신경정보기술: 우리가 우리의 뇌 회로를 통제할 수 있을까 | 이진형 | TEDxKFAS

우리의 뇌 회로가 제 기능을 못하면, 인생이 파편이 되어 흩어지게 됩니다. 우리는 기억하고, 걷고, 이야기하고, 심지어는 숨쉬는 능력도 잃게됩니다. 우리가 실시간으로 모든 곳에 있는 사람들과 이야기하고 정보를 얻을 수 있는 세계에 사는 반면, 뇌 질병에 대해 가능한 치료제는 극히 한정되어 있습니다. 신경정보기술 전문가 이진형 박사는 그녀가 뇌 질병에 대한 치료제를 찾고 우리가 뇌 회로를 제어하는 것을 도와주도록 한 감동적인 이야기를 들려줍니다.

이진형 박사는 스탠포드 대학에서 신경학, 신경과학, 바이오엔지니어링, 신경수술, 그리고 전기 공학 보조 교수입니다. 그녀는 전기 공학 분야에서 서울대학교에서 학사 학위를 받고 스탠포드에서 박사 학위를 받았습니다. 그녀는 2010 NIH Director's New Innovator Award 수상자이자 2011 NSF Career award, 2012 Alfred P. Sloan Research Fellowship, the 2012 Epilepsy Therapy Project award, the 2013 Alzheimer’s Association New Investigator Award, and the 2014 IEEE EMBS BRAIN young investigator award 수상자입니다.

제가 사랑하는 할머니께서는
올해 2월 28일에 돌아가셨습니다.

뇌졸중으로 오랜 시간 고생하시다가요.

어느날, 할머니께서 쓰러지셨죠.

몇 일 뒤 할머니는 병원에서 깨어나

몸 오른쪽 부분이 완전히
마비된 당신을 발견하셨습니다.

할머니의 머리에서 터진 것은
그냥 작은 혈관이었지만,

그것은 삶을 바꾸는 영향을 끼쳤으며

이제 할머니는 더이상 스스로
몸을 움직일 수 없게 되셨습니다.

다음 3년 반동안
할머니께선 입원해계셨고,

많은 재활 치료를 받으셨습니다.

결국은 보조자의 엄청난 도움으로

겨우 걸을 수 있게 되셨죠.

그리고, 할머니는 집으로 돌아오신 후
다음 8년을 침대에 누워계시다가

올해 돌아가셨습니다.

할머니께서 이렇게 고통스럽고
파괴적인 질병을 앓으신걸 보면서,

제게 가장 어렵고도 고통스러운 점은

할머니의 머릿속 작은 혈관이 터졌을 때

할머니께서 잃어버리신 것을
다시 드려서

다시 몸을 가누실 수 있게 하기 위해

우리가 할 수 있는 것은
아무것도 없었다는 것이었습니다.

컴퓨터나 휴대폰 같은 기기가 고장나면

우린 무엇을 하죠?

그냥 그걸 편안한 곳에 올려놓고

다시 시작할 때까지
계속 버튼만 누르나요?

음, 네, 전 가끔 그럽니다.

하지만 그걸 정말 고치고 싶다면,
그렇게 해선 안되죠.

기기가 고장나면,
우리는 곧장 다시 시작합니다.

고장난 소프트웨어가 있으면
프로그램을 다시 만들죠.

고장난 전선이 있으면
전선을 교체합니다.

낡거나 고장난 부분이
있으면 교체해버리죠.

질문은: 우리의 뇌에게도
똑같은 일을 할 수 있을까요?

뇌 질환에는 여러 종류가 있습니다.

그중 몇몇은 다음의 것들이죠.

혈관이 터져 뇌에 손상을 주는
뇌졸중도 이에 포함됩니다.

뇌전증이라는 병도 있습니다.

갑자기 아무런 경고도 없이 뇌 속에서

통제불가능한 활동이 일어나

더이상 스스로를
통제할 수 없게 되는 병이죠.

