신경과학

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호르몬의 농간에 속지 맙시다 호르몬은 나의 원쑤

神經科學 / Neuroscience

1 개요

동물의 신경(계)에 대해서 연구하는 학문. 연구대상은 동물의 신경(계)이지만, 그중에서도 주로 인간의 신경(계)을 중심으로 연구한다. 국내에서는 신경과학이라는 용어가 뇌과학과 거의 같은 빈도수로 쓰이고 있지만, 사실 뇌는 신경계의 일부이므로 뇌과학은 신경과학의 한 분야라고 할 수 있다. 즉 신경과학이 더 넓은 범위를 포괄한다고 볼 수 있다. 해외에서는 이미 brain science라는 말보다는 neuroscience가 정착하였다. 이 바닥 가장 널리 쓰이는 교과서도 2015년 기준 4판까지 나와있는 Bear, Connor, Paradiso의 Neuroscience.

현대적인 의미의 신경과학은 이미 생물학의 범주를 많이 벗어나버렸다. 그런데 사실 애초에 신경생물학과 신경과학은 다르다. 신경생물학은 신경과학의 한 분야일 뿐이다. 이해하기 쉽게 신경생물학은 아니지만 신경과학에 속하는 영역을 생각해보자. 가령 fMRI나 PET을 다루는 뇌 영상학을 들 수 있다. 뇌영상학을 학습하기 위해서는 뇌의 작용을 컴퓨터로 시뮬레이션하는 모델링과 기계학습 등, 이런 분야의 기본적인 원리를 이해하기 위해서는 생물학적 지식을 배우고 시작하는 편이 편하겠지만, 이들이 다루는 분야는 세포 덩어리로서의 뇌는 아니다. 또한 아래 문단에서 설명하는 신경경제학, 신경윤리학, 신경미학 등은 신경과학이긴 하지만 신경생물학은 아니다.

2 세부분야

앞서 밝혔듯 신경과학은 이미 학제간 연구가 된 지 오래고, 전통 심리학과 신생학문인 인지과학의 일부까지 포괄하는 넓은 개념이다. 특히 시스템 신경과학에서는 물리학적 기법을 많이 사용하고, 인지신경과학은 심리학의 일부로 봐도 무방하다. 당연히 분자생물학과 생물정보학 등 최신 생물학의 새로운 지식과 방법론도 널리 수용된다. 신경과학의 연구 분야는 크게 연구 층위에서 나뉘며, 목적이나 세부적인 기능에 따라 구분되기도 한다. 관점에 따라 나눈 것이기에 구분이 애매하며, 얼마든지 중첩될 수 있다.

2.1 분자 및 세포 신경과학(Cellular and Molecular Neuroscience)

신경생물학(neurobiology)의 앞 장을 차지하는 부분이다.이 부분이 재미있더라도 곧 악마같은 해부학과 마주하게 된다. 그러므로 세포신경과학을 하자. 생화학과 물리학에 자신있다면. 해부학이 나을 것 같다 뉴런과 뉴런을 연결하는 시냅스, 시냅스에서 분비되는 신경전달물질의 구조와 기능, 전기적인 특성에 대해 연구한다. 흔히 언론에 알려지는 '이러이러한 정신병, 지능은 이러이러한 유전자 때문이다' 같은 이야기도 이쪽 분야이다. 뇌 기능에 필요한 단백질과 그것을 발현하는 유전자에 대해서 연구하기 때문이다. 문외한에게는 세포생물학에 국한되어 보일 수 있으나, 이 분야에서 1963년 노벨 생리의학상을 탔던 연구는 나트륨 채널과 활동전위에 대해 연구한 헉슬리와 호지킨의 수학적 모델링이다.

2.2 신경 회로 및 시스템 신경과학(Systems Neuroscience)

분자와 세포에서 배율을 조금만 낮추면 회로가 나타난다. 뉴런은 모여서 회로를 형성하고, 기능에 따라 하나의 시스템으로 분류된다. 예를 들어, 보는데 관여하는 시각계(visual system)가 존재하며, 시각계 내부 경로에는 복잡하고 순차적인 회로들이 존재한다. 분자/세포신경과학 논문의 분자식과 전기 그래프는 상자와 화살표로 된 복잡한 망으로 대체된다. 이러한 신경 회로와 시스템 자체와 영역 간 상호작용을 연구하는 분야이다. 2014년 노벨 생리학상은 쥐의 공간 인지 시스템을 다룬 O'keefe와 Moser 부부가 수상하였다. 최근 바이러스와 빛을 이용한 뇌 신호 전달 기법인 광유전학의 발달로 각광받고 있는 분야.

