신경 과학: 정신이 작동하는 방식을 이해하는 방법
신경 과학 (Neuroscience)의 목표는 전통적으로 신경계가 어떻게 기능하는지를 이해하는 것이었다. 기능적으로나 구조적으로나, 이 연구를 통해 뇌가 어떻게 구성되어 있는지 아는 것이 목표다. 최근에는 뇌가 어떻게 작용하는지 뿐만 아니라 뇌가 우리의 행동, 생각, 감정에 미치는 영향에 대한 연구로 확장되었다.
물리적 뇌를 개념적인 마음과 연관시키는 것이 인지 신경 과학이 하는 일이다. 그것은 신경 과학과 인지 심리학의 혼합체다. 후자는 기억력, 언어, 주의력과 같은 상위 기능의 지식을 다룬다. 인지 신경 과학의 주된 목표는, 뇌의 기능과 인지 능력 및 행동 사이의 연관성을 발견하는 것이다.
새로 개발된 기술 덕분에 이 분야에서의 새로운 연구가 가능해졌다. 신경 촬영법 덕분에 물리적인 구조와 다른 기능 사이의 연관성을 찾을 수 있었다. 특히 유용한 기능은 기능적 자기 공명 기록법(functional MRI)이다. 비침습적 자기 경두개자극장치(non-invasive transcranial magnetic stimulation) 역시 다양한 병리학적 조건을 치료하는 목적으로 개발되었다.
신경 과학의 시작
신경 과학의 시작에 대해서는 뉴런의 교리를 창시한 산티아고 라몬 y 카젤(Santiago Ramon y Cajal)을 언급하지 않고는 말할 수 없다. 신경계의 발달, 퇴화, 재생의 문제에 대한 그의 업적으로 인해 오늘날에도 여전히 많은 과학자들은 끊임없이 그의 연구를 공부하고 있다. 신경 과학의 시작은 대략 19세기다.
현미경의 발달과 함께 규율도 발전했다. 조직 염색과 같은 실험적 기법과 신경계의 구조와 기능에 대한 연구 또한 많은 도움이 되었다.
하지만 신경 과학과 두뇌가 어떻게 작용하는지에 대한 우리의 이해는 많은 다른 분야의 지식에서 발전했다. 신경 과학의 많은 발견들은 다분야적이라고 할 수 있다.
신체의 복잡한 내부 부위에 대한 연구에는 해부학이 크게 기여했다. 생리학은 신체가 어떻게 작용하는지에 초점을 맞추었고, 그에 따라, 약리학은 신경 전달 물질과 같이 신체 자체에 의해 분비되는 물질을 이용하여 외부 물질이 신체에 미치는 영향, 우리의 생화학에 대한 연구를 발전시켰다.
또한 심리학은 행동과 사고에 관한 이론을 통해 신경 과학에 중요한 기여를 했다. 수년 간 심리학은 지역주의적 관점에서 벗어나려는 노력을 해왔다. 이 관점은 뇌의 각 부분이 특정한 기능을 가지고 있다는 것이다. 그러나 이제 연구원들은 뇌의 전반적인 기능을 이해하는 것을 목표로 좀 더 기능적인 관점을 취하고 있다.
인지 신경 과학
신경성은 광범위한 과학적 연구 분야다. 그것은 근본적인 연구에서부터 근본적인 행동 메커니즘의 영향을 받는 응용 연구에 이르기는 다양한 범주를 포함한다. 신경 과학 내에서의 인지 신경 과학은 언어, 기억, 그리고 의사 결정과 같은 더 높은 기능들이 어떻게 작용하는지를 이해하려고 노력한다.
인지 신경 과학은 정신적 과정의 신경 분야에 초점을 맞추고 있다. 다시 말해, 우리의 행동과 생각이 뇌에 어떤 영향을 미치는가?에 대한 질문의 답을 찾는 과정이다. 우리는 감각과 운동 기능을 담당하는 뇌의 특정 영역을 발견했지만, 전체 피질의 4분의 1밖에 되지 않는다.
연관 영역에는 특정 기능이 없지만, 여기에서는 감각과 운동 기능을 해석하고 통합하고 조정한다. 이러한 기능 때문에 뛰어난 정신적 기능의 일부라고 할 수 있다. 기억, 생각, 감정, 의식, 그리고 성격과 같은 기능을 지배하는 뇌 영역들은 찾기가 훨씬 더 어렵다.
기억은 해마와 연결되어 있다. 이는 뇌의 중앙에서 발견된다. 감정에 관한 한, 우리는 대뇌 피질 시스템이 갈증과 배고픔, 공격성 그리고 감정을 조절한다는 것을 알고 있다. 두뇌가 인지 능력을 통합하는 것은 피질이다. 여기서 우리의 인식 능력이 만들어진다. 관계를 정립하고 복잡한 추론을 하는 곳이기도 하다.
