복잡한 검사 과정 없이 눈을 자세히 관찰하는 것만으로도 알츠하이머 위험 여부를 알 수 있다는 연구결과가 나왔다. 미국 캘리포니아대학 샌디에이고캠퍼스 의과대학 연구진은 인지능력을 검사하는 과정에서 동공의 움직임이나 크기를 통해 알츠하이머의 가능성 여부를 판단할 수 있다고 설명했다. 최근 몇 년동안 알츠하이머를 연구하는 학자들은 아밀로이드-베타라 불리는 뇌의 단백질 플라크 축적 및 타우(Tau)로 알려진 독성 단백질에 관심을 기울여왔다. 둘 모두 뉴런을 손상시켜 알츠하이머를 초래하는 것으로 여겨졌다. 여기에 추가로 연구진은 인지기능조절에 관여하는 자율신경중추인 뇌간의 청반(locus ceruleus LC)에 주목했다. 청반은 기억력이나 판단력 등 인지능력이 작동되는 동안 눈동자의 직경을 변화시키는 동공 반응을 주도한다. 연구진은 타우 단백질은 청반에 비교적 쉽게 축적되며, 이를 통해 청반과 타우 단백질 간에 밀접한 연관이 있다고 추측하고 치매로 이어질 위험이 높은 경도인지장애가 있는 사람들과 인지기능이 정상인 사람들을 대상으로 실험을 진행했다. 그 결과 경도인지장애가 있는 사람은 그렇지 않은 사람에 비해 인지능력 시험성적이 같은 경우에도 동공 확대 반응에서는 차이를 보였다. 특히 알츠하이머 위험을 높이는 변이유전자를 지닌 사람에게서는 이러한 차이가 더 크게 나타났다. 연구진은 “인지기능 검사를 받을 때, 타우 단백질이 쌓여있는 청반을 가진 사람의 경우 동공 반응을 일으켜 동공의 직경이 커졌다”면서 “테스트 문제가 어려울수록 동공 직경이 더욱 확대됐다”고 설명했다. 이어 “동공의 변화를 이용한 검사는 확실한 인지 저하가 시작되기 전에 알츠하이머의 위험을 미리 측정할 수 있다. 동시에 저렴한 비용으로 빠르게 알츠하이머를 진단할 수 있다는 장점이 있다”고 덧붙였다. 이번 연구결과는 지난 9일 발표된 노화 신경생물학‘(Neurobiology of Aging) 온라인판에 실렸다. 사진=123rf.com 송현서 기자 huimin0217@seoul.co.kr

우리나라 성인 남녀 1인당 1개씩은 갖고 있다는 스마트폰을 이용해 뇌신경회로를 조절해 치매나 파킨슨병 같은 뇌신경질환을 치료할 수 있는 방법이 개발됐다. 카이스트 전기및전자공학부와 미국 워싱턴대 마취학및약리학부 공동연구팀이 스마트폰 어플리케이션(앱)을 이용해 약물과 빛을 뇌의 특정 부위에 전달해 신경회로를 정교하게 조절할 수 있는 기술을 개발했다고 8일 밝혔다. 이번 연구결과는 의공학 분야 국제학술지 ‘네이처 바이오메디컬 엔지니어링’ 6일자에 실렸다. 이번 기술은 신약개발시 장기간 동물실험이 필요할 때나 치매, 파킨슨병 같은 퇴행성 뇌신경질환을 치료할 때도 활용할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 빛을 이용해 특정 뇌신경세포를 자극하는 광유전학 기술이나 약물을 이용해 주변 신경회로에 영향을 주지 않고 뉴런이나 신경을 제어할 수 있는 신경약물학은 현재 뇌신경질환 치료나 연구에 활용되는 전기자극기술보다 효과가 뛰어나다는 장점이 있다. 문제는 사용 기기의 크기가 커 뇌 조직을 손상시키거나 정교하게 제어하기 어렵다는 단점이 있다. 또 광섬유나 약물주입관 때문에 뇌 이식한 다음에는 행동 제약이 생긴다. 이에 연구진은 플라스틱과 같은 중합체로 만들어진 미세유체관과 마이크로 LED를 결합시켜 머리카락 두께의 유연한 탐침을 만들었다. 이 장치를 소형 블루투스 기반 제어회로와 교환 가능한 약물카트리지와 결합시킨 뒤 스마트폰 앱을 이용해 무선으로 제어할 수 있는 2g 남짓한 뇌 이식장치를 만들었다. 연구팀은 이 장치를 생쥐의 뇌 보상회로에 이식하고 도파민 활성물질과 억제물질이 든 카트리지를 결합시켰다. 그 다음 스마트폰 앱을 이용해 도파민을 제어하거나 활성화시켜 쥐의 행동을 조정하는데 성공했다. 또 생쥐의 뇌에 빛에 반응하는 단백질을 주입해 빛에 반응하도록 해 쥐가 특정 장소를 좋아하고 싫어하도록 조종할 수 있음을 확인했다.정재웅 카이스트 전기및전자공학부 교수는 “이번 기술은 기존의 전기자극 방법보다 훨씬 더 정교해 부작용 없는 뇌 제어가 가능하다”라며 “추가 연구를 통해 두개골 내에 완전히 이식할 수 있고 반영구적으로 사용가능한 형태로 디자인할 것”이라고 말했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

전 세계적으로 한국 학부모들만큼 아이들 학업성적에 관심을 갖는 부모들은 없다. 자세히 뜯어보면 모든 것을 긍정적으로 바라볼 수만은 없지만 버락 오바마 전 미국 대통령도 한국 학부모들의 교육열에 대해 여러 번 언급할 정도이다. 많은 학부모들은 아이들이 엉덩이에 자석이라도 붙여놓은 듯 진득하니 책상 앞에 앉아있어야 공부를 하는 것으로 인식하는 경우가 많다. 그렇지만 성적을 올리고 학습효율을 높이기 위해서는 하루 10분 이상, 4000보 이상 산책 같은 가벼운 운동을 하는 것이 좋다는 연구결과가 나왔다. 미국 오레곤보건과학대 의대 신경과학과 연구진은 짧은 시간이나마 규칙적으로 운동하는 것이 건강 뿐만 아니라 학습능률을 높이고 기억력을 향상시키는 등 두뇌활동에도 도움이 된다고 8일 밝혔다. 이번 연구결과는 생명과학 분야 국제학술지 ‘e라이프’ 최신호에 실렸다. 지금까지 많은 연구들이 규칙적인 운동이 심장이나 근육을 포함해 여러 장기의 건강을 유지하는데 도움이 된다는 사실에 초점을 맞춰왔다. 연구팀은 운동으로 건강한 심장이 유지되면 뇌를 포함한 전신에 산소를 빠르게 공급한다는 점에 착안해 운동이 뇌에 미치는 영향에 주목했다. 연구팀은 학습 중간에 운동시간을 포함시킨 생쥐와 운동시간 없이 학습시간만 길게 가진 생쥐들 사이에서 학습능률이나 기억력을 비교하는 한편 뇌에서 나타나는 변화를 관찰했다. 그 결과 학습만 계속해서 한 생쥐보다 운동시간을 가진 생쥐들의 학습능률이 높아지는 것이 관찰됐다. 특히 운동이 Mts1L이라는 유전자가 활성화되면서 학습과 기억, 새로운 것에 대한 인식에 관여하는 뇌의 해마 부위 뉴런의 연결을 늘리고 시냅스 증가를 촉진시킨다는 것이 관찰됐다. 연구팀에 따르면 오랜 시간 운동하는 것보다 10~30분 이내의 가벼운 산책이나 10분 이내 농구시합을 하는 것처럼 짧은 시간 폭발적으로 움직임을 갖는 운동이 두뇌에는 효과적이라는 것이다. 게리 웨스트브룩 교수(신경학)는 “운동을 한다고 해서 많은 사람들은 비싼 돈을 주고 체육관을 가거나 10㎞ 이상 달리기를 하는 것을 생각하는데 뇌를 위해서는 그보다 훨씬 가벼운 운동도 효과가 크다”라며 “중요한 것은 하루 10분 이상 규칙적으로 몸을 움직인다는 것”이라고 말했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