2.3 인지 및 행동 신경과학(Cognitive Neuroscience)

동물에게 신경계가 존재하는 까닭은 결국 움직이기 위해서이다. 시스템의 복잡한 작용은 유기체의 행동으로 나타나며, 고도로 진화한 인간은 '내부의 움직임'이라 할 만한 인지과정을 만들어낸다. 인지신경과학(Cognitive Neuroscience)은 뇌 고유의 내부 정보 처리 기능에 초점을 맞춘 학문. 기억, 정서, 공간인지 등을 다룬다. 그러나 인간을 상대로 하는 연구는 뇌영상 기법을 외에는 한계가 있으므로, 동물의 행동을 관찰하여 연구하기도 한다. 전통 행동주의 심리학의 영역과 많이 겹치는 부분.

2.4 기타 분류

뇌의 작동방식 및 그 임상적 응용에 대한 분야

• 계산신경과학(computational neuroscience): 뉴런을 정보를 처리하는 단위로 (일종의 트랜지스터처럼) 인식하고 뇌 회로 속에서 정보처리가 어떻게 이루어지는지 보는 학문. 하나의 뉴런 안에서 일어나는 전기-화학적 신호 전달을 모사하는 것부터 대단위 신경망에서의 정보처리를 구현하는 것까지 다양한 층위에 걸쳐 연구가 이루어지기 때문에, 사실은 뉴런이나 신경망을 컴퓨터 코드로 시뮬레이션하는 일은 모두 계산신경과학의 범주에 든다고 볼 수 있다. 인공신경망(artificial neural network)과 이를 기반으로 한 각종 파생 기계학습 알고리즘(딥 러닝deep learning과 같은…) 역시 계산신경과학의 한 영역이다.

• 임상신경과학(clinical neuroscience): 의학과 관련된 신경과학. 마취학, 치매 등의 퇴행성 질환, 약물중독 등 아주 넓은 분야를 포괄한다.
• 신경심리학(neuropsychology): 신경심리학은 인지신경과학, 임상신경과학 등과 더불어 심리 현상과 행동들을 뇌의 기능과 연관시키는 심리학의 한 분파이다. 넓은 의미에서는 인지신경과학이나 임상신경과학과 혼용 가능한 용어이나, 두 분야와의 차이점은 해당 분과의 발생 역사에 있다. 인간의 신경 활동을 직접적으로 연구할 수 있게 되기 이전에, 그 당시 가능했던 행동 수준의 분석을 뇌 기능에 연결시키고자 한 것이 신경심리학 연구의 시초이다. 때문에 뇌 손상 환자가 보이는 인지 수행의 저하를 중심으로 연구가 이루어져 왔고, 이중 해리(double dissociation) 등의 개념 역시 이 분야를 중심으로 정립되어 왔다. 현재는 인지/임상신경과학과 큰 의미에서는 구분이 불가능하며, 신경심리치료neuropsychiatry 및 신경행동학 behavioral neurology과 그 개념과 목적을 공유한다.

전통적 인문사회과학 분야와의 융합연구 분야

• 신경경제학(neuroeconomics): 행동경제학에 신경과학을 접목한 과목이다. 즉 신경과학에 바탕을 두고, 경제학의 전제(인간은 합리적 행동을 한다는 전제)를 오류로 간주하는 행동경제학을 기반으로 증명을 해 나가는 것이다. 미국의 심리학자인 대니얼 카너먼 교수가 이 분야의 선구자인데, 카네만 교수는 심리학자임에도 불구하고 이 분야 연구로 노벨 경제학상을 수상한 바 있다. 주요 연구분야들로는 Decision Making, Intertemporal choice 등이 여기에 해당한다고 할 수 있다.