그리고 이것은 우리 대부분에게
아주 낯선 개념으로 보입니다만,

이것은 안좋은 시기, 안좋은 장소에
머리를 부딪히는 것만으로도

여러분 중 누구에게나 일어날 수 있는 일입니다.

또다른 뇌 질환이자 정신의학적 질환은

무기력함과 슬픔을
느끼는 우울증도 있습니다.

자폐라고 불리는 것도 있죠.

아이들이 타인과 관계 맺는 것을
어렵게 여기게 되는 질병입니다.

그리고 신경퇴행성
질병이라는 범주도 있어

이 안에는 파킨슨과
알츠하이머가 포합됩니다.

파킨슨 질병의 경우

떨기 시작하며 더이상
몸 움직임을 조절할 수 없게 되죠.

그리고 알츠하이머의 경우

기억을 잃어 궁극적으로는
스스로가 누군지 잊게 되죠.

신경적질병들이 다양한 반면,

이 모든 것들에 비해
평범한 것도 있습니다.

증가하는 유행과 비용에도 불구하고,

어느 누구에게도 치료약이 없는
아주 흔한 병 하나가 있죠.

화면 위 저 숫자들 보이시나요?

저건 아주, 아주 큰 숫자입니다.

예를 들면, 알츠하이머의 경우

우리는 2050년 쯤이면
알츠하이머를 치료하는데

1.1조를 쓸것으로 예상됩니다.

만약 아무것도 치료하지 못하고
계속 도움만 주는 이 상황이

계속된다면 말이죠.

그건 미국 국내총생산량의
6%를 넘습니다.

지속가능한 숫자가 아니죠.

우리가 사랑하는 사람들을
치료해야 한다는 사실에 이어,

우리는 또한 환자들을 치료하다가

완전히 부도나지 않기 위해
이에 대한 해결책이 필요합니다.

그러니까 질문은: 왜 우리는 이 질병들을
어떻게 치료하는지 모를까요?"

그에 대한 질문은
이 하나의 질문으로 쪼그라듭니다:

뇌는 어떻게 작동할까요?

아시는 분 계신가요?

불행히도 우리 중 어느 누구도 모릅니다.

그리고 우리가 뇌의
원리를 모르기 때문에,

그걸 고치려고 하는 것이 불가능한거죠.

음, 포기하기엔 이릅니다.

우리가 이 상황을 해결하기 위해
무엇을 알고

무엇을 할 수 있는지 생각해봅시다.

먼저 우리가 뇌에 대해 아는 것은

그것이 뉴런이라는 단위로
구성되어 있다는 것입니다.

이것은 아주 특별한 세포죠.

이것은 수상 돌기라는 것을 통해
신호를 받아들입니다.

그리고 이 신호들은
세포 내에서 가공되어,

결과물을 디지털 형태의
전기신호로 만들어내는데,

이것을 활동전위라고 부르죠.

이것은 다음 뉴런으로 메세지를
전달하기 위해 축삭돌기로 보내집니다.

이런 단순한 작업을 하는 작은 장치인 셈이죠.

그리고 많은 뉴런들은
우리의 뇌 속에 합쳐져

뇌 회로를 만듭니다.

그리고 이 뇌 회로는
우리가 하는 모든 것들,

우리의 행동을 통제하기 위해
역동적 전기 신호를 보냅니다.

그러면 이제 해야 할 것은 꽤 간단하죠.

우리가 해야 하는 것은

이 신경 회로들이 어떻게
우리의 행동을 끌어내는지 이해한 후

잘못되면 고치는 것입니다.

듣기엔 쉬울지 모르나,
실제로는 꽤 복잡합니다.

우리가 이에 대해 해결책이 없는
아주 타당한 이유가 있습니다.

이 이유들을 보시죠.

이 이유들 중 몇몇은 꽤 분명합니다.

하나는 우리의 뇌가 두개골로
둘러싸여 있다는 점입니다.

우리의 뇌를 보호하기 위함이죠.

하지만 내부에서 무슨 일이
일어나는지 알아내고자 하는 우리들에겐

일을 정말 어렵게 만듭니다.