엄마 뱃속 태아 시절 뇌신경세포가 발달하지 못해 뇌가 일정 크기 이상 성장하지 못하면 각종 신경질환이나 선천성 장애를 갖고 태어날 수 있다. 지금까지 대뇌의 발달 과정과 그에 따른 신경세포의 분화와 조절 과정이 명확히 밝혀지지 않았는데 국내 연구진이 그 비밀을 풀어냈다. 한국과학기술연구원(KIST) 뇌과학연구소, 신경과학연구단과 중앙대 약대 공동연구팀은 신경줄기세포의 염소이온체널 중 하나인 ‘아녹타민1’이라는 단백질이 태아의 신경발달 과정에서 뇌세포를 특정 위치로 이동시키고 두뇌의 크기를 조절한다는 사실을 규명했다고 2일 밝혔다. 이번 연구결과는 미국 국립과학원에서 발행하는 국제학술지 ‘PNAS’에 실렸다. 뇌 신경세포의 선천적 발달 장애는 인지능력, 운동기능 저하는 물론 자폐스펙트럼 증후군 같은 다양한 뇌신경 질환의 원인이 되는 것으로 알려져 있다. 신경줄기세포는 배아 시절 신경세포 증식 뿐만 아니라 뇌 피질을 정확한 위치로 이동시켜 두뇌 형성 과정 전체를 조절하는 역할을 한다. 이 과정은 매우 정교하게 진행되는데 지금까지는 이런 신경줄기세포 발달에 따른 뉴런의 이동, 두뇌와의 연관성이 명확하게 규명되지 않고 있다. 연구팀은 태아 신경발달 과정에서 아녹타민1이라는 단백질이 신경줄기세포에서 많이 나타난다는 사실을 확인하고 여기에 주목했다. 연구팀은 아녹타민1이 활성화되면 신경줄기세포가 늘어날 뿐만 아니라 뇌신경 발달 과정에서 대뇌 피질 내에 존재하는 뉴런의 위치와 두뇌 크기도 조절된다는 사실을 확인했다. 실제로 아녹타민1이 결핍된 생쥐의 신경줄기세포의 섬모 길이가 정상 생쥐보다 짧아 신경세포가 정상발달되지도 않고 최종 뇌의 크기도 정상 생쥐보다 작다는 사실을 관찰했다. 오우택 KIST 뇌과학연구소장은 “이번 연구는 뇌신경세포 형성과정 중 신경줄기세포에서 아녹타민1 이온채널의 역할을 재조명함으로써 동물의 뇌신경 형성과정에 대한 이해를 넓히는데 도움을 줬다”라며 “뇌형성 과정에서 나타나는 오류현상으로 나타날 수 있는 자폐증, 조현병, 뇌전증 같은 뇌신경질환의 새로운 치료법을 개발하는 단초가 될 것”이라고 말했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

다이어트를 하겠다고 굳은 결심을 한 사람도 ‘딱 한 번만’이라고 생각하고 단짠(달고 짭짤한) 음식을 한 번 입에 대는 순간 나도 모르게 폭풍흡입하고 있는 모습에 스스로 깜짝 놀라는 경우가 있다. 많은 사람들이 달고 기름진 음식이 살을 찌우고 허리둘레를 굵게 만드는 등 외형을 바꾼다는 것은 잘 알고 있다. 그렇지만 뇌에는 어떤 영향을 미치는지 정확하게 알지 못하고 있다. 그런데 과학자들이 달고 기름지고 짭짤한 음식을 즐겨 먹게 되면 뇌의 특정 신경세포 활동을 변화시켜 과식을 막아주는 뇌 신경 ‘브레이크’를 고장낸다는 사실을 밝혀냈다. 캐나다 캘거리대 호츠키스 뇌연구소 스테파니 보그랜드 교수는 입맛을 자극하는 달고 기름진 음식이 뉴런의 활동을 변화시켜 과식을 하게 만든다는 사실을 메타분석을 통해 밝혀내고 세계적인 과학저널 ‘사이언스’ 28일자에 발표했다. 메타 분석은 비슷한 주제로 연구된 문헌들을 통계적으로 통합하거나 비교해 새로운 결론을 도출해 내는 연구 방법이다. 과학자들은 달고 기름진 음식을 위주로 식사를 제공받은 생쥐와 영양분이 골고루 분포된 식단을 제공받은 생쥐의 유전자 발현을 비교함으로써 음식이 뉴런을 어떻게 변화시키는지 주로 관찰했다. 과학자들은 특히 외측 시상하부(lateral hypothalamus)에 주목했다. 외측 시상하부는 식사량, 섭식 조절에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다.과학자들은 뇌 신경세포의 활성화 정도를 관찰하기 위해 칼슘이미징이라는 광유전학 기술과 이광자현미경(two photon microscope)을 활용했다. 이광자 현미경은 파장이 두 배 긴 광자 2개를 이용해 빛의 산란을 줄임으로써 표적물을 보다 선명하게 볼 수 있도록 한 광학장치이다. 또 칼슘이미징은 세포 내 중요한 2차 신호전달물질인 칼슘의 농도를 이미지화시켜 세포의 활성을 확인할 수 있도록한 기술이다. 그 결과 균형잡힌 식사를 해온 생쥐들은 설탕물이나 기름진 음식을 먹게 하더라도 적당한 시기에 외측 시상하부에서 식사를 마치라는 신호가 전달됐지만 비만한 생쥐들의 경우는 외측 시상하부의 반응 속도가 느리다는 사실이 확인됐다. 또 균형 잡힌 식사를 해온 생쥐들에게도 12주 이상 달고 기름진 음식만으로 식단을 바꿔 비만을 유발시킨 경우 마찬가지로 외측 시상하부의 반응속도가 느려져 과식을 하는 것이 관찰됐다. 12주 만에 외측 시상하부 반응속도가 이전보다 80% 가량 줄어들었다고 과학자들은 밝히고 있다. 스테파니 보그랜드 박사는 “식단을 바꾸는 것은 매우 미묘한 변화라고 생각할 수 있겠지만 이것이 뇌세포의 활동과 성질을 완전히 바꿔버릴 수 있다는 것은 놀라운 일”이라고 “식사 조절과 관련된 뇌 신경세포들과 관련 수용체를 찾아낸다면 약물이나 기타 방법으로 과식이나 폭식을 제어하는 것도 가능할 것”이라고 말했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

자기 생각을 입 밖으로 꺼내기도 전에 상대가 의도를 알아차리면 사람들은 “우리는 마음이 잘 통하는 친구”라든가 “텔레파시가 통했다”라는 말을 한다. 그런데 과학자들이 실제로 서로 다른 개체들 간 뇌파가 통하고 일치하는 ‘동기화’ 현상이 나타날 수 있다는 사실을 밝혀 내 화제다. 미국 캘리포니아 로스앤젤레스대(UCLA) 신경생물학과, 생화학과, UCLA의대 공동연구팀과 미국 캘리포니아 버클리대(UC버클리) 생명공학과, 헬렌 힐스 신경과학연구소 공동연구팀은 각각 생쥐와 이집트과일박쥐를 이용해 두 마리가 상호작용을 할 때 뇌의 신경 활동이 일치된다는 사실을 밝혀냈다. 이들의 연구결과는 생명과학 분야 국제학술지 ‘셀’ 20일자에 실렸다. 우선 UC버클리 연구팀은 이집트과일박쥐 18마리를 야생에서 잡아온 뒤 우리에 가둬 12시간 간격의 밤낮 생체시계를 일치시켰다. 그다음 연구팀은 짝짓기나 싸움, 먹이나눔 같은 모든 활동을 관찰하면서 무선 전기생리학 측정장치를 이용해 박쥐 뇌에서 발생하는 뇌파를 전부 기록했다. 그 결과 박쥐들은 두 마리가 같은 우리에 있을 때 수 분에서 수 시간까지 고주파 영역의 뇌파가 일치되는 것이 관찰됐다. UCLA 연구팀은 생후 8~10주 된 생쥐 두 마리의 머리에 미세 내시경을 설치하고 모든 활동을 관찰했다. 약 2g의 미세 내시경은 생쥐들이 활동하는 동안 뉴런의 활동을 정밀하게 관찰할 수 있게 만든 장치이다. 연구팀은 생쥐들이 특정 의사결정을 함께 내려야 하는 상황이나 다양한 상호작용을 할 때 같은 부위의 뉴런들이 동시에 활성화된다는 것을 확인했다. 웨이제 홍 UCLA 신경생물학과 교수는 “생쥐나 박쥐에 비해 인간의 사회적 상호작용에는 개입되는 요소들이 많아 복잡하다”면서도 “자폐 스펙트럼 장애나 조현병 같은 많은 정신 질환들이 사회적 상호작용을 변화시킨다는 차원에서 본다면 이번 연구결과는 이런 정신질환의 예방이나 치료법을 찾아내는 데 도움이 될 것”이라고 말했다. edmondy@seoul.co.kr

