마음은 어떤 모양일까... 시냅스와 자아

책표지

뇌는 우리를 움직이게 한다. 생각을 하고 판단을 하며, 사랑, 슬픔, 기쁨 등의 감정도 느낀다.

그래서 인류의 오랜 궁금중은 "뇌는 도대체 어떻게 마음을 만들까"였다.

 

이런 물음에 "뇌과학"이란 이름으로 인류는 답을 찾고자 한다.

특성상 심리학과 밀접한 관계를 가지기도 하지만 최대한 생물학적 메커니즘으로 우리의 마음을 설명한다.

 

이 책은 다소 오래전에 출판되었지만 뇌과학의 입문서로써, 대중과학도서로써 전혀 손색이 없다.

나는 인공지능의 더 넓은 지식을 얻으려고 읽어보았는데 역시 둘은 무척이나 닮았다.

 

 

시냅스

뉴런

뇌의 기본 세포는 그 유명한 뉴런이다.

하지만 중요한 것은 시냅스다. 시냅스란 뉴런 사이의 살짝 띄어진 연결 공간인데 입력과 출력을 담당한다.

입력과 출력이 어떤 방식으로 이루어지느냐에 따라 완전히 다른 결과가 나온다. 사실상 시냅스가 뇌를 작동한다.

 

 

시냅스 회로

예상했겠지만 시냅스는 회로를 구성한다.

일대일, 일대다, 다대일, 다대다 모두 가능하다. 이점은 딥러닝의 신경망 또는 전자회로와 비슷하다. 여기가 원조겠지만..

어쨋든 복잡하고 다양한 일들을 제한된 공간에서 해내기 위해선 서로 얶히고 얶혀야 한다.

 

 

시냅스 활동 준비

시냅스에서는 화학물질이 전달된다. 이를 신경전달물질이라 하는데 인터넷 네트워크의 패킷과 일부 비슷한 면이 있다.

시냅스 전(입력하는 쪽, 축삭 측)의 신경전달물질이 시냅스 후(입력받는 쪽, 수상돌기 측)에 충분히 전달되면 뉴런은 축삭으로 전기적 신호인 전위를 발생시켜 다음 뉴런으로 보내는 신경전달물질을 분비한다. 이런 과정이 계속되면서 회로가 작동한다.

 

 

시냅스 회로 집합

시냅스 회로는 기능별 또는 지역별로 묶인다.

마치 분업화된 공장처럼 계층적으로 더 정교한 일을 하기도 하고, 되먹힘이라 하여 서로 영향을 주고받기도 한다.

또한 한 지역의 회로가 전체 지역과 연결되어 방향성을 제시하는 경우도 있다.

 

 

시냅스 회로 통제

신경전달물질

인공지능 신경망에서 활성화 함수는 중요한 역할을 한다. 전 단계의 연산을 다음 단계에서도 이어지게 하느냐를 결정하기 때문이다.

다시 말해, 전 단계의 연산이 더 이상 필요 없으면 폐기하여 유의미한 결과값이 나오게 한다.

사실, 활성화 함수는 시냅스의 흥분과 억제 연결을 알고리즘화 한 것이다.

 

예를 들어, 흥분성 신경전달물질인 글루타메이트를 분비하는 시냅스 전 뉴런과 억제성인 가바를 분비하는 시냅스 전 뉴런이 함께 활성화되면 이 둘의 시냅스 후 뉴런은 전위를 축삭으로 보내지 않는다.(활성 임계점을 넘지 못하므로) 당연히 시냅스 회로는 멈춘다.

 

 

시냅스 배선

흔히들 뇌세포는 한번 죽으면 재생되지 않는다고 한다. 반은 맞고 반은 틀린 말인 것 같다.

뉴런은 청소년 시기까지만 생겨나고 이후에는 거의 생기지 않는데, 대신에 학습을 통해서 강화된다고 알려져 있다.

연구결과에 의하면 입력을 자주 받는 뉴런에는 시냅스가 더 생겨나고 그 반대일 경우는 시냅스가 사라지면서 결국 사멸한다.

머리가 텅 비었다는 말이 이런 걸 두고 말하는 건인가ㅎㅎ

한편, 뇌의 일부를 다친 사람도 재활치료로 정상적인 삶을 이어갈 수 있는 이유도 여기에 있다.

 

 

헵 가소성

헵 가소성을 빼고는 뇌과학을 논할 수 없다.

약한 자극과 강한 자극을 동시에 느끼면 약한 자극도 강한 자극이 된다는 간단한 원리이다. 뇌의 학습 방식을 뜻하기 한다.

가령, 좀처럼 외워지지 않던 영단어도 다른 무언가와 연관시키면 잘 외워지는 경우이다.

 

반복하여 장기적으로 헵 가소성이 가해지면 시냅스에 각인되어 학습이 이루어진다.

 

 

장기기억강화(LTP)

그렇다면 헵 가소성은 어떤 식으로 일어날까?

장기기억 강화(LTP)라는 현상으로 설명할 수 있다. 이 현상은 일시적인 시냅스 회로 활동이 특정 사항에서 오랫동안 지속되는 것을 말한다.

특정 사항이란 강한 자극이다.

 

자극 입력을 받은 시냅스에는 꼬리표가 생기는데, 강한 자극일 경우에는 뉴런의 핵까지 도달하여 특정 단백질을 만들어 낸다.

이 단백질은 뉴런 전체의 시냅스로 이동해 시냅스가 계속 입력을 받도록 촉진한다. 하지만 꼬리표가 달린 시냅스에만 작용하게 된다.

 

만약, 약한 자극이 들어오면 핵까지 도달하지 못해 단백질이 만들어지지 않는다. 하지만 시냅스에는 꼬리표가 달린다.

그렇지만 다른 시냅스로 강한 자극도 들어온다면 단백질이 생성되어 꼬리표가 달렸던 약한 자극까지 지속적인 입력을 촉진받게 된다.

 

이상. 더 자세한 내용은 책으로 보길 바란다..

 

 

마음은 어떤 모양일까?

"나는 나의 시냅스들이다"라는 저자의 말처럼 마음 또한 시냅스들이다.

 

 

 

 

 

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