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자, 그럼 이 엄청난 수신기를 자세히 살펴 보도록 하죠.
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여기 보라색 뉴런 중 하나를 확대해보면 바깥쪽 피막에 미세한 기공들이 산재해 있는 걸 보실 수 있습니다.
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이런 기공들은 전류를 유도하고 신경계의 모든 의사소통을 담당하고 있습니다.
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그러나 여기 있는 기공들은 특별합니다.
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이 기공은 여러분의 눈과 비슷한 빛 수용체와 결합되어 있습니다.
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이 수용체에 빛이 쪼여질 때마다 기공이 열리게 되면 전류가 연결되고 뉴런은 전기적 자극을 보내는 겁니다.
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왜냐하면 광(光)활성된 기공은 DNA에 암호화되어 있기 때문에 놀라운 정밀성을 갖게 되는 것이죠.
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그래서 이것이 우리 몸에 모든 세포들이 같은 조합의 유전자를 가지고 있음에도 불구하고 유전자의 다른 조합이 서로 다른 세포에서 반응했다 안 했다 하는 이유인 것이죠.
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여러분은 이걸 이용해서 몇 개의 뉴런만 광(光)활성된 기공을 가지고 있고 다른 것들은 그렇지 않다는 걸 확인할 수 있습니다.
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여기 그림에서 좌측 상단에 있는 푸르스름한 하얀 세포는 빛에 반응 하지 않고 있죠. 왜냐하면 광(光)활성된 기공이 없기 때문이죠.
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이런 시도가 잘 되면 우리는 완전히 인위적인 메시지를 작성해서 뇌에 직접 보낼 수 있습니다.
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이 그래프에서 각각의 전기 자극과 궤적을 벗어난 이탈은 순간적인 빛의 진동 때문에 발생한 겁니다.
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그리고 이러한 사례는 움직이거나 활동중인 동물에서도 볼 수 있죠.
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이건 갈바니의 광학적 실험 버전에 해당하는 최초의 실험이죠.
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이 실험은 당시 저의 학생이었던 수사나 리마가 6-7년 정도 전에 했던 것입니다.
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수사나는 왼쪽에 보시는 초파리를 조작해서 초파리 뇌의 이십 만 개 세포 중 단 두 개 만이 광(光)활성된 기공을 나타내도록 했습니다.
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여러분은 아마도 이 세포에 익숙 하실텐데요. 바로 이 세포가 여러분이 파리를 잡을 때 사람을 힘들게 만드는 세포기 때문이죠.
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이 세포는 여러분이 손을 움직여 파리를 잡으려고 할 때마다 파리가 공중으로 날아가 버리게 하는 반사 반응 가능하게 하는 세포죠.
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그리고 빛을 쪼여주는 건 같은 효과를 발생시킨다는 걸 보실 수 있습니다.
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파리가 뛰어올라서 날개를 펴고, 파닥거리는 겁니다. 그러나 파리는 실제로는 날아오르지는 못합니다. 왜냐하면 두 장의 유리판 사이에 끼여 있기 때문입니다.
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자, 이제 확인할 건 파리가 빛을 볼 수 있어서 반응을 한 것이 아니라는 겁니다. 수사나는 간단하지만 잔인하게 효과적인 실험을 했는데
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파리의 머리를 떼어버린 거였죠.
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이렇게 머리 없는 몸으로 약 하루 정도 살 수 있긴 하지만 별로 할 수 있는 일은 없습니다.
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그냥 서성이거나 열심히 몸단장 하는 행동을 하는 게 다입니다.
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참수당하고도 남아 있는 유일한 습성은 허영심 같네요.
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(웃음) 어쨌든 잠시 후에 보시 듯 수사나가 이 파리의 척수에 해당하는 비행 기관을 작동시켜서 이 머리 없는 파리 몸체가 실제로 날 수 있게 했죠.
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분명한 건 파리가 멀리 가진 못했다는 겁니다.