미국의 과학자들이 새로운 연구를 통해 젊은 쥐의 혈액 속에서 뇌의 노화 과정을 되돌리는 두 가지 성분을 확인했다고 밝혔다. 뉴사이언티스트 등 외신에 따르면, 미국 스탠퍼드대 분자·세포생리학 연구진이 연구에서 생후 12~15개월 된 나이 든 쥐에게 생후 2주 된 젊은 쥐의 혈액을 주입하면 뇌의 기억력과 학습능력 등이 감퇴하는 노화 증상을 되돌릴 수 있다는 것을 발견했다. 이는 젊은 쥐의 혈액 속에 있는 두 단백질이 나이 든 쥐의 뇌 신경세포인 ‘뉴런’의 성장을 촉진하고 이들 뉴런 사이의 신경 연결인 ‘시냅스’ 수를 늘린 것이라고 연구진은 설명했다. 또 연구진은 두 단백질을 실험실에서 배양한 사람의 뉴런에도 작용하는지 검사했으며 배양된 뉴런의 성장을 촉진하고 시냅스 수를 늘리는 데 도움을 주는 등 비슷한 효과를 확인했다. 이런 결과는 앞으로 회춘 묘약뿐만 아니라 노화로 인해 발생하는 치매의 영향을 되돌리는 치료 방법을 개발하는 데도 도움이 되리라는 희망을 불러일으킨다. 연구진에 따르면, 회춘 효과가 있는 두 가지 핵심 단백질은 ‘트롬보스폰딘-4’(THBS4)와 ‘SPARC 유사 단백질 1’(SPARCL1)으로 확인됐다.미국 국립과학원회보(PNAS) 3일자에 실린 이번 연구논문에서 연구진은 두 화합물이 시냅스 수를 늘린다고 썼다. 건강한 뇌에서는 새로운 시냅스의 생성과 오래된 시냅스의 손실이 균형을 이루지만, 이런 과정은 나이가 들수록 느려져 알츠하이머병과 같은 치매를 일으키는 것으로 알려졌다. 시냅스의 손실이 무언가를 기억하기 어렵게 만들기 때문이다. 연구논문 주저자인 캐스린 간 박사후연구원과 공동저자인 토마스 쥐트호프 박사는 “우리는 젊은 쥐의 피가 시냅스 형성을 촉진하기 위해 뉴런에 직접 작용하는 요인을 강화하는지에 의문을 가졌다. 우리는 젊지만 늙지 않은 쥐의 혈청이 배양된 뉴런 사이에 시냅스 형성을 실제로 직접 촉진하는 것을 보여줬으며 어린 쥐의 혈액에서 ‘트롬보스폰딘-4’와 ‘SPARC 유사 단백질 1’이라는 두 요인의 강화와 그 효과를 확인했다”고 작성했다. 이어 “따라서 우리의 실험은 젊은 피가 뉴런 사이의 시냅스 연결을 직접적으로 촉진하는 여러 요인에서 풍부하다는 것을 보여준다”고 덧붙였다. 이렇듯 연구진은 연구를 통해 두 가지 핵심 물질을 확인할 수 있었지만, 이들 물질이 어떻게 회춘 효과를 일으키는지는 아직 정확히 알 수 없다면서 두 물질이 살아있는 사람들에게 효과가 있다는 것을 보여주기 전에 많은 추가 연구가 필요하다고 지적했다. 예를 들어 그중 하나는 두 단백질이 사람의 혈액뇌관문(BBB)을 통과해 뇌에 직접 도달할 수 있는지는 아직 확인되지 않았다는 것이다. 혈액과 뇌 조직 사이에 존재하는 혈액뇌관문은 혈액 속 큰 분자를 걸러내는 역할을 하는 것으로 알려졌다. 하지만 노화를 막거나 되돌리는 화합물에 관한 연구는 이뿐만이 아니다. 잠재적으로 가능성 있는 또 다른 물질로는 사람의 제대혈 세포가 있다. 이 세포에서 발견된 ‘TIMP 1’으로 불리는 한 화합물은 연구에서 회춘 효과가 있는 것으로 나타났다. 과학자들에게 높은 기대를 갖게 하는 또 다른 화합물들 중에는 근육의 성장을 촉진하는 ‘GDF11’과 기억을 형성하는 뇌의 일부분인 해마에서 세포 성장에 영향을 주는 성선자극호르몬분비호르몬(생식샘자극호르몬분비호르몬·GnRH)도 있는 것으로 알려졌다. 사진=123rf(위), PNAS 윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr

야외에서 밝은 빛을 보고 나면 정신도 맑아지고 상쾌해지는데, 이는 기분 탓일까. 최근 영국 옥스퍼드 대학의 스튜어트 피어슨 교수와 러셀 포스터 교수팀은 망막 세포 중 ‘보는 것’과 관계 없는 세포에 주목했다. 빛을 받으면 활성화되지만 시각 이미지를 생성하지는 못하는 ‘멜라놉신’ 세포의 기능을 탐색한 것이다. 멜라놉신 세포는 주요 생체 시계인 ‘시교차상핵’에 신호를 보내 교감신경계를 활성화하고 부신의 코르티솔 생산을 증가시켜 각성도를 높인다. 아침에 밝은 태양빛을 봤을 때 좀 더 활기찬 하루를 보낸다고 느꼈다면 단지 기분 탓만은 아닌 것이다. 이런 작용은 주로 제1형 멜라놉신 세포(M1)가 청색광에 반응할 때 나타난다. 따라서 야간에 스마트폰이나 컴퓨터 모니터를 보면 되레 숙면에 방해된다. 빛은 우리의 뇌가 기분을 조절하는 것에도 영향을 준다. 최근 중국 지난 대학의 런차오란 교수팀은 빛이 항우울 효과를 나타내는 기전을 연구해 뉴런지에 발표해 주목받고 있다. 이 연구팀은 화학유전학이라는 최신 뇌과학 기법을 이용해 망막의 제4형 멜라놉신 세포를 활성화시키고 그 반응을 연구했다. 그 결과 시상의 억제성 뉴런이 활성화되고, 이를 통해 과활성화됐던 ‘외측 고삐핵’이 안정화되는 것을 확인했다. 외측 고삐핵은 우울증에서 비정상적으로 과활성화되는 것으로 알려진 부위다. 마음이 무겁고 우울한 기분이 있다면 밝은 빛을 보며 가볍게 산책을 해보는 것도 도움이 된다. 마지막으로 빛은 ‘햇빛 비타민’으로도 잘 알려진 비타민D를 통해 우리의 뇌 건강에 영향을 줄 수 있다. 비타민D는 칼슘 대사, 뼈 건강뿐 아니라 심혈관계 질환과 각종 암에도 좋은 효과를 미친다는 연구 결과가 나오고 있다. 이와 더불어 주목할 곳은 중추신경계다. 보통 비타민D의 활성화는 신장에서 이뤄지는 것으로 알려졌으나, 중추신경계에서도 비타민D를 활성화하는 효소가 발현된다. 신장을 제외하고는 유일하다. 이뿐만 아니라 비타민D 수용체가 높게 발현돼 가바와 세로토닌 등 주요 신경전달물질의 생산에 관여하고 있다는 것이 최근 밝혀졌다. 활동 시간의 대부분을 실내에서 보내는 현대인에게 비타민D의 저하가 매우 흔하기에 이런 연구 결과가 시사하는 바가 크다. 빛은 우리가 약 24시간을 주기로 살아가는 일주기 리듬을 만들어 내는 데 필수적이다. 지구상에 에너지를 전달하고 인간을 포함한 지구상의 생명체는 그 에너지를 이용해 생명을 유지한다. 지구의 자전이 24시간을 주기로 지구상에 빛을 비추고 우리는 그 자전 주기에 따라 규칙적으로 살아간다. 빛은 멜라놉신 세포 활성화나 비타민D 합성 등을 포함해 다양한 경로로 뇌 활동을 직간접적으로 조절하고 있다. 하루 20~30분이라도 햇빛을 볼 수 있다면 일주기 리듬 조절, 우울감 개선, 비타민D의 증진을 통해 신체 건강과 뇌 건강을 모두 챙길 수 있지 않을까.

