카이스트 김수용 교수의 진짜 나를 만나는 뇌 과학 특강!
한국의 1세대 뇌 과학자가 공들여 집대성한 통합과학과 인공지능의 미래!
뇌를 알아야 나를 알고 세계를 알고 미래를 안다!
“내 안의 소우주를 찾아가는 탐사가 그토록 복잡하면서도 재미있는 이유를
뇌 과학의 어제와 오늘, 내일의 맥락 속에서 하나하나 알아 가다 보면
내 몸을 움직이고 내 마음을 작동시키고 내 앞날을 상상하게 만드는
‘진짜 나’를 만나게 될 것이다.”
한국의 1세대 뇌 과학자가 『진짜 나를 만나는 뇌 과학 시간』을 쓴 목적은 분명하다...
카이스트 김수용 교수의 진짜 나를 만나는 뇌 과학 특강!
한국의 1세대 뇌 과학자가 공들여 집대성한 통합과학과 인공지능의 미래!
뇌를 알아야 나를 알고 세계를 알고 미래를 안다!
“내 안의 소우주를 찾아가는 탐사가 그토록 복잡하면서도 재미있는 이유를
뇌 과학의 어제와 오늘, 내일의 맥락 속에서 하나하나 알아 가다 보면
내 몸을 움직이고 내 마음을 작동시키고 내 앞날을 상상하게 만드는
‘진짜 나’를 만나게 될 것이다.”
한국의 1세대 뇌 과학자가 『진짜 나를 만나는 뇌 과학 시간』을 쓴 목적은 분명하다. “어떻게 하면 지능이 더 좋아질 수 있나요?” 하는 질문에 제대로 답하는 동시에 ‘공부 작업’에 갇혀 뇌가 딱딱하게 굳어 들고 있는 학생들에게 우리 뇌의 엄청난 잠재력을 똑바로 알려 주기 위해서다. 뇌는 무언가를 배우면 배울수록 뇌 속의 신경 세포 연결이 강화되면서 스스로 바뀌고 진화한다. 이것이 뇌 과학이 입증한 뇌의 잠재력이자 그 질문의 답이다. 뇌와 컴퓨터의 근본적인 차이점을 이루는 이 잠재력을 근거로, 저자는 보기 중에서 정답을 고르는 무의미한 작업은 컴퓨터에게 던져두고 우리만 할 수 있는 ‘진짜 공부’를 하자고 제안한다.
1990년대 초에 국내 물리학과에서 최초로 획기적인 뇌 연구 분야를 개척한 저자의 제안은 이런 물음으로 시작한다. “뇌 강대국들이 추진 중인 두뇌 프로젝트의 성공이 우리에게도 마냥 긍정적인 걸까요? 일본은 물론 중국마저도 뇌 연구에 막대한 투자를 하고 있는 지금 한국의 현실은 어떤가요? 미래 세계를 뒤흔들 뇌에 대한 발견들이 속속 드러나는 한편 알파고 같은 인공지능이 우리 뇌를 모방하는 상황에서, 한창 유연하게 열려 있어도 모자랄 우리 아이들의 머릿속이 딱딱한 틀에 갇힌 채 굳어가는 걸 방치할 수 없지 않은가요?”
그 대답의 일환이 『진짜 나를 만나는 뇌 과학 시간』이다. 420쪽의 분량과 목차에서 드러나듯, 우리가 알아야 할 뇌에 대한 거의 모든 것이 3부로 구성된 뇌 과학의 현재와 과거, 미래에 총망라되어 있다. 이를테면 ‘내 안의 소우주를 찾아서’에서는 뇌 과학이 최근까지 밝혀낸 뇌의 구조와 기능을 하나하나 제시한다. 그 맥락 속에서 인공지능의 학습 방법 및 지능의 실체 등이 명쾌하게 밝혀진다. ‘나를 찾아가는 방법’에서는 뇌 기능이 작동하는 원리를 찾아내기까지의 과정과 그 연구 방법을 체계적으로 살펴본다. 그 과정에서 20세기 생물학의 혁명적 발견에서부터 21세기 새로운 정신과학의 탄생을 짚어 내는가 하면 현대 물리학이 이룬 두뇌 관측 장비의 위력을 보여 준다. 그리고 ‘뇌 과학에서 나를 찾다’에서는 뇌 기능의 작동 원리를 바탕으로 정신세계의 비밀을 파헤치는 동시에 ‘자유 의지와 의식을 이해하는 문제’를 풀어낸다.
