알고 보면 쓸모 있는 뇌과학 이야기

뇌질환 극복부터 뇌기능 극대화까지

어익수 , 박문호 , 장경인 , 김기웅 , 최원석 지음

콘텐츠하다 2018년 06월 12일 출간 종이책 : 2018년 05월 18일 출간

작품소개

책소개

뇌신경학부터 뇌의학, 뇌공학까지
뇌과학 탐험자를 위한 안내서

21세기는 ‘뇌의 시대’라고 한다. 20세기의 과학은 뉴턴이 물리학의 토대를 만들고 아인슈타인의 상대성이론은 물리학의 새로운 지평을 열었다. 이제 인간은 자연과 우주의 원리를 이해하는 이성적 도구인 물리학을 자산으로 미지의 영역이라 생각하던, 뇌의 신비를 파헤치려 한다. 생각해보면 ‘뇌’는 인간의 전부라고 할 수 있다. 인간의 몸은 뇌가 궁금한 것을 읽고 뇌가 하고 싶은 것을 실현시켜 주는 기계에 불과하다고 해도 과언이 아닐 것이다. 때문에 뇌를 완전히 알고 나면 자신이 원하는 바를 위해 몸을 온전히 사용할 수가 있다.

《알고 보면 쓸모 있는 뇌과학 이야기》는 이런 뇌를 연구하는 8명의 석학들이 모여 나눈 이야기들을 흩어지지 않게 모아, 뇌과학의 생물, 의료, 공학, 인지를 아우르는 주제를 담고 있다. 뇌과학 기반의 세포 수준 생물학, 뇌질환을 치료하고자 하는 의학, 뇌연구에 필요한 생체신호 측정, 뇌 기능을 구현하는 신경모방 반도체 칩, 달팽이관을 대체하는 인공 청각기관, 인간의 의식상태와 정신이상 상태에서 발생하는 뇌 신호에 대한 다양한 사례와 연구 결과들을 보여주며 독자들을 매력적인 뇌과학의 세계로 초대할 것이다.

목차

추천사 - ‘뇌’ 속에는 운명을 극복하는 길이 있다!
이 책을 시작하며 - 인간을 인간답게 만드는 뇌
프롤로그 - 뇌를 알면 인간을 알 수 있다

1부 나를 만드는 뇌
1장 인간을 생각하며 꿈꾸며 행동하게 하는 뇌ㆍ박문호

2부 뇌를 보고 알기
2장 뇌의 신호를 보는 방법ㆍ장경인
3장 인간 뇌 기능의 측정ㆍ김기웅
4장 뇌의 기능을 보는 방법ㆍ최원석
5장 신경계 질환 신경계 조절 치료ㆍ윤상훈
6장 달팽이관을 모사한 인공 청각기구ㆍ김완두

3부 뇌를 만들기
7장 메모리 소자를 이용한 뉴로모픽 컴퓨팅ㆍ이종호
8장 뇌가 우리 몸에서 하는 것ㆍ어익수

책 속으로

생각은 언어로 표현된 기억이며, 꿈은 시각으로 표현된 기억이다. 생각은 언어로 표상되고 꿈은 이미지로 표상된다. 발음되지 않고 뇌 속에서만 처리되는 언어가 우리의 생각이다. 생각은 주로 감각입력에 의해 방해를 받는다. 그래서 연약한 생각을 지속하기 위해서는 생각에만 집중하고 감각을 차단해야 한다. 깨어 있는 동안에도 생각에 집중할 수 있는 기간은 의외로 짧다. 10분 이상 한 가지 생각에 집중하기 어렵다. 주의가 분산되며 상상과 몽상을 한다.
- 45p, 1장 인간을 생각하며 꿈꾸며 행동하게 하는 뇌

첨단 공학기술을 생물학적 뇌에 공학 시스템을 이식하여 뇌 본연의 기능을 증강하거나 또는 부분적으로 손상된 뇌의 기능을 재건하는 연구 분야를 뇌공학이라고 한다. 그중에서도 뇌-기계 인터페이스Brain-Machine Interface, BMI 또는 뇌-컴퓨터 인터페이스Brain-Computer Interface, BCI는 뇌의 신경신호를 읽어 외부 기기를 제어하거나 외부와 통신할 수 있는 기술이다. 이 기술은 21세기 첨단과학의 미개척지로 남아 있는 우리의 뇌를 이해할 수 있는 수단으로써, 가상현실, 증강현실의 차세대 플랫폼으로써, 초고령화 시대에 급증하고 있는 뇌 질환을 정복할 수 있는 잠재력을 가진 기술로써 큰 기대를 받고 있다.
- 58p, 2장 뇌의 신호를 보는 방법