겨자나 고추냉이를 많이 먹어도 고통을 전혀 느끼지 않는 동물이 처음 확인됐다. 미국 뉴욕타임스 등 외신에 따르면, 남아프리카공화국에서 서식하는 하이펠트 두더지쥐가 이런 특징을 지닌 것으로 확인됐다. 겨자나 고추냉이를 한꺼번에 많이 먹어봤다면 콧속과 두피 전체에 스치는 고통을 느껴봤을 것이다. 이는 세포 내 단백질을 적극적으로 손상하는 이소싸이오사이안산알릴(AITC)이라는 이름의 화학 화합물에서 비롯한다. 연구를 이끈 독일 막스델브뤼크 분자의학센터의 게리 레빈 박사는 “실제로 당신이 보는 모든 동물이 AITC를 피할 것”이라고 말했다. 세계적 학술지 ‘사이언스’ 5월 30일자에 실린 이 연구 논문에서 레빈 박사와 동료들은 하이펠트 두더지쥐가 이 물질에 완벽하게 영향을 받지 않는 것을 보여준다.사실 연구진은 겨자나 고추냉이를 잘 먹는 동물을 찾기 위해 연구를 진행한 것이 아니다. 약 10년 전, 레빈 박사와 동료들은 아프리카에 서식하며 죽을 때까지 늙지 않는 것으로 유명한 신비한 설치류 벌거숭이두더지쥐가 산성이 강한 고농도의 이산화탄소나 고추의 매운맛을 내는 성분인 캡사이신에 노출됐을 때 고통을 전혀 느끼지 않는다는 것을 발견했다. 어떤 성분에 대해 고통을 느끼지 않는다는 점은 통증 완화 및 치료 연구에 도움이 될 가능성이 있다. 따라서 연구진은 이 쥐를 포함한 근연종 9종을 대상으로 고농도의 이산화탄소에 노출된 것과 유사한 반응을 일으키는 산과 캡사이신 그리고 AITC에 노출됐을 때 어떻게 반응하는지를 살폈고, 하이펠트 두더지쥐가 AITC에 전혀 반응하지 않는 것을 발견했다. 연구진은 또 이 쥐를 대상으로 AITC 투여량을 점차 늘렸지만 이 쥐는 그래도 반응하지 않았다. 이후 연구진은 하이펠트 두더지쥐가 왜 AITC에 반응을 보이지 않는지를 살피기 위해 근연종 9종 모두를 대상으로 고통 신호와 관련한 뉴런(뇌 신경세포)을 비교 분석했다. 그 결과, 하이펠트 두더지쥐들의 뉴런은 NALCN으로 불리는 일종의 이온 채널로 독특하게 얽혀있는 것으로 나타났다. 이 채널은 그야말로 누설돼 있어 신경세포를 흥분하게 하는 것을 더 어렵게 만든다고 레빈 박사는 설명했다. 또한 연구진은 하이펠트 두더지쥐들에게 이런 채널을 차단하는 약물을 투여했다. 그러고나서 AITC를 투여하자 이들 쥐는 고통스러워하는 반응을 보였다. 하루쯤 지나 약효가 다 떨어지자 이들 쥐는 다시 아무런 반응을 보이지 않았다. 이는 연구진에게 왜 하이펠트 두더지쥐가 AITC에 반응하지 않도록 진화했는가는 의문을 남겼고 그 답은 프리토리아대학의 다니엘 하트 박사가 찾아냈다. 하트 박사는 여러 해 동안 여러 종의 두더지쥐를 연구해 왔으며 하이펠트 두더지쥐의 굴을 조사할 때마다 항상 개미들의 공격을 받고 있었다는 것을 알아차렸다. 문제의 개미들은 나탈 드룹테일이라는 이름의 독개미로, 이들이 지닌 독은 AITC처럼 작용하는 폼산을 포함하고 있을 것이라고 연구진은 설명했다. 덕분에 이들 쥐는 AITC 내성이 생겨 다른 두더지쥐들이 접근하기 꺼리는 곳에서도 살 수 있다. 이에 대해 이번 연구에 참여하지 않았지만, 연구 논문을 분석한 이완 세인트 존 스미스 케임브리지대학 박사는 이번 발견은 사람의 통증을 치료하기 위해 NALCN의 활동을 조절하기 위한 약의 활용 가능성을 보여준다고 말했다. 윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr

‘이치에 맞지 않는 망령된 생각.’ 국어사전은 ‘망상’을 이렇게 규정한다. 일상적으로 쓰는 망상이라는 말과 정신의학 용어로서의 망상은 개념이 비슷하나 심각도가 상당히 다르다. 정신의학 증상의 망상은 ‘이치에 맞지 않는’ 정도가 아니다. ‘UFO(미확인비행물체)가 나를 추적하고 있다’는 것처럼 그 내용이 현실과 심각하게 동떨어져 상식적으로 이해할 수 없는 경우가 많다. 안타까운 것은 망상이 시작되고 체계화되면 그 생각이 잘못됐음을 확증하는 증거를 제시해도 망상에서 벗어나기는커녕 더욱 공고해진다는 점이다. 약물치료로 증상을 조절할 수 있지만 완벽하지 않다. 망상이 형성되는 뇌에서는 어떤 일이 일어나는 것일까. 1900년대 초 철학자이자 정신의학자였던 카를 야스퍼스는 망상이란 개인의 살아온 과정, 동기, 역사·문화적 맥락을 모두 동원해도 이해할 수 없는 것이 특징이며, 개인 성격 발달의 과정을 방해하는 어떤 신경생물학적인 과정에 의해 발생했으리라 추측했다. 망상은 조현병, 망상 장애, 양극성 장애 등 다양한 질환에서 나타날 수 있다. 우리의 뇌에는 눈에 띄고 중요한 자극을 감지하는 ‘현저성 네트워크’가 존재하는데 중뇌 도파민 뉴런, 선조체, 전대상피질, 전섬엽 등이 그 주요 뇌 부위이다. 도파민 뉴런의 이상으로 네트워크 기능에 이상이 발생하면 결국 부정확한 주관적 경험이 일어나고 이를 부정확하게 해석해 일차 망상에 이르게 된다. 시간이 지나면서 ‘현저성 사건’에 대한 학습 능력이 손상돼 일차 망상이 반복적으로 공고화된다. 최근 미국 컬럼비아의대 정신과의 기예르모 홀가 교수는 망상의 정도와 추론과의 상호작용을 추정하는 정교한 실험을 했다. 청색 그릇에는 청색 구슬과 녹색 구슬을 75대 25의 비율로 놓고, 녹색 그릇에는 녹색과 청색 구슬을 75대 25의 비율로 놨다. 환자에게는 각각의 그릇에 청·녹색 구슬이 어떤 비율로 담겼는지를 알려준 다음 그릇을 가리고 구술을 하나씩 받게 했다. 그러다 확신이 들면 2개 그릇 중 어떤 그릇에서 구슬을 뽑았는지 답하는 게임을 했다. 청색 그릇에 청색 구슬이 많으므로 청색 구슬을 많이 받았다면 보통 청색 그릇에서 이 구슬이 나왔을 것이라고 추론할 수 있지만, 망상이 심한 환자일수록 결론을 내리기 위해 더 많은 구술을 받길 원했다. 판단을 쉽게 내리지 않은 것이다. 이는 망상 환자들이 ‘속단’을 내린다고 믿었던 기존의 가설을 뒤엎는 결과였다. 망상의 중심에는 경직된 사고가 있고, 그 과정은 매우 천천히 일어난다는 사실 또한 컴퓨터 모델링을 통해 밝혀졌다. 환자가 망상을 행동으로 표출하면 가족과 사회에 심각한 상처를 입힐 수 있다. 희망적인 것은 이러한 망상이 하루아침에 형성되지 않는다는 점이다. 약물치료를 통해 근본 원인인 도파민 과다를 조절하는 것이 현재로서는 최선이라고 할 수 있다. 하루빨리 조기 발견과 조기 중재를 통해 망상을 예방할 방법이 개발됐으면 한다.

