신경 과학에 대한 관심

평소와 마찬가지로, 자연과학 발전의 주된 원인은 방법론적 발전입니다. 물론 개념적 발전이 뒤따르고 병행되지만, 신경과학 분야의 엄청난 확장은 가장 기초적인 수준에서의 수많은 방법론적 돌파구들에 의해 촉발되었다고 생각합니다. 이는 분자생물학 및 유전공학 분야의 발전이었으며, 이를 통해 발달 과정 및 특정 질환 연구를 위한 모델 시스템이 제공되었습니다.

이러한 기술들은 뉴런의 생화학적 및 분자적 식별을 위한 매우 가치 있는 도구들을 제공했습니다. 우리는 형태학적으로는 동일해 보이는 뉴런들이 서로 다른 분자 기전을 갖추고 있어 어느 정도 다양성이 존재한다는 것을 알게 되었습니다. 이 모든 것은 분자생물학의 발전에 힘입은 결과입니다.

제가 생각하는 두 번째 중요한 요인은 비침습적 영상 기술의 발전입니다. 이를 통해 동물 실험에서 개발된 수많은 개념을 인간 대상 연구로 전환할 수 있었기 때문입니다. 여기에는 기능적 자기공명영상(fMRI)과 양전자 방출 단층촬영(PET)이 포함됩니다.

또한, 뇌의 전기적 활동 분석에 있어 훨씬 더 우수한 공간 해상도를 가능하게 한 자기 뇌홀로그래피(magneto ence holography)의 도입은 이 분야의 상당한 확장을 이끌었습니다. 그다음으로 무시할 수 없는 요인은 방대한 컴퓨터 연산 능력의 가용성이 증가했다는 점이라고 생각합니다. 뉴런 네트워크 특성 분석에 필수적이라고 생각하는 다지점 기록 기술(multi-site recording techniques)을 신경생물학에 적용하기 시작하면서 데이터가 점점 더 복잡해졌고, 제가 이 분야에 입문했을 당시처럼 컴퓨터가 없던 고전적인 시대에 그랬듯이 단순히 데이터를 눈으로 보고 평가하는 것은 점점 더 불가능해졌기 때문입니다. 당시 저희는 긴 종이 띠를 잘라 바닥에서 움직여가며 상호 상관 분석(cross correlation analysis)을 수행해야 했습니다.

따라서 컴퓨팅 성능의 가용성은 적어도 시스템 생리학 분야를 크게 발전시켰습니다. 저는 이것이 이러한 발전에 중대한 영향을 미쳤다고 생각합니다. 그리고 마지막으로, 이러한 컴퓨터 시설의 가용성 덕분에 우리는 신경망의 특성을 이론적 수준에서 다룰 수 있게 되었습니다.

신경망이 나타내는 역동성은 매우 복잡하여, 모델링 연구와 이론적 접근법만이 근거 있는 가설을 수립할 수 있는 토대를 제공합니다. 또한, 신경 부호(neuronal codes)를 탐색함에 있어서 이러한 탐색 도구 없이는 진행이 불가능합니다. 따라서 저는 이러한 방법론적 발전들이 종합적으로 작용하여, 그 어떤 과학 분야에서도 전례가 없을 만큼 신경과학의 비약적인 확장을 이끌었다고 생각합니다.

저의 연구와 관련하여, 제 이력은 두 부분으로 나뉩니다. 처음에는 뇌의 발달 과정을 연구했습니다. 저는 특히 출생 후 경험에 의해 형성되는 발달 과정에 깊은 관심을 가졌습니다.