뇌 과학의 현황을 하나하나 짚으면서 그 역사적인 발자취를 맥락 속에서 찾아가다 보면, 전설적인 과학자들의 성공과 실패를 생생하게 목격하게 된다. 그에 따라 우리 머릿속에서 학습과 기억이 이루어지는 원리가 밝혀지면서 벼락치기 공부는 왜 효과가 없는지가 절로 이해된다. 나아가 집중력과 기억력을 향상시킨다는 약물을 얼마나 믿을 수 있을까 하는 의문이 제기된다. 그리하여 ‘달팽이마저도 완벽하게 만드는 반복 연습’이 진짜 지능의 원천임을 알게 되고, 생각을 하고 경험을 분석하고 상상하는 것을 우리 자신의 의지로 조절할 수 있다는 것이 얼마나 위대한 일인지 깨닫게 된다.
“어떻게 하면 지능이 더 좋아질 수 있나요?” 하는 질문이 “내가 나인 것은 내가 배우고 기억하는 것 때문이다.”라는 대답으로 나아가는 두뇌 탐구 여정을 기록하는 시간보다 그것을 다시 풀어 쓰고 또다시 고쳐 쓰는 시간이 훨씬 길었다고 저자는 거듭 말한다. 뇌 과학 시간이 독자들이 미래를 설정하는 데 도움이 되기를 바라는 마음이 그만큼 컸다는 뜻이고 뇌 과학이 그만큼 어렵다는 뜻이기도 하다. 수학·물리학·화학·생물학·의학·공학·인지 과학 등을 적용해 뇌의 신비를 밝힌다는 뇌 과학은 인간의 정체성을 알아낸다는 목표까지 세워 놓고 있지만, 뇌는 너무나 복잡하기 때문에 뇌를 이해하는 건 불가능할지 모른다는 답이 주를 이룬다. 그런데 저자는 바로 그런 이유 때문에 청소년들과 뇌 과학 공부를 함께하고자 하는 것이라고 강조한다. 복잡하고 어려운 과제를 풀어 가는 데서 더없는 성취감을 느끼는 뇌의 특성을 하나하나 밝히면서, 끊임없이 새로운 무언가를 추구하는 우리 뇌의 특성에 딱 맞는 공부를 찾으라고 하면 뇌 과학만 한 것도 없다고 역설한다.
끊임없이 변화하면서 새로운 무언가를 찾는 뇌의 특성은 위험을 동반한다. 정서적으로나 육체적으로 미숙한 때의 뇌는 말할 것도 없이 그러하다. 청소년들이 뇌 과학 시간을 통해 스스로의 내면세계를 좀 더 잘 들여다보게 되고, 그리하여 ‘진짜 나’를 찾게 되는 것이 이 책을 쓴 진짜 목적이 되는 이유가 여기에 있다. 그리고 그 목적에 다가가기 위해 청소년 또래를 각 장에 등장시킨 것이다. ‘나의 머릿속은 유일무이하며 모든 것일 수 있다’는 뜻에서 ‘하늘’과 ‘바다’로 이름 지은 두 친구가 자유롭게 주고받는 대화는 우리가 아는 뇌에 대한 지식이 아직 완성된 것이 아니라는 사실과 관계있다. 뇌에 대한 가설은 입증보다 가설로 끝나 버리는 경우가 훨씬 많다. 날마다 뇌에 관한 새로운 연구 결과가 나오고 있다고 해도 과언이 아니다. 현재 뇌 과학은 수많은 과학자들에 의해 지속적으로 만들어지고 있는 과정의 일부라는 것을 알리고, 그런 가운데 독자의 호기심과 상상력을 이끌어 내기 위해 ‘대화와 토론’의 장을 마련한 것이다.