세월호 5주기를 맞아 개봉한 영화 ‘생일’을 본 사람들은 자신도 모르게 흐르는 눈물을 주체할 수 없었다고 입을 모은다. 그러나 진상규명을 요구하며 단식을 하고 있는 유가족들 앞에서 갖가지 음식을 사들고 가서 먹어댄 사람들이나 여전히 교통사고 운운하면서 유가족들의 아픔을 공감하지 못하는 사람들도 있다. “아프냐, 나도 아프다”라는 문장으로 대변될 수 있는 타인의 감정에 대한 공감능력이 이렇게 차이를 보이는 이유는 뭘까. 최근 과학자들이 타인의 감정과 고통에 공명하는 뇌신경을 발견해 주목받고 있다. 네덜란드 왕립신경과학연구소 소셜브레인실험실, 라이덴대 심리학연구소 인지심리학실험실, 암스테르담대 심리학과 공동연구팀은 타인의 고통을 관찰할 때 스스로 고통을 경험할 때와 똑같은 세포를 활성화시킨다는 것을 규명했다고 15일 밝혔다. 이번 연구결과는 생물학 분야 국제학술지 ‘커런트 바이올로지’ 11일자에 실렸다. 뇌과학이 발달하면서 감정에 대한 이해도 깊어지고 있다. 그렇지만 다른 사람이 슬퍼하는 것을 볼 때 함께 슬프고 친구가 손가락을 베는 것을 보면 움찔하는 느낌을 갖는 공감능력은 여전히 미지의 부분이다. 특히 대부분의 정신질환이 감정이입이나 공감 능력이 부족 때문에 나타나거나 질환이 발생할 경우 감정결핍이 결과로 나타나기도 해 이 부분에 대한 이해는 필수적이다. 연구팀은 생쥐를 이용해 공감능력을 처음 실험했다. 연구팀은 생쥐들에게 전기충격이나 날카로운 물질로 찔러 고통을 느끼도록 하면서 다른 생쥐들이 그 장면을 지켜보도록 하면서 쥐의 뇌 움직임과 행동을 관찰했다. 그 결과 쥐들은 공포감을 느끼면 얼어붙는 경우가 많은데 다른 생쥐의 고통스러움을 지켜본 생쥐들이 얼어붙는 모습이 관찰됐다. 가장 늦게 진화한 뇌 부위이자 감정을 관장하는 신피질 영역이 활성화되는 것을 확인했다. 다른 쥐가 고통스러워하는 것을 보면 신피질 부분의 뉴런이 활발히 움직인다는 것이다.연구팀은 약물을 주입해 신피질의 뉴런 활동을 억제한 뒤 똑같은 실험을 했다. 그러나 약물을 주입받은 생쥐는 타인의 고통을 보면서도 전혀 반응하지 않는 것이 확인됐다. 연구팀은 자신의 고통을 느끼고 타인의 고통을 볼 때 활성화되는 뉴런을 ‘공감 거울 뉴런’이라고 명명했다. 쥐의 뇌는 피질구조나 뉴런 형태가 인간의 뇌와 매우 유사해 쥐에게서 나타난 부분은 사람에게서도 똑같이 나타날 것이라고 연구팀은 설명했다. 크리스티앙 케이저스 왕립신경과학연구소 교수는 “이번에 발견한 공감 거울뉴런은 지금까지 해석되지 않았던 불가사의한 정신장애에 대해 어느 정도 설명해줄 뿐만 아니라 우리 진화와 깊이 관계가 있음을 보여준다”라며 “쥐 같은 동물들에게도 공감이라는 근본적 감정이 있는데 사람에게서는 왜 나타나지 않는 경우가 있는지에 대한 추가 연구를 진행할 것”이라고 말했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

뇌는 우리 몸에서 운동과 감각, 정서, 인지, 사고 등 다양한 기능을 조절하는 사령탑이다. 인간의 뇌기능은 인간을 지구상의 어떤 동물보다 강하게 만들었다. 인간은 뇌의 지적 능력으로 지구상에서 특별한 존재가 됐다. 흔히 지능이라고 하면 ‘아이큐’(IQ)를 떠올린다. 다양한 인지적 능력 중 공통적인 능력을 ‘g 요소’라 부르는데, 아이큐는 g 요소를 대변한다. 하지만 이러한 공통분모만이 지능의 전부가 아니다. 다양한 영역의 지능인 ‘다중지능’도 중요한 부분이다. 그렇다면 뇌의 어떤 기능이 지능을 결정하는 것일까. 지능을 결정하는 요인을 단순히 뇌의 크기로 본다면 인간은 코끼리나 고래보다 열등할 것이다. 체중 대비 대뇌피질의 뉴런 수로 보자면 고양이와 돌고래가 인간보다 우위다. 이렇듯 어느 하나의 변수만으로는 인간의 특수성을 완전히 설명하기 어렵다. 따라서 체중 대비 뇌의 무게나 시냅스 개수, 굵고 빠른 축삭, 뉴런 간의 짧은 거리 등 여러 가지 특성의 조합을 고려해 봐야 한다. 수행능력을 담당하는 전전두엽의 백질과 회백질의 부피 비율은 인간이 가장 높다. 특히 뇌부위 간 연결성을 의미하는 백질은 그 비율이 다른 동물에 비해 월등하다. 이는 뇌부위 간의 연결성이 지능의 중요한 역할을 담당한다는 것을 의미한다. 최근 독일 괴테대학의 컬스텐 힐거 박사팀도 이러한 견해를 지지하는 연구 결과를 발표했다. 309명으로부터 얻은 휴식기 기능적 자기공명영상 데이터를 이용해 신경망을 분석했다. 특히 전체적인 네트워크의 하위 구조인 모듈 분석으로 전두엽과 두정엽 신경망 모듈의 연결성이 IQ와 유의미한 상관관계를 나타낸다고 보고했다. 특한 기능을 하는 뇌부위들을 연결하고 통합하는 과정이 지능이 높고 낮음에 영향을 준다는 것을 의미하는 중요한 결과다. 한편 미국 일리노이대학의 애런 바비 교수에 따르면 지능에는 두 가지 종류가 있다. 현재 경험을 과거 정보와 연결하는 ‘결정성’ 지능과 현재 경험에 적응하며 추론하고 문제를 해결하는 ‘유동성’ 지능이 존재한다. 영구적인 뇌연결을 만드는 것보다는 기존 정보를 지속적으로 업데이트하면서 새로운 연결을 만들 수 있을 때 더 좋은 뇌기능을 보인다. 정보 처리 과정에서 결정성 지능 신경망은 쉽게 접근할 수 있는 반면 유동성 지능 신경망은 접근이 어렵다. 따라서 이러한 신경망 사이에서 자유롭게 전환할 수 있는 ‘융통성’이야말로 지능의 핵심이라는 것이다. 요즘은 ‘인공지능’이 대세다. 몇 년 전 알파고가 인간을 능가하는 바둑 실력을 선보인 상징적인 사건이 있었다. 인공지능의 활용은 우리에게 현실로 다가왔다. 하지만 여전히 인공지능에 대한 기대와 우려가 있다. 인간 지능의 뇌과학적 기전에 대해서도 정확히 이해하지 못하고 있다. 뇌과학을 통해 인간 지능의 원리를 좀더 정확히 이해하게 될 때 인간에게 더욱 도움을 줄 수 있는 인공지능을 개발하는 데도 큰 역할을 하게 될 것이라고 기대해 본다.

경쾌한 소리를 내며 입안에서 부서지는 짭짤한 감자칩은 한 번 손대면 멈출 수 없게 만든다. 설탕과 함께 사람들을 매혹시키는 마성의 맛을 갖고 있는 소금은 신체기능 유지에 중요한 역할을 하지만 많이 섭취하면 심혈관질환은 물론 인지장애까지 유발시킬 수 있다. 이 때문에 싱겁게 먹으려고 하지만 쉽지 않다. 과연 우리를 짠맛에 길들이게 하는 것은 뭘까. 미국 캘리포니아공과대(칼텍) 생물학·생명공학부, 터프츠대 의대 신경과학과 공동연구팀이 소금의 짭짤한 맛을 자꾸 찾도록 만드는 신경회로를 발견했다고 밝혔다. 한국인 과학자인 이상준 칼텍 연구원이 제1저자로 참여해 주도한 이번 연구는 세계적인 과학저널 ‘네이처’ 28일자에 실렸다. 인체에서 나트륨이 부족해지면 뇌는 나트륨 소비 촉진 신호를 보내는데 지금까지는 소금 섭취와 관련된 신호 메커니즘이 완전히 파악되지는 못했다. 연구팀은 광유전학 기술의 하나인 ‘칼슘이미징’을 이용해 동물실험을 한 결과 생쥐의 후뇌 부위에서 나트륨 섭취를 조절하는 ‘염분섭취 뉴런’이라는 신경세포를 발견했다. 후뇌는 척수 쪽에 가까운 뇌의 뒤쪽 부분이다. 연구팀은 생쥐가 소금물을 마시면 염분섭취 뉴런의 신호가 점점 줄어들면서 소금물 마시는 것을 멈춘다는 사실을 확인했다. 그렇지만 충분히 소금물을 마신 뒤에도 염분섭취 뉴런을 인 위적으로 자극할 경우 소금물이나 소금덩어리를 계속 찾아는다는 것도 발견했다. 반면 소금물을 위에 직접 주입할 경우에는 염분섭취 뉴런 신호에 영향을 미치지 못한다는 것도 관찰됐다. 이는 소금 섭취를 조절하는데 핵심은 위가 아닌 혀의 미각세포에 있음을 보여준 것이라고 연구팀은 설명했다. 오카 유키 칼텍 교수는 “이번 연구결과는 소금의 맛만으로도 염분섭취 뉴런의 활동을 제어할 수 있음을 보여주고 있다”며 “짠맛을 느끼게 하는 미각만 자극하는 방법을 찾는다면 건강상 소금 섭취를 줄여야 하는 사람들에게도 도움이 될 것”이라고 말했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