이러한 접근 방식의 근거는 성숙한 뇌의 구조가 매우 복잡하기 때문에, 발달 원리를 연구하여 이를 이해하고 이러한 발달 과정이 궁극적으로 무엇으로 이어질지 추론하는 것이 더 낫다고 생각했기 때문입니다. 하지만 우리가 지금 앉아 있는 바로 이 실험실에서 일어난 우연한 발견이 제 인생을 바꾸어 놓았습니다. 제 뒤의 테이블 위에 앉아 표류하는 격자 무늬를 보고 있던 깨어 있는 새끼 고양이의 일차 시각 피질에 있는 뉴런들이 매우 동기화된 진동 활동에 동조되는 것을 우연히 발견했기 때문입니다. 이는 자극의 저하나 독일의 메인 전원 스위치인 50 cycles 때문이라고 볼 수 없었는데, 40 hertz 범위의 진동이었기 때문입니다. 그렇게 저는 공간적으로 분포된 뉴런들이 상당히 넓은 거리에서 밀리초 범위의 매우 높은 정밀도로 그들의 활동을 조정할 수 있다는 것을 처음으로 확인했습니다.

그리고 이는 아마도 시간이 분산된 신경세포 반응의 조정을 위한 코딩 공간으로 사용될 수도 있다는 아이디어의 계기가 되었습니다. 저는 이 가능성이 매우 흥미롭다고 생각하여, 매우 아꼈던 분야인 발생신경생물학을 뒤로하고 이 현상을 더욱 분석하는 데 대부분의 노력을 기울이기로 결정했습니다. 이것이 벌써 거의 15년 전 혹은 그보다 더 오래된 일입니다.

그 이후로 우리는 다지점 기록(multi-site recordings)과 분산 신경망 내의 시공간적 패턴 탐색에 대부분의 시간을 할애해 왔습니다. 그 이유는 정보가 고전적으로 가정되고 확인된 것처럼 뉴런의 방전율(discharge rate)에만 인코딩되는 것이 아니라, 뉴런의 개별 방전들 사이의 정밀한 시간적 관계, 즉 제로 위상 지연 상관관계(zero phase lag correlations)에 추가적인 정보가 인코딩된다고 굳게 믿기 때문입니다. 따라서 정밀한 동시 발생은 아마도 빙산의 일각에 불과할 것입니다. 하지만 동기화된 활동은 뉴런 네트워크에서 매우 쉽게 전파되기 때문에 특히 흥미롭다는 점에서 중요한 일각입니다. 동기화된 반응은 매우 정밀한 시간적 해상도로 뉴런 반응의 돌출성(saliency)을 강화하는 수단이 됩니다.

이는 스파이크 단위로 수행될 수 있습니다. 그리고 초기 가설은 이러한 동기화가 공간적으로 분산된 뉴런들에 의해 처리되는 특징들 사이의 관계를 설정하기 위해 감각 처리의 말초 단계에서 사용된다는 것이었습니다. 그 이후로 더 많은 연구실에서 동기화 현상을 탐구하는 연구에 참여해 왔습니다.

제 생각에 이것은 EEG 기법을 적용하여 뇌의 동기화된 진동 활동을 평가하고 이러한 활동을 인지 기능과 연관시킨 RI와 같은 유럽 동료들로부터 시작되었습니다. 그 이후로 진동과 동기화의 역할은 매우 논쟁적인 방식으로 논의되어 왔습니다. 이러한 현상이 존재할지에 대한 초기 의구심들은 이제 모두 해결되었다고 생각하며, 우리는 현재 모두 그 기능적 결과에 대한 탐구에 매진하고 있습니다.

그리고 그것이 무엇을 의미하는지에 대해 수많은 가설이 존재합니다. 오늘날 우리가 직면해 있으며 대처하는 데 매우 큰 어려움을 겪고 있는 이 방대한 양의 데이터 축적이 진정한 진보를 반영하는 것일까요? 우리가 뉴런, 뉴런 네트워크 그리고 뇌 전체의 조직에 대해 점점 더 많은 사실과 세부 사항을 알게 된다는 점에서, 그것은 분명히 진보를 반영합니다.

그리고 이는 자연과학에 적용되는 고전적인 분석적 접근 방식의 필연적인 결과입니다. 하위 시스템을 분리한 다음, 이를 점점 더 상세하게 기술하는 방식입니다. 하지만 이는 과학적 노력의 절반에 불과합니다.

