공간위치 : 장소세포(place cell), 격자세포(grid cell)

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공간위치 : 장소세포(place cell), 격자세포(grid cell)

모방 : 미러뉴런

장소세포와 격자세포 연구로 뇌 위치추적 메커니즘 규명

(서울=연합뉴스) 김길원 기자 = 2014년도 노벨 생리의학상은 '뇌속 네비게이션'을 처음으로 찾아낸 영국 유니버시티 칼리지 런던(UCL) 존 오키프 교수와 부부 과학자인 노르웨이 마이-브리트 모서와 에드바드 모서 등 3명에게 돌아갔다.

전문가들은 이 과학자들이 연구성과를 낸 이후 뇌의 위치추적 메커니즘이 점차 규명되고 있는 것은 물론이고, 임상적으로도 질환을 조기 발견하거나 치료하는 데에 큰 도움이 될 것으로 보고 있다.

이들의 연구성과를 정리해본다.

◇ 뇌 내비게이션 시스템 핵심 '장소세포' 발견한 존 오키프

사람들은 흔히 길을 잘 찾는 사람을 두고 '길눈이 밝다'고 한다. 1970년대 영국 런던대(UCL) 교수로 재직 중이던 오키프 박사는 바로 '길눈이 밝은 사람'이 왜 있을 수 있는지를 뇌 연구를 통해 처음으로 밝혀낸 과학자다. 

그의 연구에 따르면 길눈이 밝은 사람들이 존재하는 건 해마에 있는 신경세포의 하나인 '장소세포(place cell)' 때문이다. 해마는 대뇌의 좌·우 측두엽 안쪽 깊숙이 자리한 기관으로 기억을 저장·상기시켜 '기억의 제조공장'으로 불린다. 그중에서도 장소세포는 공간을 탐색, 기억해 구분할 수 있다. 또 장소를 옮기면 이 신경세포가 활성화돼 우리가 어디에 있는지 인식할 수도 있다.

예를 들면 서울의 택시 운전기사 머릿속에 서울시내 구석구석의 지도가 들어 있는 것과 비슷하다. 택시 기사가 손님을 태우고 목적지 근처에서 골목길을 맞닥뜨렸다면 뇌 속의 장소세포가 신호를 보낸다. 또 도로 옆 전봇대를 마주쳤을 때는 다른 장소세포가 신호를 보낸다. 택시를 몰며 마주쳤던 여러 장소의 특정 사물이나 모양새가 각기 다른 신호를 보내는 셈이다.

오키프 박사는 이런 과정을 쥐 실험을 통해 과학적으로 입증됐다.

미로상자에 쥐를 가둔 뒤 행동을 관찰한 결과, 실험 쥐는 시간이 지날수록 일정한 위치에 가면 그전에 자신이 지나갔던 기억을 떠올리면서 멈칫거리는 행동을 보였다. 오키프 박사는 해마 속 신경에 위치정보가 저장됐기 때문에 쥐가 이런 행동을 보인 것으로 분석했다. 

한국과학기술연구원 신희섭 박사는 "오키프 교수의 장소세포 연구성과로 사람들이 길을 잃지 않고 찾아가는 뇌 속 메커니즘이 설명될 수 있었다"면서 "이후 뇌질환과 관련한 후속 연구성과로 이어진 점을 고려한다면 노벨상 가치는 충분하다"고 말했다. 

◇ 네비게이션 위도·경도 역할 '격자세포' 발견한 모세르 박사 부부

뇌의 네비게이션 시스템을 구성하는 데 있어 장소세포와 함께 핵심을 이루는 게 바로 부부 과학자인 노르웨이 마이브리트 모세르(여·50)와 에드바르드 모세르(51) 박사가 발견한 '격자세포(grid cell)'다. 

오키프 교수가 발견한 장소세포가 특정 지점이나 모양새 등에 관한 기억을 보관한다면, 격자세포들은 공간과 거리에 관한 감각을 제공한다. 예들 들면 네비게이션으로 길을 찾아가는 과정에서 공간상의 위치를 보여주는 위도와 경도의 역할을 하는 셈이다.