• 사회신경과학(social neuroscience) / 신경사회학(neurosociology): 각각 사회심리학과 사회학에 신경과학을 접목한 과목이다. 둘 간의 구분은 다소 애매모호하고 임의적이나, 상대적으로 사회적 상황 하에서의 개인의 심리적 기제(사회신경과학)에 포커스를 맞추느냐, 아니면 여기서 더 나아가 집단 역동(group dynamics) 수준에까지 논의를 확장시키고자 하느냐에 따라 다르다. 여기서의 대표적인 연구 성과들은 대인지각이나 사회적 딜레마와 관련된 뇌 기제 및 정보처리 과정, 그리고 옥시토신(oxytocin) 및 바소프레신(vasopressin) 같은 체내 물질들과 집단역동(group dynamics) 간의 관계 등이 있다. 또한 대중적으로도 유명해진 주요 성과 중 하나가 다름아닌 "타이레놀은 실연의 아픔이나 집단 따돌림의 고통을 줄여줄 수 있다" 는 것인데, 이는 이 분야에서의 연구를 통해 1) 사회적인 거부와 배제로부터 느끼는 심적 고통과 2) 신체적이고 생물학적인 고통 두 가지를 처리하는 뇌 신경 회로가 상당수 겹쳐진다는 것이 밝혀졌기 때문이다.

• 신경윤리학(neuroethics): 두 가지 정체성을 동시에 가진다. 한 측면에서는 신경과학에서 발생하는 윤리적 이슈들을 다루는 윤리학 및 사회과학의 한 분과로서, 다른 한 측면에서는 윤리적 추론이나 의사결정이 인간의 두뇌에서 어떻게 이루어지는지를 규명하는 분과로서 성립되었다. 이 둘은 사뭇 성격이 달라 보이지만, 어쨌든 '신경윤리학'이라는 하나의 이름으로 통칭되고 있다. 후자에서의 대표적인 연구로는 행동경제학 및 게임이론에서 다루는 각종 사회적 의사결정 게임로부터 공정성에 대한 논의를 전개하거나, 이미 고전적인 주제가 된 트롤리 딜레마(trolley dilemma)와 같은 도덕적 의사결정 상황 하에서 사람들의 의사결정 특징을 규명한 것 등이 있다. 과학주의자로 유명한 저술가 샘 해리스(S.Harris)가 바로 이 전공이다.

• 신경미학(neuroaesthetics): 인간의 뇌가 언제 아름다움을 느끼는지 분석하여, 아름다움의 실체를 과학적인 방법으로 밝히려는 학문. 미학과 신경과학의 융합분야.

기타

• 신경 물리학 (neurophysics) : 물리학에 신경과학을 적용해 물체의 강도를 향상시키거나 질량이 큰 물체의 안정성을 증대시키려는 학문이다. 게임 헤일로 시리즈에 나오는 가상의 학문.

이외 알고 있는 분야에 신경(neuro-)을 붙이면 훌륭한 신경과학 분과가 된다.

3 역사

뇌를 연구한 것은 고대 이집트로 거슬러 올라간다. 이후 미국에서 전두엽 절제술이 개발되었다.

4 대중적 이미지 : "뭔진 모르겠지만 대단해!"

Figure 1.1. 위 영상에서 보듯이 나무위키 위키러들은 이성교제를 하지 못하는 문제를 갖고 있는데, 이는 이들의 상측측두구(superior temporal sulcus)와 전측대상회(anterior cingulate gyrus)를 연결하는 망상활성체계(RAS; reticular activating system)의 뉴런 발화율의 차이 때문인 것으로 추정된다.

심리학이 몰이해로 고통받고 있는 반면, 신경과학은 무분별한 동경과 환상의 대상이 되고 있다.

뇌 연구자들 사이에 "별 것 아닌 연구, 심지어 명백히 틀린 연구라고 할지라도 뇌 영상 몇 개 뜬금없이 끼워넣고 뇌구조 몇 군데 읊어주기만 하면 사람들이 껌벅 죽는 건 일도 아니더라" 하는 이야기는 하루 이틀 일이 아니다. 어떤 연구성과가 인터넷 뉴스 같은 언론에 보도될 때에도 대개 그런 식으로 퍼져나가며, 거꾸로 말하면 아무 근거없는 카더라조차도 뇌과학적인 뉘앙스만 풍기면 곧바로 온 사방팔방에 인용되는 것. 이를 두고 학계에서는 "뇌영상 편향"(neuroimage bias)이라고까지 부르기도 하는 모양.