이 새로운 시도는 복잡한 뇌 과학 연구 방법을 할 수 있는 한 다양한 각도에서 살펴보려는 노력에 다름 아니다. ‘김교수의 팁’과 ‘김교수의 R&E’도 마찬가지다. 무언가를 한 가지 방법으로만 이해하는 것은 그것을 전혀 이해하지 못하는 것과 다르지 않다. 어떤 것의 의미를 안다는 것은 그것을 이미 알고 있는 모든 사실과 맥락 속에 연결시킬 줄 안다는 것이고, 그것이야말로 생각하기의 진정한 의미이기 때문에 바다와 하늘 들이 직접 질문을 하고 대답을 찾게 한 것이다. 뇌 기능이 작동하는 원리를 하나하나 알아 가야 하는 이유를 그렇게 느끼도록 했고, ‘자유 의지와 의식을 이해하는 문제’를 뇌 공부를 해 온 맥락 속에 연결시켜 보도록 했다. 그 이유 또한 분명하다. 어떤 복잡한 문제에 직면했을 때 해답을 전혀 알지 못한다 해도 우리가 찾고 있는 것을 느끼고 통찰하다 보면 그 답을 구할 수 있다고 믿었기 때문이다.
현재 해부학계에서는 많은 사람들이 뇌를 보다 쉽게 이해할 수 있도록 우리말 용어를 새로 만들어 쓰고 있고 뇌 전문 용어의 띄어쓰기도 권장하고 있다. 이 모든 것을 적극 수용한 ‘진짜 나를 만나는 뇌 과학 시간’을 가지면서, 뇌 기능의 작동 원리가 밝혀지고 더 나아가 의식세계의 비밀이 풀리는 순간, 독자들은 내 진짜 머릿속을 궁금해하지 않을 수 없을 것이다. 물리학과 생물학을 비롯한 통합과학 전반에 대해 흥미로운 관심이 생기는 것은 기본이다. 학습과 기억 저장의 원리, 인공지능과 진짜 지능, 자유 의지와 의식 문제, 무엇보다 나 자신과 우리 인류의 미래를 진정으로 알고 싶어 하는 독자들에게 오랜 시간 공들인 이 책을 권한다.

최재천_이화여대 에코과학부 석좌교수
21세기 학문의 꽃은 단연 뇌 과학입니다. 인공지능에서 4차 산업혁명에 이르기까지 핵심은 결국 뇌 과학에 있습니다. 도대체 인간의 뇌가 어떤 존재인가를 알아내기 위해 1990년대 초부터 신경과학자, 심리학자, 컴퓨터공학자, 철학자, 진화생물학자, 물리학자 등이 한데 모여 탄생시킨 뇌 과학은 태생적으로 융합 학문입니다. 우리나라 1세대 뇌 과학자 김수용 교수님과 함께 진짜 나를 만나러 종횡무진 신나는 지적 여행을 떠납시다.

 

정재승_KAIST 바이오및뇌공학과 교수
KAIST 물리학과 김수용 교수는 물리학적인 방법으로 인간의 뇌를 탐구한 1세대 한국 과학자 중 한 사람이다. 복잡한 현상에서 근본 원리를 탐구하는 물리학자답게, 그는 이 책에서 뇌에 대한 깊은 이해를 바탕으로 뇌 과학이 걸어온 발자취를 탐험한다. 게다가 그것들을 일상에서 쉽게 발견할 수 있는 예제들로 폭넓게 설명하고 있다는 것은 이 책의 큰 매력이다. 독자들은 이 책을 통해 자신도 몰랐던 내면을 목격하는 흥미로운 경험을 하게 될 것이다.

“어떻게 하면 지능이 좋아져서 시험을 더 잘 볼 수 있나요?”
지난 30여 년간 물리학을 연구하고 가르치면서 소년기에 접하는 과학 경험이 이후의 기나긴 인생에도 큰 영향을 끼치는 것을 보아 온 저는 처음의 대답을 이렇게 보충했습니다.
“우리 모두는 유전자와 뇌로 결정되는 능력을 갖고 태어난다. 다시 말해 지능은 우리의 의지와 상관없이 결정된다. 운이 좋으면 좀 똑똑하게 태어나고 운이 없으면 덜 똑똑하게 태어나는 식이다. 그런데 정말 다행인 건, 우리 뇌가 다 완성되지 않은 상태로 태어난다는 것이다. 선천적으로 물려받은 능력이 전부가 아니라는 뜻이다. 한때 과학자들은 뇌세포는 다른 신체 세포들과 달리 거의 자라지 않으며, 10~12세가 되면 지능이 어느 정도 결정된다고 믿었다. 그런데 뇌 연구가 발전하면서 중요한 사실이 확인되었다. 우리 뇌는 무언가를 새로 배울 때마다 변한다는 것이다. …… 이것이 컴퓨터와 뇌의 근본적인 차이점이자 우리 뇌의 엄청난 잠재력이다. 찰스 다윈은 일찍이 이렇게 말했다. 아주 심한 바보가 아니라면 사람의 지성에는 개인차가 거의 없다. 단지 열정과 성실이라는 차이만 있을 뿐이다.”
