생명윤리포럼제 3 권제 1 호 (2014) 뇌와마음의관계 : 연구방법의원리 이도준 연세대학교심리학과, 인간행동연구소 1. 뇌신경연결망 어린시절에누구나한번쯤은 척척박사님과떠나는신나는신체탐험 같은제목의교양만화를재밌게읽은적이있을것이다. 내용은이렇다. 여러명의어린이들이비행선에탄다. 그다음, 척척박사님이발명한마이크로빔을비행선에쬐면비행선은눈에보이지않을만큼작아져서자유롭게몸속을돌아다닐수있게된다. 자, 이제부터우리가이어린이들이되어탐험을한다고상상해보자. 비행선에시동을걸고엄마나아빠의몸속으로탐험을떠난다. 그리고우여곡절끝에마침내뇌속에도달하게된다. 뇌속에서우리의눈앞에펼쳐진장면은마치우거진아마존밀림이깊은바닷속에잠긴것과비슷할것이다. 큰나무줄기들이사방으로뻗어있고가지와뿌리들이복잡하게얽혀있다. 그런데고요한바닷속심연과는달리이곳은매우소란스럽다. 여기저기작은전기불꽃들이탁탁소리를내며나무줄기를타고뿌리를향해빠르게흘러간다. 불꽃을많이튀기는나무들도있지만그렇지않은나무들도있다. 불꽃이도착한뿌리에서는오색찬란한물방울들이뿜어져나오기시작한다. 물방울들은이리저리물속을떠다니다가가까운나무의잎사귀에달라붙는다. 그리고는곧이나무에서새로운불꽃이생겨나줄기를타고달려간다. 뇌신경계는정보를입력받고연산을수행하는뉴런 (neuron, 신경세포 ) 과이들을돕는세포들로구성되어있다. 여기에서정보란빛, 소리, 온도같이외부환경에관한것일수도있고감정, 기억, 의도처럼마음상태에관한것일수도있다. 가령시각뉴런들은빛의세기와분포를분석하여다른뉴런에게알리고운동뉴런들은행위의도에관한신호를전달받아구체적인근육운동정보를생성한다. 이런면에서뉴런은마음과행동에관한가장기본적인 - 1 -
국가생명윤리정책연구원보고서 정보처리단위라고볼수있다. 뉴런하나의생김새는위치와기능에따라매우다양하지만대체로나무의모습에비유된다. 나무가지처럼사방으로뻗어있는수상돌기 ( 수상돌기, dendrites) 를통해정보를입력받고세포핵에서그정보를분석하고나면긴줄기와여러갈래의뿌리처럼생긴축색 ( 축색, axon) 을통해정보를출력한다. 뉴런안에서는활동전위라고부르는전기불꽃이정보를전달하고, 뉴런과뉴런사이에서는신경전달물질이라고하는화학물질이정보를전달한다. 이러한뉴런활동에서어떻게정신적경험이생겨날수있을까? 개개의뉴런이정보를처리하는방식은그리복잡하지않다. 뉴런은흥분성신경전달물질이억제성신경전달물질보다일정수준이상더많이입력되면전기불꽃을만들어낼뿐이다. 그러나이처럼단순한뉴런들이모여서복잡하고예측하기어려운시스템을만들어낸다. 마치새떼나곤충떼같다. 각각의개체가가진정보의양은많지않고연산능력도미미하지만수천수만의개체들이모여 지능적인 행동을한다. 인간의경이로운정신세계가작고축축하고물컹물컹한뇌에서생겨날수있는이유가여기에있다. 약일조개의뉴런들로구성된신경연결망은마음이생겨날수있는생리적인토대를제공한다. 2. 뇌와마음의관계를연구하는방법 뇌신경활동과정신활동의관계를자세히이해하기위해연구자들은다양한방법을사용하고있다. 이중에는척척박사님의마이크로비행선보다안전하면서도훨씬더정확하게사람의신경활동을연구할수있는방법도있다. 대표적인연구방법몇가지를살펴보자. (1) 뇌손상 가장오래된연구방법은뇌손상환자의행동을관찰하는것이다. 질병이 나사고로인해뇌의특정영역이손상되면환자의행동이다양한방향으로 - 2 -