파킨슨병에서 도파민을 분비하는 신경세포가 죽는 이유에 대해서는 아직 정확히 알려져 있지 않으나 여러 가지 가설 가운데 미토콘드리아 이상이 주요 원인이라고 주장하는 가설이 가장 오랫동안 인정받고 있다. 미토콘드리아는 세포 안에서 에너지를 만들어내는 발전소와 같은 역할을 한다. 이 과정에서 미토콘드리아 내부에 있는 전자전달계를 통하여 전자들이 이동하게 되는데, 미토콘드리아 이상 가설에 따르면 미토콘드리아 전자전달계에서 처음으로 전자를 전달받는 단백질 복합체에 이상이 생겨 전자의 흐름이 방해를 받게 되면 독성이 있는 활성산소가 과다하게 생기고 이에 따라 세포가 죽게 된다는 이론이다.
- 107p, 4장 뇌의 기능을 보는 방법

현재 국내 반도체 산업은 아주 잘되고 있지만 앞으로도 잘하기 위해서는 날카로운 통찰력으로 어떤 기술을 어떻게 개발하여 응용할 것인지에 대한 고민과 과감한 실행이 필요할 것이다. 지금이 그 적기이고, 이 시기를 놓치면 머지않아 어려움에 직면할 것이다. 현재의 폰 노이만 컴퓨팅 시스템은 뉴로모픽 컴퓨팅과 융합하는 형태로 기술 방식의 변혁기를 맞이할 가능성이 높다. 컴퓨팅의 패러다임이 변하는 시기로 보인다.
-168p, 7장 메모리 소자를 이용한 뉴로모픽 컴퓨팅

입력 감각신호와 출력 운동신호는 신경세포를 통하여 전기신호 형태로 전달되며 신경세포 사이의 시냅스에서는 신경전달물질이 분비되어 신호가 전달된다. 신경세포는 신호가 모이는 세포의 핵 부분과 모인 신호가 전달되는 신경세포 가지가 있다. 신경세포의 핵은 회색질이며 가지는 백색질이다. 한편 기억을 담당하는 대뇌피질이 있으며 대뇌피질은 기능에 따라 시각과 청각 인지, 물체 및 소리 인식, 저장된 정보를 비교, 예측, 추론, 판단하여 선택된 운동의 신호를 생성하는 부분으로 나뉜다.
-189p, 8장 뇌가 우리 몸에서 하는 것

출판사 서평

제4차 산업혁명의 핵심 기반 기술, 뇌과학이 주도하다

정부에서는 지난 3월 10년간 ‘뇌’에 대한 근본적인 연구를 통해 사회문제를 해결하고 미래 사회를 대비하겠다는 계획을 세웠다. 세부적으로 ▷ 생애주기별 맞춤형 건강뇌 실현 ▷ 4차 산업혁명 대응 창의적 뇌연구 ▷ 뇌과학 발전을 뒷받침하는 인프라 혁신 ▷ 글로벌 협력체계 구축 ▷ 기술?창업 중심의 뇌산업 육성 등을 내세웠다. 이러한 발표의 목적은 두 가지로 정리할 수 있다.
첫 번째로는 미래사회의 커다란 이슈인 고령화 사회에 따른 각종 질병(치매나 파킨슨 병 등)으로부터 자유로워질 수 있을 뿐만 아니라 그동안 몰랐던 맛과 같은 감각을 지배하는 뇌 기능과 뇌의 능력을 극대화하여 삶의 질을 높이려는 것이다. 두 번째로는 제4차 산업혁명의 핵심기반 기술을 개발해 ‘뇌과학 강국’을 실현하겠다는 의지로 볼 수 있다.
《알고 보면 쓸모 있는 뇌과학 이야기》는 이러한 트렌드에 맞춰 뇌신경학, 뇌의약학, 뇌공학을 다루고 있어 자아부터 인공지능까지 뇌에 대한 모든 것을 한눈에 볼 수 있다.

