위의 그림에서 보듯이 우리 뇌는 온통 주름투성이 입니다. 인간의 뇌는 다른 동물들의 뇌에 비해 그 크기도 크지만, 주름이 무척이나 많은데, 이렇게 주름이 많아지면 뇌의 체적이 같다고 하더라도 펼쳤을 때 면적은 훨씬 넓어지기 때문에 다른 동물들보다 차별되는 뇌를 가졌다고 할 수 있습니다. 뇌의 주름은 뇌조직 부분을 gyri, 그 사이의 홈에 해당하는 부분을 sulci 라고 합니다. 일부 gyri 와 sulci 는 이름까지도 가지고 있는 중요한 부위입니다. 그렇지만, 이들의 모습은 사람마다 많이 다르다고 알려져 있습니다.
흔히 가지고 있는 뇌에 대한 믿음 중에, "뇌에 주름이 많으면 똑똑하다"라는 것이 있습니다. 일견하기에는 다른 동물들과 인간을 구별하는 특징 중에 하나이기 때문에 맞는 것처럼 보입니다만, 이는 사실과 다릅니다. 물론 인간이 태아시기에는 주름이 거의 없는 작은 뇌를 가지고 태어납니다. 그리고, 점점 자라면서 신경세포들도 자라고, 신경세포들이 뇌의 다른 부위로 이동도 하며, sulci 와 gyri 도 만들어내기 시작합니다. 그런데, 뇌가 어른 수준의 주름을 가지는데에는 뇌의 크기는 작더라도 40주면 충분합니다. 그러니까, 돌이 채 되기 전에 주름 구조는 거의 완성이 되는 것입니다. 이 때부터는 커다란 주름의 구조는 많이 배우고, 똑똑해지는 것과는 상관없이 거의 변하지 않습니다. 물론, 숙련되거나 교육 등에 의해 특정 gyri 등이 커지거나 할 수 있지만 커다란 두뇌의 손상이 나타나는 경우를 제외하고는 전반적인 구조가 바뀌는 일은 없습니다.
물론 우리의 뇌는 무언가를 배우고 익힐 때마다 계속 변합니다. 그렇지만, 새로운 sulci 나 gyri 를 만들어내지 않는다는 것입니다. 이렇게 무언가를 학습할 때마다 변하는 현상을 "뇌의 소성(brain plasticity)"라고 합니다. 쥐와 같은 동물의 뇌에 대해 변화를 관찰하는 연구결과를 보면 신경세포간의 연결을 담당하는 시냅스(synapse)나 신경세포를 지원하는 혈구세포(blood cells)의 수는 늘어납니다. 일부 연구자들은 새로운 기억이나 경험이 만들어질 때마다 새로운 신경세포가 생겨난다고 주장하기도 합니다만, 포유류의 뇌에서는 아직 가설 수준으로 남아 있습니다.
우리의 뇌를 잘 이해하기 위해서는 어떻게 하면 될까요? 한가지 방법은 디지털 모델을 하나 만들어서 우리 뇌의 모든 기능을 복제한 뒤에 이를 분석하는 방법이 있을 것입니다. 최근의 과학의 발전으로 이러한 작업이 앞으로 10년 이내에는 가능하리라는 전망이 나오고 있습니다.
뇌는 수조개의 시냅스와 수십억 개의 신경세포들, 그리고 수백만 종류의 단백질과 수천 종류의 유전자로 구성되어 있습니다. 실제로 우리의 뇌를 컴퓨터로 복제하는 프로젝트는 Lausanne에 위치한 스위스 연방기술연구소(Swiss Federal Institute of Technology in Lausanne)가 주도가 되어 2002년에 Brain Mind Institute
(BMI) 를 설립하면서 실체화 되기 시작했습니다. 이 연구소에서는 수퍼컴퓨터에 지난 수십년간 수집한 뇌가 동작하는 방식에 대한 정보의 조각들을 모아서 모델로 정립하고, 연구자들이 뇌의 전기-자기-화학적 패턴을 이해함으로서 우리 뇌의 인지능력이 어떻게 변화하는지 이해해 나가는 작업을 진행 중에 있습니다. 예를 들어, 우리의 눈으로 무엇인가를 본다고 하는 것은 실제로는 우리의 뇌에 투사가 된 것을 인지하는 것으로 해석할 수 있습니다.
BMI에서는 2005년부터 IBM 수퍼컴퓨터들의 도움을 받아서 뇌의 분자/세포 수준의 동작방식에 대한 역공학(reverse engineering) 기법을 이용해서 컴퓨터에 담아내는 Blue Brain Project를 시작했습니다. 이 프로젝트의 궁극적인 목표는 우리 뇌의 모든 부분을 수퍼컴퓨터 내에 모델링하는 것입니다. 무모하게 보이는 이 프로젝트도 10년 이내에는 어느 정도 가시적인 성과를 낼 것으로 기대하고 있습니다.
미국에서는 DARPA(The
Defense Advanced Research Projects Agency)가 IBM의 Almaden 리서치 센터에서 작년부터 $490만 달러 정도의 연구자금을 들여 "SyNAPSE"라는 프로젝트를 시작했습니다. 이 프로젝트 역시 뇌의 컴퓨터 연산 능력을 역공학하는 형태의 접근을 하고 있는데, 특히 뇌가 어떻게 다양한 자극에 대한 감각을 감지하고, 인지하고, 행동하는지에 초점을 맞추고 있습니다. 현재까지는 뇌가 어떻게 동작하는지 제대로 이해하고 있지는 못하지만, 이제는 모아둔 정보를 한데 모아서 시뮬레이션을 해볼 수 있는 수준의 많은 데이터와 정보들이 축적되었다고 합니다. 이들 과학자들의 견해에 따르면, 아마도 2018년 정도면 슈퍼컴퓨터를 이용해서 우리의 뇌를 시뮬레이션하는 프로젝트가 시작될 수 있을 것으로 예측했습니다.
제가 박사학위 과정을 공부했던 USC에도 이와 비슷한 프로젝트를 진행하던 그룹이 있었습니다. 기억력 칩을 연구하던 Dr. Berger 그룹입니다. 이들은 뇌에서 단기 기억력을 지배하는 해마(hippocampus) 지역에 대한 연구를 집중적으로 수행하고 있습니다. 연구방식은 역시 역공학 방법을 이용하는데, 쥐의 뇌의 해마 지역의 신호를 면밀하게 기록했다가, 연결부위를 파괴한 뒤에, 그 부위에 FPGA 칩을 박아서 그동안 기록된 신호들을 바탕으로 파괴가 된 부분을 칩이 대신할 수 있도록 하는 연구를 하고 있습니다. 이미 상당한 성과를 내고 있지만, 제대로 결과가 나오려면 앞으로 10년 정도는 소요될 것으로 예상하고 있습니다.
이와 같이 아직은 우리가 우리의 뇌가 어떻게 이해하고, 동작하는지 제대로 모르지만, 인간이 가지고 있는 컴퓨팅 환경이 빠른 속도로 발전하면서 점점 시뮬레이션에 의해 비슷하게 동작하도록 하는 방식의 접근이 현실화되고 있습니다. 앞으로 10년 뒤 정도면 훨씬 빨라진 컴퓨팅 파워와 메모리를 바탕으로 우리 인간과 비슷하게 생각하는 거대한 슈퍼컴퓨터가 등장하게 될지도 모릅니다. 너무 SF 소설 같나요? 그렇지만, 소설에 나오던 것은 대부분 이루어집니다. 2001 스페이스 오디세이에 나오는 HAL 9000 을 볼 날이 머지 않은 듯 합니다.