생명윤리포럼제 3 권제 1 호 (2014) 바뀌게된다. 그리고여러환자들의손상영역과이상행동을비교하면일정한패턴을추론해낼수있다. 예를들어, 전두엽의아래편이손상되면예의바르고모범적인사람이무책임하고충동적인인물로바뀔수있고, 측두엽안쪽이손상되면영화 메멘토memento 의주인공처럼새로운경험을기억하는능력을잃어버리는경향이있다. 이러한연구결과들은뇌손상과정신장애의인과관계를제시하므로유익하다. 하지만뇌손상은예측불가능하고광범위한영역에서발생할뿐만아니라뇌가손상되기전환자의상태를알기어렵다는문제점이있다. 따라서연구자들은쥐나원숭이같은실험동물들의뇌를외과적으로조작한후에행동을관찰하곤한다. 그러나동물연구결과를사람에게적용할때는각별한주의가필요하다. 이러한문제점들을극복하기위해최근에는정상인을대상으로특정뇌영역의기능을일시적으로손상시키는방법이활용되고있다. 강력한자기장을두피가까이에서가하면그아래뇌영역에속한뉴런들의전기활동이영향을받는다. 이를경두개자기자극술 (transcranial magnetic stimulation, TMS) 이라한다. TMS 연구들중에는후두엽의시각피질을자극했더니시야가흐릿해졌다거나전두엽의일부를자극했더니타인의배신에둔감해졌다는결과들을보고하고있다. 그러나어느영역을어떻게자극해야하는지에관해서는아직알려진바가많지않다. 심지어 TMS는뇌기능을항진시키기도한다. 적절한강도로뇌를자극하면시야가더잘보이거나상대방에게서배신감을더강하게느낄수도있다. 전반적인신경활동을높이는효과도있어서몇년전부터는우울증환자를치료할때도쓰인다. (2) 전기신호세포측정술 (cell recording) 은뉴런에흐르는전기신호를직접측정한다. 이방법은두개골을일부들어내고머리카락보다가느다란전극을뇌조직에심는작업에서시작된다. 마치수맥을찾거나석유를탐사하는과정과비슷하다. 가장가능성이높은지점에서조금씩조금씩전극을밀어넣는것이다. 전극이탐지한전기신호는소리로변환되어스피커를통해타닥타탁하고흘러나온다. 수술이필요한만큼주로동물대상으로활용되지만, 예외적인경우에는사람의뇌를연구할때도쓰인다. 한유명한연구에서는뇌수술을앞둔환자의측두엽에전극을꼽고다양한사진들을화면에제시하였다. 그결 - 3 -
국가생명윤리정책연구원보고서 과, 제니퍼애니스톤이나할리베리같은유명영화배우와시드니오페라하 우스같은유명장소사진에각각반응하는뉴런들을발견하였다. 미세자극술 (microstimulation) 은직접뉴런에전류를흘려주고행동을관찰하는기법이다. 뉴런에삽입한전극에약한전류를흘려주면쥐가레버를누르는행동을반복하거나원숭이가한쪽방향으로시선을움직이게할수있다. 뇌수술을받는환자의뇌표면에전류를가했더니잊고지냈던어린시절기억이되살아나더라는연구결과는매우유명하다. 미세자극술을치료에응용한것이뇌심부자극술 (deep brain stimulation, DBS) 이다. 파킨슨씨병등으로인해손상된신경회로에전극을심고쇄골아래에삽입된전원을통해지속적으로자극함으로써증상을개선하는것이이치료법의목표이다. 일반대중에게는경두개직류전기자극술 (transcranial direct current stimulation, tdcs) 이 ( 상대적으로 ) 안전하고간편하다. 이방법은두피에약한전류를흐르게하여인접한뇌영역의신경활동을증진시킨다. 인터넷을찾아보면닌텐도와플레이스테이션처럼깔끔한인터페이스를갖춘장비가이미시판되고있음을알수있다. 광고문구에는집중력향상, 기억증진같은효과가명시되어있다. 어쩌면몇년후엔대입수학능력시험이나 TOEIC 시험이시작되기전에시험감독관이휴대폰과 tdcs 장비를함께걷을지도모르겠다. 