또한 우리에게 필요한 것은 귀납적 전략입니다. 이는 모든 데이터의 종합입니다. 그리고 현재 우리가 직면한 상황은 방대한 양의 텍스트가 존재한다는 점입니다.

우리는 기억하기 어려울 정도로 방대한 어휘를 가지고 있지만, 많은 분야에서 이러한 단어들을 의미 있는 문장으로 조합하는 구문론적 능력이 부족합니다. 특히 시스템 신경과학 분야가 그러합니다. 따라서 저는 더 많은 이론이 필요하다고 생각합니다. 조건들이 매우 복잡해졌기 때문에, 단순히 말로 설명하는 수준으로는 이러한 종합적인 과정을 파악하거나 달성하기에 더 이상 충분하지 않을 가능성이 높기 때문입니다.

우리에게는 공식적인 설명이 필요하며, 모델을 생성할 수 있게 해주는 분석 도구가 필요하고, 이를 위해서는 매우 강력한 계산 능력이 요구됩니다. 그리고 당연히 종합적인 사고를 하는 연구자들이 필요합니다. 그것이 아마도 현재 가장 중요한 요소일 것입니다.

방대한 양의 세부 정보를 의미 있는 가설이나 개념으로 묶어낼 수 있는 사람들이 있습니다. 물론 적절한 환경을 제공함으로써 이러한 과정을 촉진할 수 있으며, 전 세계적으로 보통 계산 신경과학 연구소 또는 이론 신경과학 연구소라고 불리는 기관들을 설립하여 그러한 환경을 제공하려는 노력이 이어지고 있습니다. 현재 이러한 기관들 중 상당수는 여전히 매우 고립된 상태로 존재하며, 실험 연구 기관들과 충분히 연계되지 않은 실정입니다.

이상적으로는 이론가와 실험가 사이에 매우 긴밀한 협력이 이루어지기를 바랍니다. 이는 이론 물리학자와 실험 물리학자가 질투 없이 자유롭게 협력하며 데이터와 아이디어를 교환함으로써 매우 결실을 맺어온 물리학 분야의 사례와 같습니다만, 우리 분야에서는 아직 그러한 상황이 아닙니다. 하지만 이제 생물학은 이론적 접근 방식을 의미 있게 수용할 수 있을 만큼 충분히 성숙한 임계점에 도달하고 있다고 생각합니다. 그리고 이곳 프랑크푸르트에서 저희가 프랑크푸르트 고등연구소를 설립한 이유가 바로 그것입니다. 물리학자, 수학자, 그리고 일반적인 이론가들이 실험 연구소에 소속되어 있을 때 소외되는 경향이 있다는 것을 경험했기 때문입니다.

생물학자들은 대개 이론가들의 언어로 훈련받지 않았기 때문에, 그들이 대화할 동료가 충분하지 않습니다. 그래서 면역 체계나 뇌와 같이 밀접하게 결합된 다성분 체계라는 공통점을 가진 여러 생물학적 모델 시스템을 이론가들이 연구하는 연구소를 설립하자는 아이디어가 나왔습니다. 이를 통해 이론가들이 이러한 복잡한 자기 조직화 시스템에서 공통된 원리를 발견하고, 분석 도구와 모델 구축 도구를 공유할 수 있기를 희망했습니다. 약 1년 만에 이 연구소가 0명에서 120명의 과학자로 성장한 것을 보면, 그 시도가 성공적이었다고 생각합니다.

