 운동 명령이 출력되지만 뇌간의 연수에서 신경 흥분이 차단되어 척수로 전달되지는 않는다. 그래서 렘수면은 몸의 휴식이며 서파수면은 뇌의 휴식이다. 낮 동안에는 운동 명령이 출력되면 곧장 체감각피질에 운동 명령의 출력이 전달되어 운동의 결과를 미리 예상할 수 있게 된다. 그러나 꿈에서는 일차운동피질에서 운동 명령이 출력되더라도, 일차체감각피질과 일차시각피질에 운동결과로 생긴 감각은 전달되지 않는다. 그 결과 꿈에서는 감각운동환각(sensorimotor hallucinosis)이 생겨난다. 꿈은 자신의 몸동작을 센서로 연결하여 화면에 투사하는 현상과 비슷한 감각운동환각이다. _418-420쪽

꿈에서는 외부 세계의 공간과 시간 정보를 반영할 수 없으며, 정서의 강한 영향을 받는다. 그래서 꿈은 정서적 놀람 반응을 동반한 운동으로 가득하다. 외부 세계의 비교 대상이 없는 상황에서 꿈은 시각적 장면과 운동이 주도하는 환상의 세계상을 상영한다. 그래서 꿈은 꿈을 깨기 전에는 꿈인지 모른다. 꿈이라는 스스로 완결적인 세계 속에서 나는 느끼고 맹목적으로 움직일 뿐이다. 꿈속에서 나는 과거의 기억에 접근할 수 없는 기억상실 상태다. 그래서 꿈에서 나는 과거가 없는 존재지만 감정의 뇌가 영화감독이 되어 시각 이미지를 불러와서 은유적으로 상영한다. 낮의 ‘현실’이라는 영화의 감독이 전전두엽이라면 꿈속 드라마의 감독은 정서의 뇌다. _443-444쪽