현재 DBS와 tdcs의문제점은자극효과의방향이긍정적일지부정적일지미리알수없다는데있다. 뉴런들이방출하는화학물질에는흥분성신경전달물질만있는것이아니라억제성물질도있다. 신경연결망들은서로흥분시키기도하지만서로경쟁하고억제하기도한다. 따라서전두엽에전류를흘려주었을때충동성이감소할지증가할지는오로지시행착오를거쳐확인하는수밖에없다. 자극위치와세기가조금만어긋나도, 또는신경망에조금만변화가일어나도 DBS나 tdcs의효과는기대에어긋날수있다. 다행스러운점은이들방법의효과가약물요법이나뇌절제술에비해비교적높은 가역성reversibility 을가진다는것이다. 즉, 장치를제거하면시술전상태로쉽게되돌릴수있다고한다. - 4 -
생명윤리포럼제 3 권제 1 호 (2014) (3) 화학신호한뉴런의축색말단 ( 뿌리 ) 과다른뉴런의수상돌기 ( 가지 ) 사이에는시냅스라고하는틈이있는데, 이작은간격에서신경전달물질이정보를나른다. 시냅스에방출된신경전달물질의종류와양에따라서뉴런들의의사소통은복잡하게진행된다. 특정한신경전달물질이조금만모자르거나남아도정보전달이왜곡될수있다. 예를들어, 코카인은시냅스에있는도파민dopamine이라는신경전달물질의양을크게늘린다. 이렇게늘어난도파민은뉴런들을불필요하게활성화시켜서환각과환청등정신착란을유발한다. 반면시냅스의도파민이감소하면인지기능과신체움직임이둔해지고환경변화에적응하기어려워진다. 세로토닌serotonin도흥미롭다. 세로토닌은신경전달물질들로구성된오케스트라의지휘자역할을한다. 따라서세로토닌이부족하면각각의신경전달물질이남거나부족하여생기는효과가증폭되어우울증, 강박증, 과식증, 거식증, 공황장애등광범위한종류의정신질환이유발된다. 특히충동조절능력을약화시켜서세로토닌대사량이적을수록우울증환자는자살할가능성이높아지고전과자는다시범죄를저지를가능성이높아진다. 따라서미국의일부지역에서는초등학생과재소자들에게세로토닌대사량을높이는급식을제공한다. 더손쉬운방법은세로토닌이시냅스에많이잔류하도록재흡수되는것을막는약물을복용하는것이다. 그러나이약물을사용하는것이사회문제로번지기도한다. 예를들어 2008년저널 TIME은이약물이전장에투입되는미군들의전투능력을향상시키고후유증을예방하는데사용된다는점을문제제기한바있다. 최근에는개인의사회성과옥시토신oxytocine의관련성에관해많은연구가진행되고있다. 옥시토신은포유류의경우에어미와새끼의애착에중요한영향을끼친다. 애착관계는여기서더확장되어배우자와의관계와사회적관계로확장된다. 사람에게옥시토신을투여하면다른사람을믿으려는동기가커진다. 신뢰 의약물인셈이다. 한연구에서는참가자가다른참가자 ( 실제로는연구공모자 ) 와함께투자게임을진행하였다. 참가자가공모자에게돈을투자하면투자한금액은몇배로불어나게된다. 이때공모자가투자금보다적은금액을참가자에게돌려주면참가자는어떤기분을느낄까? - 5 -
국가생명윤리정책연구원보고서 정상적이라면불쾌하고속상하겠지만, 옥시토신에노출된참가자는개의치않는다. 오히려다음번에는더많은돈을투자한다. 흥미롭게도참가자는옥시토신의효과를전혀의식하지못한다. 자신의 자유의지 를따라다시투자를결정했다고믿는다. (4) 혈류량변화뉴런의전기신호와화학신호는산소와에너지를필요로한다. 뉴런활동이벌어진장소에는새로운혈액이공급되어야한다. 이글에서마지막으로소개할연구방법은혈류량의변화를측정하는양전자방출단층촬영 (positron emission tomography, PET) 과기능성자기공명영상촬영 (functional magnetic resonance imaging, fmri) 이다. 