미국의 동료들에게는 놀라운 일이 아니겠지만, 유럽에서는 상당히 예외적인 이 연구소의 특별한 구조는 오직 기부자의 개인 자금으로만 운영된다는 점입니다. 이곳은 대학 부속 연구소가 아니며 프랑크푸르트 대학교와 연계되어 있기는 하지만, 재정 지원 방식은 다릅니다. 그 이유는 이곳에서 이루어지는 연구가 진정으로 학제 간 연구이며 여러 학부를 가로지르는 성격이기에, 기존의 학부 체제 내에서는 이러한 학제 간 사업을 구축하는 것이 불가능했기 때문입니다. 따라서 독립적인 전용 건물을 마련하고 서로 다른 분야의 연구자들을 한 지붕 아래 모으는 방식으로만 이를 실현할 수 있었습니다. 비록 이러한 용어들이 처음에는 물리 체계에서 가져온 것이지만, 뇌는 분명히 자기 조직화 시스템이기 때문에 뇌의 특성 중 일부를 여전히 잘 포착하고 있습니다.

뇌에는 분산된 모든 프로세스를 조정하는 지휘자가 없습니다. 뇌는 유전자와 환경 사이의 상호작용을 통해 자기 조직화 방식으로 발달합니다. 선천적인 교육자도 없으며, 청사진 또한 존재하지 않습니다.

마지막으로, 이 용어는 우리가 복잡계에서 항상 관찰하는 현상, 즉 복잡계는 구성 요소의 특성만으로는 설명하거나 추론할 수 없는 속성을 나타내는 경향이 있다는 점에 매우 잘 적용됩니다. 뇌는 이러한 사실을 보여주는 특히 좋은 예시이며, 이는 모든 복잡계에서 나타나는 현상이므로 뇌만이 특별한 것은 아닙니다. 뇌의 특별한 점은 한편으로는 우리 주변 환경의 다른 모든 과정과 마찬가지로 3인칭 관점에서 설명될 수 있는 물질적 과정, 즉 뉴런 간의 상호작용이 존재한다는 것입니다.

그리고 이러한 신경 세포 간의 상호작용으로부터 나타나는 것이 바로 감정, 생각, 결정과 같은 정신적 현상, 즉 심리적 현상입니다. 따라서 서로 소통하고, 서로를 거울처럼 반영하며, 서로에게 속성을 부여하는 뇌 사이의 상호작용을 통해 발생하거나 생성되는 실재가 있는데, 저는 이를 사회적 실재라고 부르고 싶습니다. 여기서 뇌를 사람으로 대체해도 상관없습니다. 결국 사람을 만드는 것은 신체적 환경 속에 놓인 뇌이기 때문이며, 이러한 상호작용으로 인해 실제 현상으로 간주되어야 하는 현상들이 나타납니다. 이것들은 실재하는 것이지만, 그 기원이 되는 현상, 즉 신경 세포의 상호작용과는 다른 언어로 기술되어야 합니다. 그러므로 저는 이것이 복잡계에 의해 새로운 것이 생성되는 전형적인 창발의 사례라고 생각합니다. 뉴런에 대한 지식, 심지어 뉴런 네트워크에 대한 완전한 지식이 있다 하더라도, 그것들이 서로 상호작용함으로써 가치 체계를 발전시킬 수 있다는 점을 그 누구도 추론해낼 수는 없을 것입니다.

제가 생각하기에 뇌를 복구하려는 노력에 있어 가장 큰 문제는, 중추신경계에서 뉴런이 쉽게 재생되지 않는다는 사실 외에도, 아직 밝혀지지 않은 이유로 인해 뉴런이 일단 절단되면 돌기를 뻗으려 하지 않는다는 점입니다. 아마도 대규모의 세포 사멸을 초래하는 수준의 뇌 손상은 일반적으로 생존이 불가능했기 때문에, 그러한 메커니즘을 발달시켜야 할 진화적 압력이 없었을 것입니다. 손상된 뉴런 네트워크를 복구하는 데 있어 가장 큰 난관은 발달 과정을 그대로 재현하기 어렵다는 점입니다.

성숙한 뇌는 발달 과정 전반에 걸쳐 변화하는 유전자와 점차 분화되는 세포 환경 사이의 상호작용을 통해, 복잡한 자기 조직화 과정 속에서 단계적으로 발달한 매우 정교한 회로망을 특징으로 합니다. 그리고 이 과정은 기본적으로 상향식(bottom-up) 과정입니다. 말초 구조가 먼저 성숙한 다음 임계기를 거치며 연결성이 고정되면, 더 높은 단계의 구조들은 이미 구축된 기반을 바탕으로 기존의 상태에 따라 스스로 조직화됩니다.