뇌질환 극복부터 뇌기능 극대화까지, 뇌를 둘러싼 8인의 다양한 시선

뇌과학 연구는 다양한 학문이 협연하는 무대와 같다. 몸과 질환을 대상으로 하는 생물학, 화학, 의학 분야와 신호를 모으고 분석하며 신체기능을 구현하는 전자, 전산, 기계 분야가 필요하다. 더불어 인문예술 분야의 학문도 중요하다. 인간의 인지와 행동을 관찰하며 인간 자체를 대상으로 하는 심리학, 철학 분야는 물론 감각기능과 운동기능이 사용되는 미술, 음악, 무용, 문학 분야까지 여러 분야 전문가들이 모여 경계 없이 서로의 관점을 바라보고 서로를 연결해야 뇌의 비밀을 풀 수 있다.
이에 《알고 보면 쓸모 있는 뇌과학 이야기》는 뇌과학과 관련한 각 분야의 석학들이 모여, 쉽지 않은 내용을 심도 있게, 어렵지 않게 풀어내고 있다.
〈1부 나를 만드는 뇌〉에서는 인간을 생각하며 꿈꾸며 행동하게 하는 뇌의 본질에 대해 이야기하고 있다.
〈2부 뇌를 보고 알기〉에서는 뇌 신호를 기계와 연결하려 하는 뇌공학, 뇌 기능을 정확히 측정하여 뇌의 비밀에 한 발 더 다가가려는 뇌인지공학, 뇌 신경세포의 연결 및 기능을 연구하여 신경계 질환(뇌종양, 중풍이나 뇌졸중 등 뇌혈관 질환, 치매, 파킨슨병)을 치료하려는 뇌신경학 등에서 현재 이슈가 되고 있는 흐름을 짚어준다.
〈3부 뇌를 만들기〉에서는 입력신호와 그 신호에서 정보를 추출하고 기존 정보를 비교, 저장하며 운동명령을 내려 운동 출력신호를 만드는 뇌의 시스템을 분석한 후, 이를 모방한 뉴로모픽(인공지능) 기술에 대해 흥미롭게 설명하고 있다.

▷ 저자 소개
어익수
ETRI 책임연구원으로 재직 중이며, 뇌모델, 집적회로 설계, 통신 신호처리, 레이더 신호처리를 연구하고 있다.

박문호
박문호의 자연과학세상 이사장으로 재직 중이며, 뇌과학, 반도체 레이저, 빅히스토리를 연구하고 있다.

장경인
대구경북과학기술원 로봇공학전공 및 뇌공학융합센터의 교수로 재직 중이며, 차세대 의공학을 연구하고 있다.

김기웅
한국표준과학연구원 책임연구원으로 재직 중이며, 극저자장측정팀을 구성하여 초전도양자간섭소자, 원자자력계, 다이아몬드 질소공동을 이용한 생체자기측정, 뇌연구, 차세대 극저자장 MRI 기술 개발을 이끌고 있다.

최원석
전남대학교 교수로 재직 중이며, 미토콘드리아, 미세소관에 관련된 신경계 기능 및 질환 조절을 연구하고 있다.

윤상훈
국군수도병원 신경외과 의사로 재직 중이며, 신경계 조절 치료 및 손상 재생, 척추 퇴행 및 재생을 연구하고 있다.


김완두
한국기계연구원의 책임연구원으로 재직 중이며, 자연모사, 생체모방공학, 기계부품 신뢰성 설계를 연구하고 있다.

이종호
서울대학교 공과대학 전기정보공학부 교수로 재직 중이며, 인공지능 반도체, 센서, 낸드 플래시 메모리를 연구하고 있다.

▷ 추천사

뇌과학은 전문가라 하더라도 전체를 조망하기가 쉽지 않을 만큼 기초부터 응용까지 매우 방대한 분야이다. 따라서, 일반 독자에게 뇌과학을 제대로 소개하는 것은 매우 어렵다. 이 책의 저자들은 뇌가 해결하는 방식으로 이러한 난제에 도전하였다. 뇌는 모든 정보를 넣어놓고 한꺼번에 해결하려고 하지 않는다. 대신 자신의 모델을 기반으로 많은 정보들 중에 꼭 필요한 특징만을 추출하여 문제를 해결해나간다. 이 책은 독자들이 “어떻게”에 관심이 있다는 것을 간파하고, 뇌 기능을 어떻게 측정하고 조절하며 모사할 수 있는지를 이해하기 쉽게 소개하였다. 쓸모 있는 지식을 발견하는 기쁨을 원하는 독자들에게 추천할 만한 책이다.
- 정범석(카이스트 의과대학원 교수)

작가정보

저자(글) 어익수

저자(글) 박문호

저자(글) 장경인

저자(글) 김기웅

저자(글) 최원석