뇌가 두개골로 둘러싸여있기 때문에
우리의 모든 현미경 도구들은

내부를 들여보기 위해
쓰일 수가 없습니다.

두개골 안으로 들어가면
더 큰 문제가 있죠.

그것이 엄청 복잡하다는 것입니다.

뇌속에 있는 뉴런의 수는
대략 1000억개 입니다.

1000억이 어느정도인지 알려드리자면,

전 세계 인구를 떠올려보세요.

1000억은 전체 인구보다 큰 규모입니다.

우리는 빅 데이터에 대해 이야기하죠,
다른 사람들 사이의 네트워크입니다.

하지만 사실 우리는 우리의 뇌속에
훨씬 복잡한 것을 가지고 있습니다.

그보다, 저는 뉴런에 대해 말씀드렸죠.

하지만 여러 다른 종류의
뉴런도 있습니다.

그것들은 모두 같지 않습니다.
서로 다른 일들을 하죠.

그리고 그것들은 뇌 속에
밀집하게 섞여있으며,

뇌의 이 부분에는 이 뉴런이 있고

저 부분에는 다른 뉴런이 있다라고

실제로 말할 수 없습니다.

게다가 설상가상으로,

여러분의 모든 뉴런들은,

옆에 있는 뉴런들에게만 말하지 않습니다.

뇌의 다른 부분들에
모두 연결고리가 있어,

아주 거대 규모 연결을 만들어내는데,

이 말은 만약 뇌의
한 부분을 그냥 보게되면,

뉴런이 무엇을 하는지
알 도리가 없다는 겁니다.

그리고 이 모든 것이 결합되어서

뇌의 작동원리를 알아내는 것을
엄청나게 어렵게 만듭니다.

그러나, 이런 상황속에서,

우리는 뇌를 이해하고
이 상황을 어떻게 해결할 것인지를

생각하기 시작해야 합니다.

복잡한 체계를 이해하고 싶다면,

많은 다른 접근들이 있었습니다.

하지만 두가지 다른 것들에
대해 생각해봅시다.

제가 여러분들의 손 위에
새로운 기기를 주었다고 해봅시다.

이것이 휴대폰이라고 해봅시다.

여러분이 이 기기가
무엇인지 알아내는 방법은,

그곳에 앉아 수동적으로 무슨 일이
일어나는지 지켜보는 겁니다.

제가 여러분에게
무슨 휴대폰을 드렸는지에 따라

그곳에 앉아서 몇시간동안
아무일도 일어나지 않을 수도 있습니다.

그리고 그게 실제로는
시계라고 결론짓는거죠.

어떤 시스템에서 의미있는 정보를

얻고 이해하기 위한 훨씬 나은 방법은

그것들과 놀기 위해 노력하는 것입니다.

버튼을 누르고, 입력을 하고,
무슨 일이 일어나는지 보는거죠.

심지어 이 폰이 아무런 전화도
받지 못하는 휴대폰이더라도,

버튼을 누르고 무슨 일이
생기는지 보고있으면,

그것이 전화를 할 수 있고
전화기라는 것을 알게 될 것입니다.

뇌에게도 그런 일을 하기 위해서는,

우리가 무엇을 할 수 있어야 하냐면,

뇌 회로의 특정 회로에
시험용으로 입력하고

전체 손상 부위에 거쳐
역동적인 활동을 측정하는 것입니다.

자, 이것을 하기 위해서,
무엇을 해야할까요?

우리는 두개의 구성요소가 필요합니다.

하나는 고도의 정밀함으로
모든 회로 요소들을 자극하는 것입니다.

방금 전에 회로가 많은 여러 종류의
세포로 이루어져 있다고 말씀드렸죠,

그리고 그것들은
전기 신호로 소통한다고요.

만약 전극을 주입하면-

그건 체계를 동요시키는 데
사용하는 전략입니다-

그리고 뇌에 입력을 하면요.

하지만 많은 종류의
세포가 있기 때문에,

그것이 무엇을 의미하는지
해독하는 것은 아주 어렵습니다.