두기법모두심리작용이 동반하는 신경생리적신호를제시한다. 즉, 혈류량변화와심리적변화의인과관계를보여주지는않는다. 또한혈류량의변화를통해신경신호를간접적으로보여준다는점도유념해야한다. PET은방사성동위원소인조영제를혈관에주입하고그신호를통해신경활동을추적한다. 예를들어, 뉴런의에너지원으로작용하는글루코즈에방사성동위원소를붙여서뇌로가는혈액속에주입하면뉴런활동이활발한뇌영역에서강한양전자가방출되는것이다. PET 스캐너에서는이신호를탐지하여혈류의분포를영상으로만든다. PET의의약학적잠재력은매우높다. 도파민이나세로토닌이되는물질에방사성동위원소를붙이면뇌속의도파민과세로토닌대사량을정확히측정할수있어서진단을할때큰도움을받을수있다. 그러나방사성물질을몸속에주입해야하고그신호가시간이지날수록크게감소하기때문에사람의심리작용을연구할때는여러가지제약이뒤따른다. 반면 fmri는우리몸에자연스럽게분포한혈액의양을추적하기때문에이러한제약에서자유롭다. 참가자가거대한자석과같은 MRI 스캐너에누워다양한과제를수행하는동안뇌속의혈액분포가바뀌면서자기장에미세한변화를일으킨다. 이를분석하여신경활동이일어난장소와시간을계산하여사차원 ( 공간삼차원 + 시간차원 ) 영상으로제시할수있다. 몸안에자기장에민감한물질 ( 예, 심장박동기 ) 이없다면실험에참여할수있고무한 - 6 -
생명윤리포럼제 3 권제 1 호 (2014) 히반복참여해도 ( 아직알려진 ) 부작용이없기때문에인간을대상으로하 는뇌과학연구에널리활용되고있다. 이러한장점을바탕으로최근이십여년간 fmri 기법은눈부시게발전했다. 과거에는동물이나뇌손상환자를관찰함으로써정상인의뇌신경활동을간접적으로이해할수있었다면, 이제는정상인들이시청각을이용해지각경험을하거나과거의기억을더듬거나강렬한감정을느낄때활성화되는뇌신경영역들을손쉽게추적할수있게되었다. 최근에는 fmri 신호를분석하여참가자가보고있는영화의장면을재구성한다든지심지어잠자고있는참가자가꿈속에서보고있는장면을재현하는수준에까지이르고있다. 3. 맺음말 지금까지현대의척척박사들이뇌와마음의관계를연구하기위해사용하는방법들을간단히소개하였다. 뇌과학자들이신경신호를추출하여마음을읽어내거나신경활동을조작하여행동에변화를유발하는기법들은실로 예술의경지 에도달했다고할만하다. 그러나각각의연구방법은독특한장점과단점을가진다는점을명심해야한다. 단언컨데 과학의영역에서완벽한연구방법이란존재하지않는다. 따라서뇌과학적지식의공급자 ( 즉, 연구자 ) 는연구주제와가설에가장적합한방법을사용해야하고, 현명한소비자는각연구방법에내재된한계를이해할필요가있다. 마지막으로, 신경활동의이해와정신활동의이해를동일시하는오류에빠지지않기를바란다. 가령참가자가사랑을느낄때마다활성화되는뇌영역을발견했다고치자. 그리고이영역이손상된환자가사랑을못느꼈는데이영역에전류를가한후강렬한사랑을경험했다고치자. 그렇다하더라도사랑이라는감정에관한호기심은여전히풀리지않은채로남을것이다. 이뇌영역자체가사랑은아니기때문이다. 마찬가지로이영역이활성화되었다고해서참가자가사랑을느낀다고확신할수도없다. 뇌영역과정신기능은일대일의관계에있지않기때문에이러한역추론은오류에취약하다. 정신질환에수반되는신경활동이상에관해많은증거들이누적되어왔지만, 정 - 7 -
국가생명윤리정책연구원보고서 신질환의진단은철저하게환자의행동에근거하는이유가여기에있다. 신 경활동을근거로마음의상태를규정하는것은위험하다. - 8 -