이러한 과정은 인간의 경우 20세까지 계속되며, 그 이후에는 회로가 고착되어 그 시점에 형성된 뇌를 가지고 살아가게 됩니다. 학습과 신경 가소성에 의한 추가적인 수정이 가능하지만, 이는 제한적입니다. 이제 만약 줄기세포 주입 등을 통해 더 높은 수준의 처리 단계에 있는 뉴런을 대체한다고 가정해 보겠습니다. 우리는 이러한 전구세포들이 뉴런으로 분화될 수 있다는 점을 이미 알고 있지만, 문제는 이들이 상호작용해야 할 파트너 뉴런들을 찾아낼 수 있을 것인가 하는 점입니다.

축삭 성장과 특정 연결의 형성을 유도했던 발달 과정 중의 정보가 여전히 남아 있을까요? 우리는 상당 부분 이러한 정보가 더 이상 이용 가능하지 않다는 점을 알고 있습니다. 왜냐하면 필요한 마커 분자를 발현시키기 위해 필요한 유전자들이 발달이 끝나면 더 이상 작동하지 않기 때문입니다. 따라서 아마도 필요한 것은 뉴런과 당연히 글리아 세포로 분화할 수 있는 세포를 공급하는 것뿐만 아니라, 발달 과정 동안 활성화되어 세포가 누구와 어디에 연결되어야 하는지를 지시하는 데 필요한 모든 분자 기제의 발현을 이끌었던 유전자들을 다시 켜거나, 생물체가 이를 켤 수 있도록 돕는 일일 것입니다.

그리고 당연히 쉽게 재설치할 수 없는 것은 학습 과정으로 인해 형성된 특유의 배선과 시냅스 연결의 조정 상태입니다. 새롭게 통합된 뉴런들은 당연히, 사라진 뉴런들의 형태와 구조 및 기능에 각인되었던 경험에 대한 기억이나 회상을 가지고 있지 않을 것입니다. 따라서 회복 능력에는 특정한 한계가 존재합니다.

우리가 인지하고 있듯이, 뇌에는 이러한 문제가 덜 발생하는 특정 부위들이 있습니다. 이는 자연이 신경세포의 평생 재생을 예견하였고, 해마나 후각구에서와 같이 이러한 지속적인 신경세포의 재생과 삽입을 촉진하는 데 필요한 기전을 그대로 유지해 왔기 때문인 것으로 보입니다. 하지만 이러한 문제가 심각하게 발생하는 다른 구조들의 경우, 아직 만족스럽지는 않지만 어느 정도 성공을 거둔 초기 대체 시도들은 위상적 특이성이 그리 큰 문제가 되지 않는 조절 시스템에서 이루어졌습니다. 이러한 시스템들은 특정 수준의 흥분도를 유지하는 데 필요한 특정 전달물질을 방출하는 내분비 또는 주변분비 시스템과 더 유사하게 작동합니다.

이러한 시스템은 특이성 문제가 덜하기 때문에 더 쉽게 교체 가능하지만, 실제로 어디까지 도달할 수 있을지는 앞으로 지켜봐야 할 것입니다. 성체에서 성장을 억제하는 인자들을 저해하고, 발달 과정 중에 작동하여 성장을 촉진하는 메커니즘을 활성화함으로써 여러 척수에서 축삭 성장을 재유도하는 매우 유망한 접근법들이 분명히 존재합니다. 이 분야에서 고무적인 성공 사례들이 있지만, 신경 활동이 여전히 유지되고 있는 부위에서 이를 기록한 다음 기계적 장치와 컴퓨터 인터페이스를 통해 운동 계통의 동작으로 변환할 수 있는 작동기를 활성화하는 신경 보철물 옵션 또한 매우 진지하게 고려해야 합니다.

