뇌과학모임

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에델만은 뇌 기능에 대한 생물학적 설명원리로서 뉴런 집단선택 이론(the theory of neuronal group selection, TNGS)을 제시한다. 그리고 이 이론만으로  지각 범주화, 기억, 학습, 개념형성(언어의 전단계), 1차의식, 고차의식까지 뇌가 일으키는 모든 기능을 설명하기에 충분하다가 말한다. 이 이론이 맞다면 이 얼마나 대단한 이론인가!





1) TNGS 이해를 위한 기초





뇌를 구성하는 뉴런은 뇌 발생과정의 매우 초기까지만 분열하고 그 이후에는 이동하며 다른 뉴런과의 연결 즉 시냅스를 형성한다. 이때 한 뉴런이 어디로 이동할 것인가 그리고 어떤 뉴런들과 시냅스를 형성할 것인가 하는 것은 유전적으로 프로그램된 과정이 아니며 주변 환경과 주변 세포와의 상호작용의 결과로 결정된다. 즉 이 과정은 장소-의존적이고 후성적인 위상생물학적 과정인 것이다. 다른 한편 뉴런들이 다른 뉴런들과 연결되는 과정에서 적절한 시냅스를 형성하여 충분한 자극을 받지 못하는 경우 소멸(죽음)되기도 한다.


따라서 뉴런들의 상호연결에 의해 형성되는 신경망은 개체마다 특이성을 지니며 그 변이성은 무한하다고 할 만큼 다양하다.


이와 같이 뇌 발생과정에서 뉴런들이 주변환경과의 상호작용의 결과로 형성하는 특이적 연결망을 ‘1차 레퍼토리’라 부르며 그 과정을 ‘발생 선택’이라 한다.





뉴런들의 특이적 연결망인 ‘1차 레퍼토리’는 고정된 것이 아니다. 즉 이 뉴런 연결망을 구성하는 시냅스들은 임신기간과 출생 후에도 외부 자극(지각 경험, 학습...)에 의해 끓임없이 변화하는 역동적인 과정을 겪게 된다. 시냅스들 즉 뉴런들간의 연결은 강화되거나 약화된다. 그런데 여기서 강화 또는 약화되는 시냅스들의 선택은 개별 뉴런이나 시냅스 차원에서 일어나는 것은 아니며 수 많은 뉴런들과 시냅스들로 구성된 뉴런 연결망 즉 뉴런 집단에 작용하는 것이다. 다시 말해 강화되거나 약화되는 것은 언제나 뉴런 집단 즉 특정 뉴런 연결망이다(이것을 map이라고 부를 수도 있다). 이렇게 선택이 뉴런 집단에 작용하게 되는 이유는 뇌의 기능단위가 개별 뉴런이 아니라 상호연결된 뉴런 집단이기 때문이다.


이와 같이 뉴런들의 ‘1차 레퍼토리’가 역동적 변화를 겪은 결과 형성되는 다양한 기능 회로를 ‘2차 레퍼토리’라 하며 그 과정을 ‘경험 선택’이라 한다. 여기서 주목해야 할 것은 ‘2차 레퍼토리’ 또한 고정된 것이 아니라는 것이다. 발생해부학적 개념인 ‘1차 레퍼토리’와는 달리 ‘2차 레퍼토리’는 기능적인 개념이기 때문에 그것은 일생동안 끎임없이 변화한다. 우리의 뇌 안에서는 한 순간 이런 ‘레퍼토리’가 선택되는가 하면 다음 순간에는 저런 ‘레퍼토리’가 선택된다.





뇌 기능의 기초가 되는 뉴런의 작용을 이해하고자 할 때 한 가지 중요한 점은 뉴런들이 어떤 뇌 기능에 관여할 때 그것은 개별적으로가 아니라 집단적으로 관여한다는 것이다. 앞서 언급한 바와 같이 뇌의 기능단위는 개별 뉴런이 아니라 뉴런 집단이다. 그리고 서로 밀접하게 연결되어 있으며 특정 뇌 기능에 관여하는 뉴런 집단을 ‘map’이라고 한다. 우리 뇌에는 크고 작은 수 많은 map들이 그려져 있다 - 오해하지 말아야 할 것은 map은 2차원적인 개념이 아니라 3차원적인 개념이라는 것이다. 다른 한편 이와 같이 뉴런들이 개별적으로가 아니라 집단적으로 기능한다면 매우 유용한 속성을 갖게 된다. 예를 들어 개별 뉴런들은 다른 뉴런을 자극하거나 억제하는 성질이 있지만 그 두 성질을 동시에 가지지는 않는다. 반면 이런 두 종류의 뉴런들이 섞여 있는 집단은 상반된 두 성질을 동시에 가질 수 있다.





뉴런들의 집단인 map들은 서로 재입력 신경섬유들(reentrant fibers)에 의해 연결되어 있다(재입력 지도화, reentrant mapping). 서로 연결되어 있는 map들은 인접한 경우도 있지만 공간적으로 매우 멀리 떨어진 경우도 있다. 또한 상호 연결된 map들을 자극하는 신호(입력)의 종류가 다를 수도 있다. 예를 들어 map A는 시각 자극에 반응하는데 이와 연결된 map B는 촉각 신호에 반응할 수도 있다. 이것은 매우 중요한 의미를 갖는다. 앞서 뇌 기능에 있어 선택되는 것은 뉴런 집단이라고 말한 바 있는데 만약 뉴런 집단들이 재입력 신경섬유에 의해 서로 연결되어 있다면 이는 하나의 map내에서 뉴런 집단이 선택될 때 서로 다른 map 내에 위치한 여러 집단들이 동시에 선택될 수도 있음을 의미하기 때문이다. 그것도 서로 다른 종류의 자극에 대해서...


다른 한편 이와 같은  개념에는 지각의 통일성 문제 즉 binding problem을 설명할 수 있는 단서가 담겨져 있다. reentrant mapping 개념을 활용한다면 지각의 통일성은 어떤 상위의 통합구조나 뉴런 발화의 시간적 동기성을 가정하지 않고도 이 문제에 답할 수 있다. 즉 map들은 그저 서로 연결되어 있기만 하면 된다.





Continued...

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    이정원 2007.11.19 08:03
    매번 올려주시는 요약 정리가 공부에 매우 도움이 되고 있습니다. 감사합니다.
    에델만 책은 반 정도 읽었는데 저도 정리되는대로 생각을 올려보겠습니다.
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    박문호 2007.11.19 08:03
    이렇게 올려 주어서 에델만의 주요 내용들을 공부하는데
    많은 도움이 됩니다. 엄준호 박사님 기록 감사합니다.
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    조동환 2007.11.19 08:03
    아직 요약정리까지의 단계는 가지 못했고 조금씩 읽고 있습니다.
    '경이로운지구'를 4편까지 봤고 '뇌와 생각의 출현'은 5강까지 두번씩 봤습니다.
    책은 진도가 잘 나가지 않네요.

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