생각해 보면 학생들에게 지능의 진짜 모습을 알려 주고 싶은 마음이 그때처럼 컸던 적도 없었을 듯합니다. 어린 학생들이 저마다 안고 있는 학업 성적에 대한 중압감이 너무 무거워 보인 시점에서는 제 대답이 질문으로 바뀌었습니다. …… 학생들이 답하는 ‘성공’의 모양새는 어찌도 그리 비슷한지요. 남들이 말하는 그 성공을 이루기 위해 달달 외운 정답을 골라내는 ‘공부 작업’에 길들여진 뇌가 굳어 가고 있던 겁니다. 한창 유연하게 열려 있어도 모자랄 머릿속이 딱딱한 틀에 갇힌 채로. 무언가를 새로 배울 때마다 신경 세포 연결이 강화되는 우리 뇌의 엄청난 잠재력을 알려 주어야 하는 이유가 분명해졌습니다.
(「왜 뇌 과학인가?」 7~8쪽)

우리의 정신이나 의식에 대한 생물학적 이해의 문제가 21세기 과학의 중심적인 과제로 떠오른 건 확실해 보인다. 또한 뇌 과학의 발전을 이끈 일등 공신은 다양한 두뇌 관측 장비를 발명한 과학자들이라고 해도 과언이 아닐 것 같다. 전자동 현미경이나 인공지능 기계가 하루빨리 더 발전했으면 좋겠다고 바라는 한편 이런 생각도 든다. 그보다 더 중요한 건 없을까? …… 지난 수천 년간 철학자들이 제기해 온 모든 질문을 체계적으로 연구할 수 있게 되었지만, 수백 년간 열띤 공방을 벌여 왔으면서도 아직까지 아무런 결론도 짓지 못한 ‘의식이란 무엇인가?’ 하는 과제를 풀기 위해서는 다른 무언가가 있어야 하지 않을까? 그 다른 ‘무언가’는 과연 무엇일까?
두뇌 탐사의 역사는 두뇌 지도를 만들어 가는 역사와 다르지 않다. ‘호문쿨루스 지도’부터 시작해서 현재 두뇌 역설계로 제작 중인 ‘살아 있는 뇌 신경망 지도’에 이르기까지가 그렇다. 뇌 강대국이 야심차게 추진 중인 뇌 신경망 지도가 완성되려면 100년을 기다려야 한다고 하지만, 어쨌든 우리의 뇌 지도는 새로 만들어지고 있다. 우리를 알기 위한 뇌 지도뿐만이 아니라, 나를 알 수 있는 내 안의 지도는 지금 이 순간에도 새로 만들어지고 있다. 나의 뇌 지도를 강화해 나가면서 인류의 뇌 지도를 하나하나 더듬어 가다 보면, 내가 누구인지를 들여다보게 될 것이다. 그러는 가운데 ‘진짜 나’를 만나는 시간을 갖게 될 것이다. …… 하늘이와 바다가 ‘진짜 나’를 찾아가는 길에서 그 ‘무언가’를 찾게 되길 바란다면 무리한 기대일까?
(「내 안의 소우주를 찾아서」 33~34쪽)

하늘: 시냅스 연결이 변한다는 게 핵심인 것 같은데, 뇌 과학사에서 본 웨이드 마셜은 영장류의 몸감각 겉질 지도는 고정적이며 평생 바뀌지 않는다고 했거든요. 그럼 마셜의 가설이 틀린 건가요?