반대로 감각 기관 측면에서 보면, 인공 와우는 이미 매우 훌륭하게 작동하고 있습니다. 현재는 망막 변성이 있는 사람들에게 기본적인 시각 기능을 다시 부여하기 위해 망막 임플란트를 개발하려는 시도가 이루어지고 있습니다. 또한, 빛 차단 철 이온 채널(light gated iron channels)을 망막 세포에 삽입하는 매우 유망한 방법이 있는데, 이를 통해 평상시에는 빛에 반응하지 않는 신경절 세포나 양극 세포 같은 세포들이 빛에 민감해지게 됩니다. 결과적으로 광수용기가 퇴화하면서 소실된 기능의 일부를 2차 또는 3차 뉴런으로 빛 민감성을 전이시킴으로써 원칙적으로 복구할 수 있게 됩니다.

이는 이미 동물 실험에서 가능합니다. 이는 추구해 볼 만한 또 다른 유망한 방안이 될 수 있습니다. 유럽은 19세기 말 개념 개발에 있어 매우 강력한 전통을 가지고 있으며, 이후 실험 신경생물학의 토대를 어느 정도 제공한 선구적인 인물들을 배출했다고 생각합니다.

그들은 또한 유럽에서 활동해 온 수많은 시스템 생리학자들의 학문적 뿌리가 되기도 했습니다. 제 생각에 유럽의 시스템 신경과학에는 훌륭한 전통이 있는데, 선형 시스템 이론이 여전히 정점에 있던 시절, 즉 사이버네틱스라고 불리던 당시에 유럽에는 예를 들어 rehad와 같은 매우 강력한 지지자들이 몇 분 계셨습니다. 그 후, 다른 어느 곳과 마찬가지로 유럽에서도 이코닉 턴(iconic turn)이라기보다는 분자적 전환(molecular turn)과 같은 흐름이 있었고, 분자생물학이 주류가 되면서 시스템 지향적인 많은 접근 방식들을 대체하게 되었습니다.

부분적으로는 초기에는 전신 동물 모델을 사용하는 것보다 비용이 더 저렴했기 때문이며, 또 다른 이유는 비침습적 기술이 가용하지 않아 동물 실험에서는 불가능했지만 현재는 인간 피험자에게 수행할 수 있는 특정 작업들이 있었기 때문입니다. 하지만 유럽에서는 기초 연구와 관련하여 동물 보호론자들과 치열한 논쟁을 벌여야 하며 이는 매우 중대한 문제임에도 불구하고, 시스템 생리학 분야에서 강력한 부활이 일어나고 있다고 생각합니다. 가능성이 있는 실험실이라 하더라도 영장류 실험 허가를 받는 경우가 점점 줄어들고 있으며, 여전히 허가를 보유한 이들도 그 수가 적어지고 있습니다.

우리 역시 대중의 비판에 많이 노출되어 있는 상황이지만, 그럼에도 불구하고 시스템 신경과학은 르네상스를 맞이하고 있습니다. 뉴런과 소규모 회로의 특성으로부터 수집되는 방대한 데이터를 이해하기 위해서는 시스템 신경과학이 더욱 필요할 것이기에, 여기에는 타당한 이유가 있다고 생각합니다. 그리고 이러한 데이터들은 뉴런 코드의 본질, 뇌 영역 간의 협력, 프로세스의 전역적 조정, 그리고 분산 처리와 같이 시스템 신경과학에서 도출된 개념들이 있어야만 통합될 수 있습니다.

이 모든 질문들은 현재 뜨겁게 논의되고 있으며, 우리는 이러한 방향으로 더 많은 실험을 수행해야 합니다. 그리고 유럽이 이를 수행하기에 나쁜 상황은 아니라고 생각합니다. 이스라엘 또한 마찬가지이며, 이스라엘 동료들의 상당한 기여, 특히 개념적 기여를 잊어서는 안 됩니다.