뇌와 감정
인지 신경 과학이 우리가 이해하는데 도움을 준 한가지 영역은 바로 감정의 영역이다. 감정은 인간의 삶에 결정적이다. 우리 모두는 그것들을 경험한다. 우리는 본능적인 운동 변화와 전형적인 육체와 운동 반응, 특히 안면 근육의 움직임을 통해 모든 감정을 표현한다.
전통적으로, 연구자들은 감정이 변연계에서 비롯된다고 믿어왔다. 이것은 아직 기정 사실이지만, 우리는 뇌의 다른 부분도 연관되어 있다는 것을 알 수 있었다.
이 다른 부분들은 전두엽의 원형과 안쪽 부분들을 포함한다. 이 부분은 서로 함께 작용하여 감정 운동 체계를 형성한다. 감정 신호를 처리하는 이 부분에서는 합리적인 의사결정과 심지어 도덕적인 판단과 같은 다른 작업도 담당한다.
본능적인 운동 핵과 체세포의 운동 신경이 우리가 감정을 표현하는 방법을 조정한다. 자율 신경계의 정서와 활성화는 밀접하게 연관되어 있다.
공포나 놀라움 같은 감정은 심장 박동의 증가, 땀의 증가, 오한 등의 현상을 수반한다.
감정은 다른 사람들에게 우리의 마음의 상태를 알려 주는 도구다. 인간이 공통적으로 기쁨, 슬픔, 분노 등을 어떻게 표현하는지는 입증되었다. 감정은 우리가 타인과 소통하고 공감하기 위해 필요한 방법 중 하나다.
기억, 뇌의 저장
인지 신경 과학이 다루는 한가지 영역은 기억이다. 기억은 학습된 정보의 암호화, 저장, 검색을 포함하는 기본적인 심리적 과정이다. 우리 일상 생활에서 가지는 기억의 중요성은 그에 관련된 연구를 광범위하게 촉발시켰다. 또한 많은 병리학적 문제들이 기억 상실증과 함께 발생하기 때문에 망각은 많은 연구의 주요한 주제이다.
우리의 기억력이 중요한 문제인 이유는, 우리의 정체성의 많은 부분을 차지하기 때문이다. 반면, 건망증은 병으로 분류되지만, 사실 우리의 뇌는 새로운 정보를 위한 공간을 만들기 위해 쓸모 없는 정보를 버려야 한다. 뇌는 일종의 재활용 전문가라고 부를 수 있다.
기억을 사용하거나 사용하지 않음에 따라 신경 연결이 변한다. 우리가 정보를 가지고 있지만 사용하지 않을 때, 신경 연결은 약해지다가 곧 소멸한다. 마찬가지로, 새로운 것을 배울 때 새로운 신경 연결이 발생한다. 우리가 새로운 것을 배우고 기존의 지식과 연관시킬 수 있다면 기억하기가 더 쉬워진다.
기억력이 어떻게 작용하는지에 대한 우리의 이해는 특별한 기억 상실증을 가진 사람들에 대한 연구를 이어, 크게 확장되었다. 특히 단기 기억력과 선언적 메모리의 통합을 더 잘 이해할 수 있게 되었다.
가장 유명한 사례는 H.M.의 사례다. 그는 새로운 기억을 만드는데에 있어서의 해마의 중요성을 강조했다. 하지만 대뇌, 1차 운동 피질, 그리고 기초적인 괴저감이 운동 기억을 조절한다.
언어와 화법
인지 신경 과학은 또한 언어에도 큰 연관성이 있다. 언어는 우리를 다른 동물들과 구별해 주는 기술이다. 이렇게 정확하고 많은 미묘한 차이를 가지고 우리의 생각과 느낌을 전달하는 능력이기 때문에 언어는 가장 풍부하고 가장 유용한 의사 소통 수단으로 만든다. 인간에게 있어 독특한 이 기술은 많은 연구에 영감을 주었다.
인간 문화의 성취는 부분적으로 언어에 기반을 두고 있다. 정확한 의사 소통이 가능하기 때문이다. 언어 능력은 측두엽과 전두엽에 있는 대뇌 피질 내의 몇 가지 영역에 따라 달라진다. 대부분의 사람들에게 언어의 주요 기능은 좌뇌에서 발견된다.
오른쪽 반구는 언어의 감정적인 내용을 다룬다. 뇌의 이러한 부분들에 대한 특정한 손상은 필수 언어 기능을 손상시킬 수 있다. 실어증이 생길 수도 있다. 실어증은 사람에 따라 약간씩 다른데, 어떤 사람은 표현에 어려움이 있을 수 있고 언어를 만들고 이해하는 데 어려움이 있을 수 있다.