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우리가 이러한 첫 걸음을 내딛은 이후 광(光)유전학 분야는 폭발적 성장을 했습니다.
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지금은 수 백 개의 연구실이 이러한 방법으로 연구하고 있습니다.
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우리는 갈바니와 수사나의 이런 동물들을 움찔거리게 하거나 뛰어오르게 하는 첫 번째 실험 성공 이후 먼 길을 걸어 왔습니다.
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우리는 이제 실제로 심리학에 관여하게 되었죠. 보다 심오한 방법을 통해서 말입니다. 여기 마지막 사례를 보여 드리겠습니다. 아마도 익숙한 질문에서 나온 것일 겁니다.
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삶이란 다음에 무엇을 할 것인지 정해야 하는 끊임없는 압력이 생기는 선택의 연속이라는 거죠.
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우리는 뇌를 가지고 있기 때문에 이러한 압력을 조절합니다. 우리 뇌안에는 제가 '행위자' 라고 부르는 의사 결정 본부가 있죠.
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이 행위자 기관은 주변 환경의 상태와 우리가 움직이는 맥락을 고려하는 정책을 수행시킵니다.
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우리의 행동은 환경이나 맥락을 변화시키죠. 그리고 이러한 변화는 다시 의사 결정 과정으로 반영되고요.
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이런 추상적인 모델에 신경생물학적인 골자를 더하기 위해서 우리가 가장 좋아하는 실험 대상인 초파리를 위한 간단한 일차원 세계를 구성해봤죠.
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두 개의 수직 구조의 각 방에는 한 마리의 파리가 들어 있습니다.
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각 방의 오른쪽 반과 왼쪽 반은 두 가지 다른 향으로 채워져 있죠. 그리고 감시 카메라는 오른쪽과 왼쪽 사이에서 빨리 움직이는지 느리게 움직이는지를 보는 겁니다.
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이건 그 CCTV 기록인데요.
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두 향이 겹치는 방의 중간 지점에 이를 때마다 파리는 결정을 내려야 합니다.
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되돌아 갈 것인지 아니면 같은 향 속에 있을 것인지 말이죠. 아니면 중간 지점을 넘어서 뭔가 새로운 것을 시도할 것인지 말입니다.
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이러한 결정은 분명히 행위자 기관의 정책이 반영된 것이죠.
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음, 파리와 같은 지적인 생명체한테 이런 정책은 석판에 새겨진 것이라기 보다는 경험을 통해 배워가면서 변화하는 것이죠.
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우리는 이런 적응적 지능 같은 요소를 파리의 뇌가 행위자 기관 뿐만 아니라 다른 그룹의 세포, 즉 행위자 기관의 선택에 대해 끊임없는 평가를 해주는 '비평가' 도 포함하고 있다는 가정을 함으로써 우리의 모델에 통합할 수 있습니다.
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이런 잔소리 같은 내부 목소리는 만약 여러분이 저같은 호주 사람이라면, 머리 속에 있는 일종의 성당이라고 생각하실 수 있고요. 프로이드를 믿으시면 초자아 라고 보실 수도 있고요. (초자아:자아를 감시하는 무의식적 양심) 여러분이 유대인이라면 어머니로 보실 수도 있겠죠.
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(웃음) 분명한 건 비평의 역할은 우리를 지적으로 만드는 중요한 요소라는 겁니다.
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그래서 우리는 파리의 뇌의 어느 세포가 비평가의 역할을 담당하는지 규명해보기로 하였죠.
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우리가 수행한 실험의 논리는 간단했습니다.
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비평가 기관의 세포를 활성화시키기 위해서 광학적 원격 제어를 이용하려면 우리는 인위적으로 행위자 기관에게 정책을 바꾸라고 잔소리를 할 수 있어야 한다는 것이었죠.
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다시 말하면 파리는 자기가 한 실수를 통해서 뭔가를 배워야 하지만 현실에서는 실수를 하지 않거든요.
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그래서 우리는 광(光)연상작용이 가능한 세포가 거의 무작위로 분포된 뇌를 갖고 있는 파리를 배양했죠.