김샘: 마셜이 틀렸다고 봐야겠지? 그 지도는 경험에 의해 끊임없이 바뀌고 교정되니까. 이와 관련된 연구는 1990년대에 본격적으로 나 오기 시작해. 그 결과를 잠깐 볼까? 특별한 학습이 이루어지지 않더라도, 시냅스를 통해 이루어지는 신경 세포들의 연결과 신호 전 달은 일상생활 속에서도 계속해서 변화해. 아까 우리가 점심에 구내식당에서 카레라이스를 먹었지? 우리가 그것을 기억한다면, 우 리-점심-구내식당-카레라이스에 대한 신경 세포의 연합이 새로 생겨나서 우리의 시냅스가 바뀌었다는 뜻이야. 일상에서도 쉽게 일어나는 이 변화가 바로 기억이나 습관의 원인이 되는 근본적 메커니즘이야. 그리고 신경 세포들이 이 시냅스의 세기와 개수를 바꾸는 능력이 학습과 장기 기억의 메커니즘이 돼. 이러한 특성이 바로 시냅스 가소성이고. 신경 세포들이 경험을 통해 시냅스를 강화하거나 새로운 시냅스를 만들면서 네트워크를 형성하는 이 가소성 때문에 우리 뇌가 어제가 다르고 오늘이 다른 것이 돼. 나의 뇌도 어제와 오늘이 다를진대, 나와 다른 사람의 뇌 경우는 말할 것도 없겠지?
하늘: 우리가 저마다 각자 다른 환경에서 성장하고 다른 경험을 하기 때문에 개개인의 뇌 구조가 다 다르고, 심지어 동일한 유전자를 가진 일란성 쌍둥이의 경우도 뇌 구조는 다르다는 뜻이죠? 삶의 경험이 다르기 때문에요.
바다: 그래서 내가 나인 것은 내가 배우고 기억하는 것 때문이라는 말이 나온 것 같은데, 실감은 잘 안 돼요.
김샘: 군소의 A라는 신경 세포에서 B로 가는 신호가 항상 정해진 게 아니라는 걸 하나하나 살펴보면 실감이 날 거야. 몇몇 형태의 학습은 진화 과정 내내 보존되어 유기체의 단순한 신경 회로에서도 발견될 거라는 바람에서 그 모든 것이 시작돼. 어떻게 중추 신경 계에서 학습이 일어나고 기억이 저장되는가 하는 질문을 넘어서, 어떻게 다양한 형태의 학습과 기억이 세포 수준에서 서로 연관되는가
하는 질문으로 나아갈 수 있었던 것도 마찬가지야. 이 원리를 이해하려면 신경 전달 물질을 먼저 살펴볼 필요가 있어.
(「나를 찾아가는 방법」 260~261쪽)


이 책을 쓰기로 마음먹고 나서 제가 처음부터 끝까지 염두에 둔 것은 우리의 하늘과 바다 들에게 ‘기본’ 하나만큼은 제대로 알려 주어야 한다는 것이었습니다. 어떤 정보와 어떤 지식이든 간에 맥락 속에서 하나하나 이해할 수 있기를 바라면서 말이지요. …… 복잡한 뇌 과학 연구 방법을 할 수 있는 한 다양한 각도에서 살펴보고자 한 것도 같은 이유에서입니다. 무언가를 한 가지 방법으로만 이해하는 것은 그것을 전혀 이해하지 못하는 것과 다르지 않습니다. 그 하나의 방법이 잘못될 경우 고정 관념에 사로잡혀 앞으로의 방향을 잃어버릴 수 있기 때문이지요. 어떤 것의 의미를 안다는 것은 그것을 이미 알고 있는 모든 사실과 맥락 속에 연결시킬 줄 안다는 것이고, 그것이야말로 생각하기의 진정한 의미라고 할 수 있습니다. 또한 어떤 문제에 직면했을 때 그 해답을 전혀 알지 못한다 해도 우리가 찾고 있는 것을 느끼고 통찰하다 보면 ‘신비’한 것도 어느새 ‘문제’가 되지 않겠느냐는 제안에 공감했기에 바다와 하늘 들이 직접 질문을 하고 대답을 찾게 했습니다. …… 수많은 과학자들의 노력에도 불구하고 우리가 아는 뇌는 1퍼센트도 되지 않는다는 상황에서 ‘자유 의지와 의식을 이해하는 문제’는 말할 것도 없이 그러했습니다. 바다와 하늘 들이 뇌 공부를 해 온 맥락 속에 그 엄청난 문제를 연결시켜 보기를 바랐습니다. …… 그 이유는 분명합니다. 뇌를 공부하는 시간이 나를 만나 보는 시간이 되기를 바랐기 때문입니다. 내 안의 소우주를 찾아가는 탐사가 그토록 복잡하고 어려울 수밖에 없는 이유를 하나하나 알아 가다 보면, 내 몸을 움직이고 내 마음을 작동시키고 내 앞날을 상상하게 만드는 ‘진짜 나’를 만나게 될 거라고 믿었기 때문이고요.