연구팀은 2005년 네이처에 발표한 동물실험 논문을 통해 격자세포의 비밀을 공개했다. 생쥐가 상자 안에서 먹이를 찾아 다닐 때의 뇌 신호를 분석한 결과 해마 바로 옆 내후각피질의 신경세포가 집단적으로 반응했다는 게 주요 내용이다.

이같은 세포의 움직임은 위도와 경도선처럼 일정한 격자 모양으로 관찰됐다. 특히 이 격자세포들은 생쥐가 일정 간격으로 나눈 특정 지점을 지날 때만 작동했다. 상자속 생쥐가 아무런 규칙없이 움직인 것으로 보이지만 실제로는 자기가 어느 지점을 지나고 있는지 알고 행동했다는 의미다. 

과학자들은 결국 이 격자세포와 장소세포가 서로 정보를 나눔으로써 사람이 길을 찾아가도록 도와주는 것으로 보고 있다. 반대로 길을 잘 잃어버리거나 특정 장소를 찾아가지 못하는 사람들은 이 2개 세포간 대화가 효율적으로 작동하기 못하기 때문으로 보고 있다.

서울성모병원 신경과 양동원 교수는 "이번 노벨상 수상자들의 연구 덕분으로 치매환자나 길을 잘 찾지 못하는 사람, 물건 두기를 잘 잊는 사람 등의 인지능력 저하가 설명될 수 있었다"면서 "질환의 궁극적인 치료에서부터 재활에 이르기까지 연구성과가 폭넓게 적용된다는 측면에서 노벨상 수상의 의미가 크다"고 평가했다.

  

스펜서-브라운 (George Spencer-Brown)

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스펜서-브라운 (George Spencer-Brown)

거의 반평생 은둔의 삶을 살면서, 세상을 근본적으로 다시 볼 수 있는 이론과 연구 작업을 끝없이 생산하고 있는 철학자, 사상가, 수학자, 논리학자, 엔지니어. 그러나 아마도 자신이 이 세상을 떠날 때까지 그 연구 결과를 발표하지 않을 진정한 의미에서의 학자인 죠지 스펜서-브라운(George Spencer-Brown).

그가 동생과 설립한 철도 운행 관리 회사에서의 기계적 장치의 작동 방식을 설명하기 위해 쓴 『형식의 법칙 Laws of Form』은, 쓰여진 후에도 5년 동안이나 출판사를 찾지 못해 돌아다니던 중, 러셀에 의해 “유클리드 이후 이런 작업은 본 적이 없다”는 긍정적 평가를 받고 나서야 1969년, 그의 나이 46세에 출판될 수 있었다. 그리고 그 후 이 책은 마치 마르크스의 『자본』 만큼이나 지적인 불온성 덕분인지 아니면 그의 놀랍도록 간결하고 완벽한 글이 일반적 접근을 허용하지 않아서인지 오랫동안 완벽히 지적 세계로부터 무시되어 왔다.

하지만 이 책 이전까지 스펜서-브라운의 삶이 그다지 불행했던 것은 아니다. 1923년 영국 출신인 그는 1940년 London Hospital Medical College에서 17세의 나이로 첫 번째 의학 학사를 받고, 이후 2차 세계 대전 동안 영국 해군에서 3년간의 복무 후, Cambridge Trinity College에서 공부를 이어가 1950년에는 철학 우등 졸업, 51년에는 심리학 우등 졸업을 하고는 거기서 버트란트 러셀을 만나게 된다. 52년에서 58년까지 Oxford, Christ Church에서 철학을 가르치면서, 54년 옥스퍼드와 케임브릿지 양쪽에서 문학 석사 학위를 받는다. 그리고 57년 Probability and Scientific Inference를 출판한다.

이후 동생과 함께 영국 철도의 기술 컨설턴트로 일하면서, 현대적 엘리베이터 시스템의 기본적 통제 장치들을 최초로 개발하기도 했다. 이 때 영국 철도에서 사용되는 신호 방식에 대한 새로운 통제 방식에 대한 작업을 진행하면서, 그의 책에 대한 기본적 사고가 정리되었다.