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그리고 이 파리가 선택을 내리도록 실험했습니다.
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두 가지 선택 중에 하나의 결정을 할 때마다 즉, 한 개의 향을 선택하는 거죠. 이 경우엔 주황색이 아닌 파란색을 선택하면 불이 켜지는 거였죠.
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광(光)활성성 세포 가운데 비평가 역할을 하는 세포가 있다면 그 비평가 세포의 중재의 결과는 정책에 변화를 가져 올 것입니다.
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그래서 파리는 광학적으로 강화된 향을 피하게 되는 걸 배우는 것입니다.
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여기 두 가지 경우가 있습니다. 두 가지 종의 파리을 비교해 보면 각각의 종은 약 백 여 개의 광(光)연상성 뇌세포를 가지고 있습니다. 여기 왼쪽과 오른쪽에 보이는 녹색의 것입니다.
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이들 세포 그룹의 공통점은 모두 신경 전달 물질인 도파민을 분비한다는 것입니다.
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그러나 도파민을 분비하는 각각의 뉴런의 특성은 왼쪽과 오른쪽이 각각 분명하게 많이 다릅니다.
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빛으로 활성화되는 이들 수 백 개의 세포는 두 종류의 파리들에게 각각 있는데 극단적으로 다른 결과를 가져오죠.
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오른쪽의 파리 집단의 행동을 먼저 보시면, 두 향이 만나는 방의 중간 지점에 다다를 때 마다 예전에 그랬듯이 그냥 쭉 직진합니다.
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이들의 행동은 전혀 변하지 않았죠.
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하지만 왼쪽 그룹에 있는 파리의 행동은 상당히 다릅니다.
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중간 지점에 다다를 때 마다 멈춥니다. 새로운 환경을 마주하면 킁킁 거리며 냄새 맡는 것처럼 새로운 향을 조심스럽게 살펴보고 돌아서 버립니다.
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이건 오른쪽 공간에 있는 향을 피하라는 주문을 행위자 기관이 정책에 반영한다는 걸 의미합니다.
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이것은 비평가 기관이 파리 안에서 뭔가를 말했다는 것을 뜻하는 겁니다. 그리고 그 비평가 기관은 분명히 왼쪽 그룹의 도파민 분비 뉴런 중에 하나라는 겁니다. 오른쪽의 도파민 분비 뉴런 중에 있는 게 아니죠.
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그러한 많은 실험을 통해서 우리는 비평가 기관의 실체를 단 12개의 세포로 압축했습니다.
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여기 녹색으로 보여지는 12 개의 세포는 여기 회색 부분의 버섯형 몸체로 불리우는 두뇌 구조에 출력을 보냅니다.
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우리는 정형적인 모델을 통해서 비평가 기관의 잔소리를 수용하는 최종 두뇌 구조는 행위자 기관이라는 걸 알아냈죠.
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그래서 이 해부도는 여기 버섯형 몸체가 행위의 선택과 관련이 있다는 걸 보여줍니다.
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버섯형 몸체에 관해 우리가 알고 있는 모든 것에 의하면 이건 완전히 이해되는 겁니다.
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사실 우리가 파리의 행동을 자극시키는 전기 장난감 회로를 만들었다고 하면 잘 이해가 되겠군요.
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이 전기 장난감 회로에서 버섯형 몸체 뉴런은 보드 가운데에 있는 파란색 LED의 수직 단자로 상징됩니다.
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이 LED들은 대기 중에 있는 냄새 분자의 존재를 감지할 수 있는 센서에 연결되어 있죠.
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각각의 향은 서로 다른 조합의 센서들을 활성하시키는데, 이건 버섯형 몸체에 있는 다른 냄새 감지 장치를 활성화시킵니다.
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그래서 파리의 조종석에 있는 파일럿, 즉, 행위자가 어떤 파란색 LED가 켜져 있는지 보게 되면 어떤 향이 존재하는지 구분해내는 것입니다.