‘사촌이 땅을 사면 배가 아프다.’ 표준국어대사전은 이 속담을 ‘남이 잘되는 것을 기뻐해 주지는 않고 오히려 질투하고 시기하는 경우를 비유적으로 이르는 말’이라고 설명한다. 하지만 사촌이 땅을 샀을 때 진짜 배가 아플 수도 있다. 몸과 마음은 연결돼 있기 때문이다. 약 100년 전 하버드 의대 생리학교실의 주임 교수였던 월터 캐논은 스트레스와 연관돼 나타나는 생리적 반응의 기전을 밝혀냈다. 캐논 교수 연구에 따르면 심박동 증가, 발한, 동공 확장 등과 같은 현상은 흉부 교감신경 뉴런이 활성화돼 부신 수질을 자극해 분비되는 물질에 의해 일어난다. 이 물질은 에피네프린과 노르에피네프린 등으로, ‘투쟁 또는 도피’에 대비하기 위한 일종의 예비 반응이다. 이런 반응은 각 기관의 기능에 영향을 준다. 장의 연동 운동을 억제해 소화가 안 되고 복통이 일어날 수도 있다. 사촌이 땅을 사면 정말 배가 아플 수 있는 건 이런 이유에서다. 반대로 부교감신경은 평온한 휴식 상태에서 더욱 활성화돼 심박동 속도를 늦추고 호흡을 안정시키며 장운동을 촉진하고 동공을 수축시킨다. 최근 연구 결과에 따르면 뇌와 부신 수질이 직접 연결될 수도 있다. 미국 피츠버그 의대의 피터 스트릭 교수는 이를 증명하려고 영장류를 대상으로 뉴런의 축삭돌기에서 세포체 방향으로 거슬러 올라가는 추적 물질을 주사했다. 그 결과 전두엽의 운동 피질, 감각 피질 영역, 내측 전전두엽 등에서 추적 물질이 발견됐다. 운동·감각 피질은 어떻게 움직여야 하는지 결정하는 데 중요한 기능을 한다. 내측 전전두엽은 우울증과 관련이 많은 뇌 영역이다. 이런 연구 결과는 뇌에서 일어나는 일이 직접적으로 신체의 스트레스 반응을 일으키는데 기여하고 있음을 시사한다. 몸과 마음, 그리고 뇌의 연결 관계는 ‘사촌이 땅을 사면 배가 아픈’ 것 정도로 그치지 않는다. 스트레스는 심장, 혈압, 신진대사에 광범위한 영향을 준다. 소위 ‘만병의 근원’이다. 마음과 뇌의 건강을 챙겨야 신체도 건강해질 수 있다는 것은 이제 부정할 수 없는 사실이 됐다. 이런 연결성을 생각할 때 신체의 신호는 마음과 뇌의 건강 상태를 반영하는 ‘바로미터’라고 할 수 있다. 이에 대한 면밀한 연구가 필요하다. 최근 개정된 ‘정신질환 진단 및 통계 편람분류 제5판’(DSM-5)은 ‘신체 증상 장애’라는 진단명을 사용한다. 이 진단명은 ‘신체 질환의 원인이 발견되지 않으나 이와 유사한 증상을 유발하는 정신질환’으로 정의한다. 질병 불안 장애, 통증 장애, 신체 이형 장애 등 뇌과학적으로 규명해야 할 질환들이 아직 많다. 흔히 우리는 ‘몸과 마음은 하나’라고 말한다. 하지만 뇌과학이 발달하면서 ‘몸과 뇌는 하나’라는 말로 바꿔야 할 때가 된 것 같다. 몸과 뇌의 연결성에 대한 연구가 활발히 진행돼 몸과 뇌 모두의 총체적인 건강을 이뤄가길 기대한다.

‘화성에서 온 남자 금성에서 온 여자’라는 책 제목처럼, 남성과 여성의 ‘뇌구조’가 뚜렷한 차이를 보인다는 연구결과가 나왔다. 일반적으로 남성과 여성의 성격이나 행동의 차이는 편도체로 불리는 뇌 구조의 작용과 연관돼 있는 것으로 알려져 있다. 편도체는 뇌의 변연계에 속하는 구조의 일부로, 동기나 학습, 감정과 관련된 정보를 처리하는데 중요한 역할을 한다. 미국 메릴랜드의과대학 연구진이 수컷과 암컷 쥐를 이용해 실험한 결과, 편도체에 존재하는 새로운 세포의 개수가 행동과 성격에 큰 영향을 미친다는 것을 확인했다. 수컷의 경우 편도체 내에서 새로 만들어진 세포가 암컷에 비해 적은 것으로 나타났는데, 이는 특정 신경전달 물질에 의해 세포의 생성이 억제되거나 세포가 제거됐기 때문이다. 반면 암컷의 경우 편도체 내에 새로 만들어진 신생 세포가 수컷에 비해 많았다. 이러한 신생 세포는 신경세포의 물질대사와 관계가 있는 교질세포의 형태로 존재하며 신경전달물질의 영향을 받지 않았다. 연구진은 이러한 뇌세포의 차이를 결정짓는 것이 남성호르몬이라고 추측했다. 남성호르몬은 신경계와 면역계, 내분비계 등을 일정한 상태로 유지해 주는 신경전달 물질인 엔도칸나비노이드(Endocannabinoid)의 수용체에 신호를 보내고, 이 때문에 면역세포들이 활성화된다. 즉 남성호르몬으로부터 영향을 받은 신경전달물질이 면역세포에게 편도체의 신생 세포를 제거하도록 명령하는 셈이다. 뿐만 아니라 연구진은 남성호르몬으로 인한 신경전달물질의 변화가 태아에게까지 영향을 미칠 수 있다는 사실도 확인했다. 연구진은 “우리는 남성과 여성의 뇌에 차이점이 있다는 사실을 이미 알고 있다. 하지만 테스토스테론이 뇌 성장과 이에 따른 성격에 정확히 어떤 영향을 미치는지 알지 못했다”면서 “이번 연구는 남성과 여성에 따라 사회적 행동이 달라지며, 여기에는 남성호르몬 및 엔도칸나비노이드라는 신경전달 물질이 관여돼 있다는 것을 확인했다”고 설명했다. 자세한 연구결과는 국제 학술지 뉴런(Neuron) 최신호에 실렸다. 사진=123rf.com 송현서 기자 huimin0217@seoul.co.kr