이후 60년대에는 스코틀랜드 출신의 혁신적 정신병리학자인 R.D. Laing에게서 수련을 받고, 64년에는 러셀의 추천으로 University of London에서 형식 수학 강의를 하게 된다. 69년부터는 케임브릿지에서 순수 수학과 수리 통계 학과에 재직하면서, 70년대와 80년대에는 스탠포드 등에서 교환 교수로 강의를 하기도 했다.

하지만 이런 커리어와, 그의 기념비적인 작업 『형식의 법칙』이 지닌 강력한 영감에도 불구하고 그의 작업은 정당한 평가를 받지는 못했다. 하지만 그런 외면 속에서도 그는 자신이 책에서 고민한 근본적 관점, 실체, 외양, 깨달음의 세 가지가 서로 다른 것이 아니라는 사상에서 불교와의 상통을 발견하고, 그를 실천하는 새로운 정신 수양 센터를 만들기도 하였다. 그는 77년 54살이라는 나이에 누린잠깐의 결혼 생활을 제외하고는 긴 혼자만의 생활을 보내며 세상을 근본적으로 바꿀 근원적 사유를, 이제는 78권에 이르는 자신의 노트에 끊임 없이 적어 나가고 있다.

스펜서-브라운이 『형식의 법칙』에서 다루고 있는 근본적 주장은 기존의 참/거짓이라는 이항 구조에서 벌어지는 사유에 허구적 상태(imaginary state)와 시간의 문제를 도입함으로써, 마치 수학에서의 허수(imaginary number)가 그랬듯이 우리 사유를 확장할 수 있도록 해준다. 이를 통해 1계 (first-order)에서는 역설(paradox)로 배제되었던 것이, 2계(second-order)에서 모두 의미를 지니며 되돌아 온다. 그리고 이런 자기 언급적(self-reference) 명제의 가능성들은 우리의 삶과, 세계에 대한 이해의 폭을 근원적으로 변화시킨다. 그의 이런 혁명적 사상은 러셀과 화이트헤드에 의해 구축된 현재의 수학적 사고, 혹은 논리 수학과 부울 이후 튜링으로 이어진 0과 1로 구성되어 있는 현재의 컴퓨팅 기술의 기반을 한계적 사고로 파악하고, 그 너머의 사고 운동의 가능성을 제공한다.

이 혁명성을 누구보다 먼저 주목한 학자는 칠레의 반체제 생물학자이자 인지과학자인 바렐라(F. Varela)였다. 그는 2계까지 구축된 스펜서-브라운의 『형식의 법칙』을 확장하여, ‘진동자 함수(Modulator function)’의 확장 형태인 3차 이상의 고차 방정식에서의 ‘파형 함수’를 체계화함으로써 ‘외부 입, 출력’ 없이 조작적으로 폐쇄된 상황에서, 스스로 생산하는 차이를 통해 스스로를 생산, 재생산하는 생물의 기본적 운동 형태를 증명하고, 이를 ‘오토포이에시스(autopoiesis)’라 이름 붙이게 된다.

이로서 자신의 ‘지시의 산법(the calculus of indications)’이 논리 수학이라는 추상적 운동의 산물일 뿐만 아니라, 그것이 우주와 만물이 존재하는 존재와 운동의 법칙이라는 스펜서-브라운의 주장은 그 확장성을 통해 정당성을 인정받게 된다.

나아가 이 ‘조작적으로 폐쇄적인 오토포이에시스’를 사회적 시스템에 결합시킨 니클라스 루만(Niklas Luhmann)을 통해, 스펜서-브라운의 혁명적 사유는 자연적 운동을 너머, 인간 사회에서의 사회적 활동에도 적용될 수 있음을 확인할 수 있게 되었다.

그러나 여전히 스펜서-브라운은 학문적으로 바렐라나 루만의 이름 밑에 묻혀 있다. 오히려 그런 이유로 바렐라나 루만의 난해함은 더욱 증폭된다. 그들의 혁명적 사고의 뿌리에 있는 스펜서-브라운의 발본적 사고를 먼저 파악하지 않는다면, 바렐라나 루만이 지니는 그 발본성에 대한 논의는 언제나 겉돌 뿐이다. 그래서 더욱 스펜서-브라운에 대한 고민과 이해가 더 필요해지는 시점이다.