이 문제로 인하여 2000년대 말엽부터 여러 저널들을 통해 그 잠재적인 문제가 계속해서 제기되어 왔다. 대표적인 것 하나만 들자면 예일 대학교의 디나 와이즈버그 연구팀은(Weisberg et al., 2008) 가상으로 논문의 일부를 작성해서 학생, 초심자(novice), 전문가 세 집단에게 노출시켰다. 주어진 글은 제대로 짚은 글 2개와 헛다리 짚은 글 2개로 구성되어 있었고, 각각 신경과학 관련 언급이 있는 것과 없는 것으로 나누어졌다. 연구 결과, 학생과 초심자 집단에서는 설명이 옳건 그르건 신경과학 언급만 포함되었다면 뭔진 몰라도 지적으로 만족스러운 설명이라고 보고했다. 특히 잘못된 내용을 담은 글일 경우에 신경과학적 언급을 통한 만족도의 상승 효과는 더욱 컸다. 그러나 전문가 집단에서는 그러한 언급이 있든 없든 똥글은 똥글 취급받았고(…) 더욱 흥미롭게도, 제대로 된 글조차 신경과학적 언급이 포함될 경우 오히려 만족도가 감소하는 경향을 보였다.

처음 이 현상이 발견되고 난 후에는 주로 재현성이 결여되어 있다는 반론이 자주 거론되어 왔는데, 현재의 중론은 "항상 그런 건 아니지만, 어떤 상황에서는 실제로 영향을 미칠 수 있으며, 특히 법정 증거로서 제시될 때 조심해야 한다. 뇌과학이 대중들에게 익숙해짐과 함께 이 편향은 조금씩 감소하고 있다" 정도이다. 그러나 사실 학부생 수준에서는 심리학과 학생들조차도 뇌 관련된 설명이 나오면 움츠러드는 경향이 없잖아 있고, 뇌 연구자들은 아무래도 전통적인 심리학 저널보다는 《Neuron》 이나 《The Journal of Neuroscience》, 심지어는 《Current Biology》 같은 쪽에 투고/구독하는 식으로 자기네끼리만 어울려 노는 경향이 있어서, 편향까지는 아니더라도 학술 공동체로서의 괴리감 자체는 존재한다는 것에는 어느 정도 동의하는 사람들도 적지 않다.

사실 이런 경향은 비단 뇌 영상 이미지뿐만 아니라 수학 공식이나 함수, 모형 등이 논문에 포함되느냐의 문제에서도 똑같이 벌어지고 있는 일이기도 하다. 예컨대 수학 전공에서 사회심리학 전공으로 갈아탄 것으로 유명한 K.Eriksson(2012)은 자신의 〈 The Nonsense Math Effect 〉 에서 이미 "아무 의미도 없는 수학 공식 하나를 덧붙였을 뿐인데 사람들이 열광하더라"(…) 를 보고한 바 있다. 문제의 공식은 T_PP - T₀ - fT₀d²_f - fT_Pd_f 이며, 정말로 아무 의미도 없다.(…) 그러나 수학 및 공학, 자연과학을 제외한 나머지 전 분야의 전문가들은 (심지어 의학까지도!) 무의미한 공식이 추가되자 60%가 넘는 인원이 더 긍정적인 반응을 보였으며, 그나마 이 세 분야의 전문가들도 45%가 넘는 인원이 더 긍정적인 평가를 했다.쉬운 해설

5 의학과의 연관

• 신경해부학, 신경생리학, 신경계학 : 기초의학의 일종으로, 이 항목에서 설명하는 내용을 가르치는 과목이다.
• 신경과 (neurology) : 임상의학의 일종으로 뇌졸중 치매 등을 치료한다.
• 신경외과 (neurosurgery) : 임상의학의 일종으로 뇌나 척추 등 신경에 대한 수술을 한다.

6 고시/시험/자격면허와의 연관

• 독학사 : 심리학과 2단계 생물심리학, 3단계 인지지각심리학, 4단계 인지 신경과학
• 국제 과학 올림피아드 : 국제 뇌과학 올림피아드

7 관련항목

• 뇌-컴퓨터 인터페이스