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행위자가 이러한 정보를 가지고 하는 일은 그 정책에 달려있는데 이건 냄새 감지 장치와 파리가 도망가게 하는 동력을 주는 운동 신경 사이의 연결 강도에 저장이 되는 겁니다.
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만약 연결이 약하면 운동 기관은 작동되지 않고 파리는 그대로 앞으로 가던 길을 가게 될 것이고
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반면 연결이 강하면 운동 기관이 작동 되어서 파리는 방향을 바꾸게 되겠죠.
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자, 운동 기관이 작동 되지 않는 파리가 가던 길을 계속 가는 상황을 생각해보세요. 이건 파리가 탁 잡히게 되는 아주 고통스런 결과를 초래할 것입니다.
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이 같은 상황에서 우리는 비평가 기관이 행위자 기관한테 계획을 바꾸라고 말하라고 하고 싶겠죠.
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우리는 빛으로 비평가 기관이 작동되게 하여서 이러한 상황을 인위적으로 만든 겁니다.
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그것은 현재 활성화된 냄새 감지 장치와 운동 기관 사이의 연결을 강화시키게 됩니다.
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그래서 그 다음에 파리는 다시 같은 냄새와 마주치게 되고 연결이 강화되면 운동 기관이 작동되고 회피 동작이 실행되는 겁니다.
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저는 여러분에 대해 잘 알지 못합니다만 어떻게 모호한 심리학적 개념이 마음에 대한 물리적이고 기계적인 이해를 유발시키는가를 보는 게 매우 흥미롭다고 봅니다.. 그게 아무리 파리의 마음이라고 할지라도요.
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이건 정말 좋은 소식입니다.
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그리고 적어도 과학자에게 좋은 또 다른 소식은 발견되어야 할 것이 아직 많이 남아 있다는 겁니다.
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제가 말씀드린 실험에서 우리는 비평가 기관의 실체를 드러냈지만, 그러나 우리는 아직 비평가 기관이 어떻게 그 일을 수행하는지 알지 못합니다.
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생각해 보세요. 선생님이나 어머니가 뭐가 잘못 되었는지 여러분에게 말해주지 않는다면 그걸 인식하는 건 아주 어려운 문제일 겁니다.
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컴퓨터 사이언스와 인공 지능 분야에도 이런 일이 어떻게 이뤄지는 지에 관해서 약간의 개념이 있습니다. 하지만 우리는 지적 행동이 어떻게 살아 있는 물질의 물리적 작용으로부터 파생되는지에 대한 하나의 예도 풀어내지 못했습니다.
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멀지 않은 미래에 풀릴 것이라고 저는 생각합니다.
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감사합니다.
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(박수)
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뭐, 얘기할 것들이 많습니다만, 일단, 제 연주로 시작하려 합니다.
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(음악) ♫ 내가 아침에 ♫ ♫ 일어났을 때 ♫ ♫ 커피를 따르고 ♫ ♫ 신문을 읽고 ♫ ♫ 그리곤 천천히 ♫ ♫ 그리고 매우 부드럽게 ♫ ♫ 설거지를 하고 ♫ ♫ 물고기들에게 먹이를 주고 ♫ ♫ 당신은 내게 생일축하 노래를 불러요 ♫ ♫ 마치 그날이 ♫ ♫ 이 세상에서 당신의 ♫ ♫ 마지막인 날이 될 것처럼 ♫ (박수) 자 그럼.
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전 오늘 좀 특별한 것을 하고 싶었습니다.
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지난 5~6 개월간 작업해온 신곡을 발표하고 싶었습니다.
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노래를 관객들 앞에서 처음으로 선보이는 것보다 더 흥분되는 일은 별로 없죠. 특히 그 곡이 반정도 미완성일 때는 말입니다.
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(웃음) 이 자리에서 이루어질 대화가 곡의 완성에 도움이 될 수 있기를 바랍니다.
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이 노래는 모든 종류의 말도 안 되는 분야까지 들어가기 때문입니다.
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