언어나 생각도 뇌의 단 하나의 영역에 의존하지는 않는다. 오히려, 다른 구조들 사이의 연관성에 의존한다. 뇌는 우리가 생각하거나 말할 때, 영역 사이의 연관성을 만들어 낼 정도로 조직적이고 복잡한 방식으로 작동한다. 또한 이전의 지식은 피드백으로 작용해 새로운 지식에 영향을 미친다.
인지 신경 과학의 위대한 발견
이 기사 안에서 중요한 신경학적 연구를 모두 설명하기에는 무리가 있다. 다음은 가장 중요한 연구 결과 중 일부다. 이러한 연구 결과는 우리의 뇌가 작동하는 방식에 대한 우리의 생각을 완전히 바꾸어 놓았고 새로운 연구 방법의 길을 열었기 때문이다. 다음은 인지 신경 과학과 일반적인 신경 과학의 중요한 실험적 연구의 선택이다.
- 신경증(Ericksson, 1998). 1998년까지 우리는 신경계가 발달하는 동안 신경성 경화증이 발생한다고 생각했다. 우리는 이 기간 이후 신경 세포가 죽고 새로운 신경 세포가 생성되지 않는다고 오해했지만, 에릭손의 연구 결과 이후 과학자들은 신경증은 나이가 들어도 일어난다는 것을 알게 되었다. 뇌는 이전에 생각했던 것보다 더 유연하고 적응력이 강하다.
- 양육, 인지 및 감정 발달에 대한 접촉(Lupien, 2000). 이 연구에서 과학자들은 아기들이 자라는 동안 신체적 접촉이 중요하다는 사실을 발견했다. 신체 접촉이 거의 없는 아이들은 인지 기능의 결핍에 더 취약했다. 우울증과 높은 스트레스 적인 상황은 다른 아이들에 비해 아이들의 관심과 기억력에 더 많은 영향을 미쳤다.
- 거울 뉴런의 발견(Rizzolatti, 2004). 신생아들의 모방하는 버릇을 계기로 이 연구가 시작되었다. 우리가 다른 사람들이 임무를 수행하는 것을 보았을 때 촉발되는 뉴런은 거울 뉴런임을 알게 되었다. 이 발견되었다. 이 뉴런은 모방을 촉진할 뿐만 아니라 감정 이입을, 더 나아가 사회적 관계를 촉진한다.
- 인지 유보(Petersen, 2009). 인지 유보의 발견은 매우 중요하다. 이는 뇌가 입은 부상에 대해 스스로 보상하는 능력을 뜻한다. 수년 간의 학교 교육, 일, 독서 습관, 그리고 사회적 네트워크와 같은 다른 요소들이 모두 이러한 능력에 영향을 미친다. 사실, 높은 인지 능력은 알츠하이머 병과 같은 질병의 손상을 약화시킨다.
인지 신경 과학의 미래
인간 두뇌 프로젝트는 유럽 연합이 지원하는 프로젝트다. 이 프로젝트는 정보 통신 기술(ICT)기반 인프라 구축을 목표로 하며, 이 인프라는 전 세계 과학자들에게 신경 과학 분야의 데이터베이스를 제공할 것이다. 목표는 ITC를 기반으로 5개 플랫폼을 개발하는 것이다.
- 신경 정보학은 전 세계 신경 과학 연구의 자료를 제공할 것이다.
- 뇌 시뮬레이션은 사람이 할 수 없는 실험을 수행하기 위해 정보를 통합 컴퓨터 모델에 통합할 것이다.
- 고성능 컴퓨팅은 신경 과학자가 데이터 모델링 및 시뮬레이션에 필요한 대화형 슈퍼 컴퓨팅 기술을 제공한다.
- 신경 정보학 컴퓨팅은 뇌 모델을 새로운 등급의 하드웨어 장치로 변형시켜 적용을 테스트할 것이다.
- 신경 로봇은 신경 과학과 산업 분야의 연구원들이 이 프로젝트에서 개발된 뇌 모델로 제어되는 가상 로봇으로 실험할 수 있도록 해준다.
이 프로젝트는 2013년 10월에 시작되었으며 현재 추정에 따르면 완성까지 10년이 걸릴 것이다. 이 거대한 데이터베이스에서 수집된 데이터는 미래 연구에 도움이 될 것으로 예상된다. 새로운 기술의 진보는 과학자들로 하여금 뇌를 좀 더 깊이 이해할 수 있게 만들어주지만, 그럼에도 불구하고 아직까지는 갈 길이 멀다.
참고 문헌
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