오류 가능성 높여 정신장애 원인되기도신약이나 새로운 물질을 개발할 때는 항상 동물을 이용해 독성이나 부작용을 확인하는 전임상실험을 합니다. 제브라피시나 초파리, 생쥐도 활용되고 있지만 이런 동물들로 실험을 할 경우 사람에게 나타날 수 있는 문제점이 발견되지 않을 가능성이 높습니다. 그렇기 때문에 사람과 유전자 일치도가 93.5%에 이르는 원숭이로 실험을 하곤 합니다. 원숭이는 사람과 유사성 때문에 뇌과학 연구에서도 많이 활용되고 있습니다. 이스라엘 와이즈만 과학연구소, 텔아비브대 의대, 미국 캘리포니아 로스앤젤레스대(UCLA) 신경외과 공동연구팀은 사람과 원숭이의 뇌를 비교 분석해 ‘뇌 소프트웨어’가 서로 다르다는 것을 밝혀냈습니다. 사람의 높은 지능은 물론 각종 정신장애의 원인도 다름 아닌 진화를 통해 장착된 뇌의 소프트웨어 때문이라는 것입니다. 이런 연구 결과는 생물학 분야 국제학술지 ‘셀’ 17일자에 실렸습니다. 그동안 많은 연구자들은 사람의 뇌를 이해하기 위해 이들 둘의 해부학적 차이(하드웨어)에만 주목해왔습니다. 그렇지만 이번 연구팀은 하드웨어가 아닌 소프트웨어인 뇌신호에 주목한 것입니다. 연구팀은 편도체와 대상피질에 주목해 비교했습니다. 진화적 관점에서 보면 원시적 영역인 편도체는 정서, 특히 공포감정과 공포기억에 관련돼 있으며 대상피질은 학습 같은 정교한 인지기능과 통제를 담당하는 것으로 알려져 있습니다. 뇌과학 연구의 궁극적 목표는 인간의 뇌에 대해 알고자 하는 것이지만, 사람의 뇌를 직접 연구하는 것은 쉽지 않은 일입니다. 멀쩡한 자신의 뇌를 열어 과학자들에게 공개하겠다고 나서는 사람은 없을테니 말입니다. 보통 뇌전증 환자들을 치료할 때는 뇌에 미세한 전극을 이식한 뒤 전기신호를 모니터링하면서 뇌의 어떤 부위에서 이상신호가 발생해 발작을 일으키는지를 찾습니다. 그 다음 이상신호를 유발시키는 손상된 뇌조직과 전극을 제거하는 수술을 하는 것이지요. 치료를 위해 전극이 심어져 있기 때문에 뇌전증 환자들은 이번처럼 뇌기능 연구에도 자발적으로 참여하기도 합니다. 연구팀 역시 뇌전증 수술을 받기 위해 전극을 이식받은 환자 7명과 원숭이 5마리를 대상으로 편도체와 대상피질의 뉴런 움직임을 비교했습니다. 연구팀은 두 영역에 있는 750여개의 뉴런을 대상으로 강건성(robustness)과 효율성(efficiency)을 분석했습니다. 강건성은 일부 뉴런이나 시냅스의 오작동이 있더라도 전체 시스템의 특성이 변하지 않는 성질을 말합니다. 반면 효율성은 정보처리의 속도를 위해 시스템 안정성을 희생하는 것을 의미합니다. 분석 결과 사람은 편도체나 대상피질 모두에서 강건성보다 효율성이 높은 것으로 나타났다고 합니다. 뇌의 효율성이 높다는 것은 환경에 빠르게 적응하기 위해 신경세포의 활성패턴을 빠르게 전환시킬 수 있다는 말이기도 합니다. 인간이 뇌의 효율적 활용을 위해 강건성을 희생한 것으로 해석할 수 있을 것입니다. 효율성 중심의 패턴 때문에 뛰어난 지적 능력을 발휘할 수 있겠지만 그만큼 오류 가능성도 높아집니다. 바로 이 오류가 정신장애라는 결과로 나타날 수 있다는 것이 연구진의 설명입니다. 연구진이 제시한 ‘강건성-효율성 상충가설’에 대해 많은 신경과학자들은 추가 연구를 통해 검증돼야 할 부분이지만 매우 흥미있는 내용이라고 평가하고 있습니다. 그런데 이번 연구 결과를 보면서 문득 스쳐지나간 생각입니다만, ‘이것이 신이 인간을 창조한 증거’라거나 ‘창조과학을 뒷받침하는 증거’라고 주장하는 사람들은 설마 없겠지요. edmondy@seoul.co.kr

“노딜 브렉시트(합의 없는 영국의 유럽연합(EU) 탈퇴) 땐 영국해협에서 누군가 죽을 겁니다. 영국 어선을 프랑스 어선이 전속력으로 들이받으면 거북이처럼 뒤집힐 수밖에 없어요.”(영국 어부 제임스 헬레웰)영국 의회의 브렉시트 합의안 승인 투표가 임박한 가운데 영국 콘월의 뉴린 등지의 어민들 사이에서 노딜 브렉시트 이후 주변 EU 회원국과의 조업권 분쟁에 대한 공포가 확산하고 있다고 알자지라가 지난 12일(현지시간) 전했다. 1970년대 영국과 아이슬란드가 아이슬란드 근해에서 대구의 어업권을 놓고 벌였던 ‘대구전쟁’이 영국과 EU 사이에서 재현되는 게 아니냐는 우려도 나온다. 뉴린은 영국 남서부 끝자락의 항만 도시다. 이 지역 어부들은 주로 프랑스와 마주한 영국해협 일대의 EU 공동어로구역에서 조업한다. 노딜 브렉시트 땐 영국 어부와 EU 어부 사이에 조업권 분쟁이 격화할 우려가 크다. 양측은 이미 지난해 8월 가리비 조업권을 놓고 한 차례 충돌했다. AFP통신 등에 따르면 당시 ‘가리비전쟁’은 프랑스 노르망디 해안에서 22㎞ 떨어진 공해상에서 발생했다. 롭 파슨스 뉴런 항만관리소장은 “어획량이 가장 많은 시기에 이 해역은 조업하기 위험한 바다가 된다. 조업량에 민감한 어부들 사이에 싸움이 벌어지면 사망자까지 나올 것”이라고 내다봤다. 조업권 갈등 외에도 어패류 판매, 선원 수급 등의 문제가 생길 수 있다. 로버트 매크로 선장은 “EU가 ‘우리 시장에 접근할 수 없다’고 하면 어떻게 할 것인가”라면서 “영국 정부가 타협해야 한다”고 촉구했다. 영국은 현재 코린주 일대에서 포획하는 어패류의 약 80%를 유럽 각국으로 수출한다. 또 다른 선장인 아만즈 셀리스는 “뉴런 선원의 30~40%는 유럽 각국에서 왔다”며 노딜 브렉시트가 현실화된 이후 EU 회원국 출신 선원의 신분 문제를 지적했다. 오히려 기회가 될 것이라는 주장도 있다. 폴 트레빌콕 콘월어업인협회장은 “정부가 나서 EU 어선의 근해 조업을 차단해야 한다. 영국 어선의 조업만 허용하는 구역 등을 설정하면 된다”면서 “영국도 노르웨이처럼 생선을 중국 등에 수출하는 어업 선진국이 될 수 있다”고 주장했다. 강신 기자 xin@seoul.co.kr

얼마 전 어려움에 처한 동생을 음식점에서 만나 이야기를 나누고 있을 때였다. 우연히 과거 학창 시절에 친구들을 무척 괴롭히고도 여태껏 미안하다는 말 한마디 안 한 녀석이 옆 테이블에 앉아 있었다. 그는 나를 발견하고 우리 테이블로 다가오더니 다짜고짜 시비를 걸어왔다. 나는 그만하고 당신 자리로 돌아갈 것을 요구하며 손사래를 쳤다. 그러자 자신의 얼굴을 때리려 했다고 트집을 잡으며 내게 사과를 요구해 왔다. 다음날에는 당시 자신이 위협을 받은 증거라며 동영상까지 SNS에 올렸다. 동영상에는 오히려 자신이 얼굴을 들이밀며 시비를 거는 모습만 있을 뿐이었다. 보험사기단도 아니고 어이상실이다.지난해 12월 20일 동해상 중간 수역에서 있었던 우리 해군 함정과 일본 초계기 간 위협적인 행동에 대한 논란이 쉽게 사그라지지 않고 있다. 일본은 우리 함정이 포나 미사일을 발사할 때 사용하는 레이더로 일본 초계기를 조준했다며 사과를 요구해 왔고, 우리는 그 레이더를 켜지도 않았다고 맞서고 있다. 일본은 상호 오해를 풀기 위한 한·일 간 실무화상회의를 개최한 지 불과 하루 만에 영상을 인터넷에 올렸다. 뒤통수를 친 것이다. 일본이 공개한 영상에는 초계기가 우리 함정 가까이 비행하는 장면과 조종사의 대화만 담겨 있을 뿐 우리가 사격용 레이더를 사용했다는 증거는 찾아볼 수 없다. 일본 초계기는 사격용 레이더가 자신들을 겨누고 있다면서도 우리 함정을 회피하기는커녕 오히려 우리 함정 쪽으로 더 가까이 접근하는 비정상적 행동까지 보이고 있다. 일본이 위협을 받았다는 레이더의 정보를 공개하면 될 것인데 비밀이라며 거부하고 있다. 일본이 처음부터 우리의 과잉 대응을 유도해 문제화하려고 했다는 음모론까지 제기되고 있다. 일본 내부에서조차 일본 초계기가 너무 가까이 다가갔다는 평가와 함께 동영상 공개 역시 너무 경솔하게 행동한 것이 아니냐는 비판이 나오고 있다. 그럼에도 일본이 계속 무리수를 두고 있어 지지율이 급락한 아베 내각의 정치적 의도가 의심스러운 것이 사실이다. 또 이번 논란이 발생하기 이틀 전에 내놓은 일본의 군사력 강화 계획인 새로운 방위계획대강의 필요성을 뒷받침하기 위해 이런 일을 벌였을 가능성도 있다고 한다. 정치적이건 군사적이건 어떠한 이유이건 간에 우리를 대상으로 했다는 점에서 씁쓸하고 불편하다. 이번 사건의 본질은 우리 해군 함정의 레이더 작동 여부에 대한 진실 공방이 아니다. 우리 함정이 일본 초계기에 대해 공격을 위한 추적 레이더를 운용하지 않았다는 사실은 변함이 없다. 오히려 북한 어선 구조 활동을 하고 있는 상황에서 일본 초계기가 상식 이하로 가까이 다가온 것이 문제의 발단이다. 인도주의적 구조 활동에 집중하고 있는 함정에 타국의 군용기가 근접 비행을 한 것은 매우 위험하고 비신사적인 행동이다. 일본 초계기가 우리 해군과 해경 함정이 북한 어선을 구조하고 있다는 것을 모르지 않았을 것이다. 일본이 우방국 항공기에 대해 어떻게 그럴 수 있느냐고 하지만, 역으로 우방국 함정이 어선을 구조하고 있는 상황에 무리하게 접근해 방해하는 것이 과연 우방국으로 할 짓인지 반문하고 싶다. 사과를 요구하고 사과를 받아야 할 쪽은 일본이 아니고 우리다. 반대로 우리 초계기가 일본 함정에 똑같이 접근했다면 일본은 어떻게 반응했을지 자못 궁금하다. 그렇다고 앞으로 우리도 일본과 똑같이 하자는 것은 아니다. 미러링이라고 해서 상대방의 행동을 따라해 동질감과 친근감을 주기도 하지만, 반대로 ‘너도 똑같이 당해 봐’라는 식의 잘못된 행동을 따라 해서는 안 될 것이다. 일본이 애당초 사과를 받겠다는 의도가 아니라 정치적으로 이용하고자 했다면 우리가 흥분해 맞대응할수록 일본의 의도에 말려들어 가는 것일 테고 도와주는 꼴이 된다. 우리는 의연하고 좋은 모습을 보여 주면 그만이다. 일본의 뇌에도 우리의 모습을 보고 공감하고 따라하기를 가능케 하는 거울뉴런이란 세포가 있기를 바란다. 정말 한 대 치려고 했다면 이렇게 억울하지도 않을 것이다. 돌아보면 좀더 당당하게 대응하지 못한 것이 못내 아쉽다. 그래도 후회는 없다. 참는 자에게 복이 있나니….