(「뇌 과학에서 나를 찾다」 408~410쪽)

왜 뇌 과학인가
1부 내 안의 소우주를 찾아서
1. 나는 왜 나일까?
2. ‘진짜 나’는 어디에 있을까?
3. 두뇌 탐구 지도 만들기
이리 보고 저리 보는 뇌의 생김새
진화하고 또 진화하는 뇌
발생 단계에 따른 뇌 구조와 그 기능
주름질수록 놀라운 대뇌 겉질 지도
김교수의 Tip 뇌는 본디 무엇을 하려고 생겨났을까?
대뇌 겉질 기능을 한눈에 보는 지도
한국형 대뇌 지도의 탄생
김교수의 Tip 알면 알수록 특별한 신경 세포와 시냅스
절묘하게 연결된 좌우 대뇌 반구
본다는 것의 의미
기억 형성 과정에서 만나는 나
4. ‘진짜 나’는 어떻게 만날까?
두뇌 모형으로 알아보기
뇌는 컴퓨터일까, 아닐까?
마음은 어떻게 작동할까?
나를 모방하는 인공지능
김교수의 Research & Education

2부 나를 찾아가는 방법
1. 뇌 과학사 톺아보기
뇌는 부위별로 하는 일이 서로 다르다: 모듈성의 선언
우리는 좌뇌로 말한다: 브로카와 베르니케의 뇌 영역
이마엽의 힘을 입증하다: 게이지의 꿰뚫린 앞이마
엽기적인 절제술을 고발하다: 로보토미의 추억
연결과 지형이 뇌 기능을 결정하다: 몸감각 겉질 지도
뇌 난쟁이 지도가 거인의 힘을 발휘하다: 호문쿨루스 지도
겉질의 감각 지각 능력을 의심하라: 모듈의 수상한 연결
기억의 관문을 열어젖히다: 관자엽이라는 기억 저장소
HM이 잃어버린 기억을 찾아서: 관자엽에서 해마로
김교수의 Tip 새로운 정신과학의 출현
2. 기억 해독의 역사와 모형
기억 나누기의 정석: 단기 기억과 장기 기억
기억 나누기의 심화: 무의식적 기억과 의식적 기억
기억의 결합 문제; 공간 지도와 인지 지도 사이
이름만큼 중다할까: 중다 저장고 모형
정보 처리에도 수준이 있다: 처리 수준 모형
끊임없이 수정해 나가다: 작업 기억 모형
융통성을 자랑하다: 연결주의 모형
김교수의 Tip 의식의 스위치는 어떻게 꺼질까?
3. 뇌 과학 연구 방법 따라잡기
미처 몰라봐서 미안해: 현미경과 염색법의 힘
뉴런주의를 선포하다: 뇌 과학의 아버지 카할의 등장
신경 세포는 말한다: 전기 신호, 활동 전위, 이온 통로
신경 세포와 신경 세포는 대화한다: 시냅스 건너기
기억과 학습의 다른 이름: 시냅스 바꾸기
캐고 캐도 끝이 없다: 신경 전달 물질의 정체
유전자와 시냅스 사이의 대화: 기억 강화 원리
벼락치기 공부는 왜 효과가 없을까?
세상에서 가장 수상한 단백질과 장기 기억 원리
나는 나의 시냅스다: 주의 집중의 비밀
그것이 알고 싶다: 신경 세포와 뇌 네트워크 사이
나를 들여다보는 창문: 뇌 촬영 기술의 발달
어디까지 탐사할까: fMRI와 광유전학의 내일
김교수의 Research & Education
3부 뇌 과학에서 나를 찾다
1. 궁극의 두뇌 지도
2. 진짜 나와 진짜 지능 사이
3. 자유 의지를 이해하는 문제
4. 내 마음의 미래
김교수의 Research & Education

참고자료 / 찾아보기