예를 들면, 휴대폰의 볼륨을
올렸다 내렸다 하는

버튼을 알아내려고 할 때

동시에 두 버튼을 누르면,
어떻게 될까요?

아무 일도 일어나지 않을 수도 있고,

올라가거나, 내려갈수도 있습니다.

이 버튼이 뭘 하는지에 대해
아주 혼란스러움을 느끼겠죠.

당신이 할 수 있어야 하는 것은
이 버튼들을 따로 눌러

한 버튼이 볼륨을 높이고,

다른 버튼이 볼륨을 낮춘다는 것을 본 후,

그것이 무엇을 하는지
똑바로 알아내야 합니다.

그러므로 뇌에게 똑같은 것을 하려면,

우리에게 이것을 해주게 하는
광유전학 기술이라는 고상한 기술이 있습니다.

이것이 하는 것은 유전적으로
뇌 속에 있는 세포를 조작하여

특정한 세포 종류만,
오직 '볼륨 높임' 버튼만

자극에 반응하도록 하는 것입니다.

그럼으로써 이제 우리는 도구로

뇌 속의 특정적인 버튼을 눌러

그것이 무엇을 하는지
이해할 수 있습니다.

이것이 무엇을 의미하는지에 대한
예시를 드리기 위해,

우리는 뇌 속 같은 장소에 위치한

두개의 다른 종류의 뉴런을 자극하는

실험을 보게 될겁니다.

이것들은
중간크기 돌기 뉴런이라고 불립니다.

하나는 D1 수용기이고,
다른 것은 D2 수용기입니다만,

이 두 뉴런들은 같은 장소에 있으며

파킨슨 질병과 같은 것들에 대해
아주 중요한 영향을 끼칩니다.

그리고 이것이 하는 것은,
자극과 별개로,

이것들이 같은 장소에
있는 뉴런들일지라도,

왼쪽에 있는 뉴런들 중
한 개를 자극하면,

쥐가 시계방향으로 돌기 시작하면서

활동이 증가하는 것이 보이실 겁니다.

그리고 다른 경우,

쥐는 반대 방향으로 돌기 시작하다가

가만히 있는 모습을 보실 것입니다.

이때 여러분은 비디오가 설치되었다고
생각하시겠지만 사실 그렇지 않습니다.

이 둘은 정확히 같은 장소에 있는
다른 세포 종류이지만,

우리에겐 이 새로운 유전 도구가 있어서
그것들을 따로따로 조작할 수 있죠.

볼륨 높이기와 낮추기를 따로 해서

이것이 무엇을 하는지 알아내는 것입니다.

휼륭하죠!

뇌 속 중요한 버튼들을

세부적으로 조작할 수 있어야 한다는
한 가지 문제는 해결했네요.

다음으로, 우리가 해야 하는 것은
회로 속의 일을 읽는 것입니다.

우리는 이 버튼을 눌러 총체계에서
무슨 일이 일어나는지 보고자 합니다.

그렇게 하기 위해, 우리는
이 광유전학 자극 기술과

fMRI 기법을 합성하여

이제 시간적 섬세함으로 생물체 내의

특정 세포를 선택적으로
조종할 수 있습니다.

여러분은 이것을 살아있는
뇌 안에서 조종하길 바라시죠-

조직을 추출하면 했던 일을
더이상 하지 않으니까요-

그리고 뇌파 활동 반응을 보는 것을요.

그래서 여기 이제 자극 가능한

실험의 예가 있습니다.

저기 사진 속 파란 선 보이세요?

이것이 해마 속
흥분성 뉴런이라고 불리는

뉴런들을 우리가
구체적으로 잡은 것입니다.

해바는 뇌의 아주 특별한 부분으로

알츠하이머와 뇌전증,

그리고 다른 중요한
신경학적 질병에 영향을 줍니다.

그리고 이제 특히 그것들을 자극하고
그 과정에서 일어나는 일을 감시함으로써

이것들은 뇌의 앞부터
뒤까지의 이미지입니다.

모든 길이죠.

그리고 여러분은 뉴런의
특정 타입을 자극함으로써

뇌의 모든 부분에 무슨 일이
일어나는지 볼 수 있습니다.

이것이 우리에게 의미하는 것은
이제 우리는 도구가 있어

시작하고 수사하고, 보고,

뇌 안에서 일어나는 일에 대한
데이터에 접근 가능하다는 것이죠.

이것이 의미하는 것은
이제 아마도 우리가

신경정보기술의 새로운 시대를
열 수 있게되었다는 뜻입니다.

우리는 더이상 궁금해하지 않아도 되죠:
뇌가 하는 일이 대체 뭘까?

이게 뇌의 소유물인가?
아님 저건가?

대신, 우리는 그곳으로부터
바로 정보 접근이 가능합니다.

질병의 경우,

우리는 뇌 안에서 잘못된 부분에 대해
곧바로 치료할 수 있을지 모릅니다.

지금 시험 중인 가장
유망있는 치료법 중 하나는,

몇몇은 뇌 치료를 위해
병원에서 사용중이구요,

신경자극요법이라는 것입니다.

뇌가 전기 회로이기 때문에,

뇌 속에 전극을 주입하고
잘못된 신호를 방해함으로써,

우리는 그 증상을 없애고자 합니다.

파킨슨 병의 몸떨림과 같은 증상들을

제 기능으로 되돌리는 겁니다.

여기서 키워드는 "방해"입니다.

우리는 우리가 정말로 무엇을 하는지
모르기 때문에 '방해한다'고 합니다.

우리가 원치 않는 일을 하는 것이었죠.

우리는 그걸 그곳에 놓고 제압한 했는데,

그것은 가끔은 우리에게
만족할만한 결과를 주었죠.

하지만 이제 우리는 뇌 속 정보를
곧바로 얻을 수 있습니다.

이것이 말하는 것은,
이제 방해하는 대신,

우리는 우리의 뇌가 할 수 있는 일을
다시 조정할 수 있다는 것입니다.

게다가,

만약 피해가 더 광범위하다면,
정말 일부분을 교체해야한다면,

줄기세포요법이 우리에게
약속하는 것이기도 합니다만,

우리가 강력한 줄기 세포 요법이
있다는 사실에도 불구하고

우리가 줄기 세포로 뇌 질병 치료에서

나아가지 못하는 이유들 중 하나는

그것이 뇌로 들어가게 되면
무슨 일을 하는지

정확히 알 방법이 없기 때문입니다.

그리고 안으로 주입해서

모든 정보를 볼 수 있게 해주는
프로그램된 줄기 세포를 가짐으로써,

우리는 어쩌면 일부를 교체하는
시대에 진입할지도 모릅니다.

그리고 우리가 신경정보기술의 시대로

진입하게 해주는 이 모든 기술들로,

우리는 더 이상 스스로의 뇌를
통제할 수 없다는 것에

좌절하지 않아도 되는

새로운 시대를 열 수 있을지도 모릅니다.

질병을 고치는 것과 더불어,

신경학적 정보와 데이터에
접근 가능한 미래는

질병을 치료하는 것보다
훨씬 많은 것을 약속합니다.

영화 '아바타' 에서
제가 좋아하는 장면이 나오는데,

여기에서는 인간 뇌가
아바타의 뇌에 씌워지죠.

이 특정 장면에서,
싱크는 40.665% 완벽합니다.

이것은 지금으로써는
그냥 판타지이고 영화입니다.

하지만 여러분의 신경학적 정보에
접근할 수 있게되면,

우리가 그것으로 할 수
있는 힘은 무한해집니다.

제 할머니가 절실히
그것을 필요로 하던 때

그 분을 돕지 못했다는 점에서는
저를 정말로 슬프게 하네요.

하지만, 우리가 정보 기술의

새로운 시대를 향해
용감한 발걸음을 내딛는동안

할머니께서 우리의 뇌 속에
살아계실 거라고 저는 꿈꾸고 바랍니다.

정말 감사합니다.

(박수)