수학에서 어려운 문제는 엄청난 노력과 천재성에 의해서만 풀린다고 생각한다. 미국 클레이연구소는 아직까지 풀리지 않은 7가지 밀레니엄 문제를 내걸어 많은 사람들의 관심을 끌고 있다. 그중 하나인 ‘푸앵카레 추측’은 2002년 러시아의 수학자 페렐만에 의해 풀렸으나 나머지 문제들은 아직도 난제로 남아 있다.순수 수학자뿐만 아니라 컴퓨터공학, 인공지능 연구자들에게도 관심을 끄는 ‘P-NP’라는 밀레니엄 문제가 있다. 이 문제는 ‘순회하는 외판원 문제’라고 불리기도 한다. 여러 도시를 다니며 물건을 파는 사람이 각 도시를 1번씩만 다니되 여행의 거리는 최단이 되게 하려면 어떤 경로로 움직여야 하는가를 묻는 것이다. 간단해 보이지만 도시의 숫자가 늘어날수록 가능한 경우의 수는 기하급수적으로 늘고 최적 경로를 찾는 것은 아주 복잡한 문제가 된다. 4개의 도시만 있는 경우엔 3가지 경로밖에 없지만 8개 도시의 경우에는 2520개의 경로가 생긴다. 수천, 수만개의 도시를 가정한다면 대형 컴퓨터를 동원해 복잡한 알고리즘으로 풀어야 할 정도로 복잡해진다. 그런데 얼마 전 하등 생명체인 아메바 군집에 의해서 외판원 문제가 풀렸다는 소식을 접하게 됐다. ‘황색망사점균’이라 불리는 아메바 군집은 도시 개수가 늘어나더라도 문제 풀이에 걸리는 시간이 예상처럼 기하급수적으로 늘어나지 않았다는 놀라운 소식이었다. 빛을 싫어하고 먹이를 좋아하는 아메바의 속성을 이용해 8개의 도시를 한 번씩만 거쳐가는 경우의 수인 64개의 좁은 채널을 만들고 한 번 갔던 도시의 채널에는 빛을 계속 쪼여 다시 가지 못하게 하는 등의 장치를 만들어 실험한 결과 아메바가 외판원 문제를 놀랍도록 빠른 속도로 해결했다는 것이다. 단세포의 아메바가 단순히 칼슘 농도 변화에 따라 전진한다는 아주 간단한 매커니즘을 통해 이런 문제를 푼다는 것은 놀라우면서도 자연의 비밀을 밝히려는 과학자들에게 시사하는 바 크다. 하나의 세포가 운동 조절 능력을 어떻게 갖추게 되고 어떻게 집단적으로 신호를 주고 받으며 이런 고도의 문제를 풀어내는지 알아내는 것은 매우 흥미로울 것이다. 마치 하나의 원자를 이해하는 것에서 반도체까지 이어지는 놀라운 과학 문명을 이뤘던 지난 세기의 발전을 본다면 남은 21세기에서 있을 엄청난 발전을 기대해 볼 수 있을 것이다. 사실 따지고 보면 인간의 지적 활동들도 뉴런 간 단순한 신호전달에 의한 것이다. 밀레니엄 문제를 푸는 인간의 뇌 속에 어떤 특별한 물리 법칙이 있는 것이 아니고 이런 간단한 것들의 집단화로 완전히 새로운 현상이 나타난다. 수백만년 전의 호모사피엔스나 현재 인간이나 뇌 구조는 별반 다르지 않지만 하는 일은 엄청 다르다는 것만으로도 이를 깨닫게 된다. 이제 2019년 새해가 밝았다. 중국은 2050년까지 원대한 국가로드맵을 만들어 과학굴기를 꿈꾸고 있다. 지난 오천년 역사에서 중국이 강성했던 때 한반도는 항상 위축되어 있었다. 반면 중국에서 혼란이 있을 때 우리는 큰 발전을 했다. 지난 50년간 중국의 경제적 후진성이라는 황금의 기회를 가졌던 한국이 앞으로 올 미래에는 어떤 위치에 놓일 것인가를 심각히 고민해야 할 때가 됐다. 그를 바탕으로 우리 젊은이들이 진정 큰 자부심을 갖고 삶을 누릴 수 있는 나라가 됐으면 싶다.

꿀벌은 비록 뇌 구조가 단순하지만 효과적으로 연결돼 있어 간단한 계산 작업을 수행할 능력이 있는 것으로 밝혀졌다. 최근 영국 런던 퀸메리대 연구팀이 꿀벌 뇌 모델을 이용한 시뮬레이션을 통해 총 4개의 신경세포(뉴런)를 사용해 수를 다섯까지 셀 수 있다는 것을 발견했다. 이처럼 계산에 필요한 뉴런의 수가 적다는 것은 뇌 크기가 뇌 조직만큼 중요하지 않다는 것을 보여준다고 연구팀은 설명했다.시뮬레이션에서는 단순한 뇌가 한 번에 한 가지 작업에 집중하게 함으로써 작은 수를 셀 수 있는 것으로 나타났다. 연구팀에 따르면, 실험에서 벌들은 다섯 개까지 셀 수 있었고 두 값 중 더 작거나 더 큰 값을 선택하도록 훈련받을 수 있었다. 심지어 이들 벌은 두 수량 중 작은 양을 선택하도록 훈련받았을 때 아무것도 없는 영(0)의 값을 선택할 수도 있었다. 이는 벌들이 양적 비교 능력을 얻는 데 복잡한 수학을 이해할 필요가 없다는 것을 보여준다. 연구를 이끈 베리 바사스 박사는 “일반적으로 계산에는 높은 지능과 큰 뇌가 필요하다고 생각하지만, 신경 회로가 매우 작더라도 올바른 방식으로만 연결돼 있으면 계산을 쉽게 할 수 있다는 것을 보여준다”면서 “수리적 개념이 아닌 특정 비행 이동을 사용해 표적을 찾는 벌들의 행동이 이들의 계산 능력을 설명해줄 것”이라고 말했다. 자세한 연구결과는 세계적 학술지 셀(Cell) 자매지인 ‘아이사이언스’(iScience) 13일자에 실렸다. 사진=123rf(위), 아이사이언스 윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr