뉴런의 정원

윌리엄 A. 해리스 지음 | 김한영 옮김

위즈덤하우스 2024년 05월 23일 출간 국내도서 : 2024년 05월 16일 출간

작품소개

책소개

이 책은 인간의 뇌가 형성되는 전 과정을 뉴런 단위로 살펴보는 흥미로운 여정이다. 이는 반세기 동안 연구를 이어온 실험 신경생물학자가 제시하는 새로운 관점이라고 할 수 있으며, 뇌와 뉴런의 역동적 관계를 치밀하게 서술했다. 발생생물학, 진화생물학, 유전학, 후성유전학, 신경과학의 학문적 경계를 넘나드는 최신 과학을 바탕으로 저자는 오래된 난제, ‘뇌는 어떻게 형성되는가’에 대한 답을 향해 누구보다 가까이 다가갔다. 한 점 세포에서 시작된 1000억 개의 뉴런이 뇌 안에 정확하게 배선되어 제자리를 찾고 나만의 슈퍼컴퓨터로 활약하기까지, 뇌세포들의 일생을 함께 읽는다. 결국 이 책은 인류가 뇌에 대한 지식을 확보하기 위해 끝없이 추적해야 할 ‘뉴런의 이야기’가 된다.

목차

책머리에

1. 뉴런의 탄생
전능성 줄기세포┃뇌의 발생┃신경줄기세포를 찾아서┃형성체┃신경 유도물질┃신경 유도의 비밀과 인간의 미니-뇌

2. 뇌의 건축설계
신경관┃계통전형기의 뇌┃두화┃머리-꼬리 축┃기형유발물질┃등-배 축┃모르포겐┃눈┃대뇌피질의 영역

3. 증식
증식┃변하는 계통과 변하지 않는 계통┃세포주기┃소두증┃대뇌피질층┃뉴런의 교체┃줄기세포 적소

4. 영혼의 나비
세포, 뉴런이 되다┃뉴런이 되느냐 노치가 되느냐┃라몬 이 카할과 뉴런의 개체성┃세포 본성과 세포 양육┃운명 그리고 신경아세포종과 마주치다┃네 번째 차원, 시간┃우연과 운명┃뉴런의 개체성

5. 배선
길 찾기 기술┃성장원추┃개척자와 추종자┃분자 유도┃국소 유도┃유인과 기피┃중간 목표┃재생

6. 발화
특이성┃화학친화성┃Eph 수용체와 에프린 리간드의 기울기┃세포 접착┃시냅스 만들기┃아교세포의 등장

7. 예선 통과
뉴런의 죽음┃세포사와 체계 매칭┃신경영양인자┃세포 자연사┃활성과 사망

8. 정제기
뇌의 가지치기┃결정적 시기┃동시성┃자궁 속의 조정 화면┃내적 조정과 외적 조정┃학습

9. 인간 그리고 나
크기는 중요할까?┃뇌 구조┃유형성숙┃뇌를 인간적으로 만드는 유전자┃언어┃비대칭┃후성유전학┃가변성┃개성과 인간 뇌┃경험과 박탈

감사의 말
참고문헌
미주
옮긴이의 말
찾아보기

책 속으로

뇌와 뇌의 작동 방식은 지난 수백 년간 매혹과 의문을 지피는 불씨였다. 오늘날 뇌에 관한 진실이 속속 밝혀지는 중이지만, 이 신체 기관은 여전히 많은 비밀을 감추고 있다. _11쪽

19세기 말은 발생학이 엄청나게 진보한 시기였다. 단일 세포인 난자에서 어떻게 모든 부위를 가진 유기체가 발생하는가? 이와 관련하여 수백 년 동안 논란을 일으켰던 문제들이 마침내 논쟁이 아닌 실험을 통해 답을 찾아가기 시작했다. _19쪽

박쥐는 길을 찾고 사냥을 할 때 반향정위를 사용한다. 고주파 울음소리의 메아리를 듣는 것이다. 박쥐는 청력을 전담하는 피질 영역이 비교적 크고, 몇 개의 특수한 피질 영역을 통해서 메아리의 각기 다른 측면을 처리한다. 너구리는 손으로 세계를 탐험하고 생쥐와 쥐는 수염을 이용하는 만큼 이 체성감각 정보를 전담하는 피질의 양이 상대적으로 크다. 동물 사이에 피질 영역이 이렇게 다른 것은 출생 이후의 감각적 경험 때문이 아니라 진화와 발달 때문이다. _79쪽

우리의 장기를 구성하는 세포는 평생 교체된다. 적혈구 세포는 대략 4개월 생존했다가 새로운 세포로 교체된다. 피부 세포도 끊임없이 태어나고 교체된다. 피부 세포는 단 몇 주 동안 생존한다. 대장 세포는 며칠마다 교체된다. 이들 조직은 부상을 당하면 상한 조직을 더 빨리 만회하기 위해 증식 속도를 높인다. 하지만 인간 뇌에서 뉴런의 생산은 태어날 때나 그 직후에 완료되므로, 만일 뇌를 다쳐서 뉴런이 죽는다면 그 뉴런은 새것으로 교체되지 않는다. _103쪽

카할은 이렇게 말했다. “적어도 1만 2000장을 그린 게 분명하다. 수천 분의 1밀리미터까지 세밀하게 그렸으니 일반인들에게는 이상하게 보일 것이다. 하지만 거기에는 뇌 구조의 신비한 세계들이 드러나 있다. (…) 알록달록한 나비를 찾아다니는 곤충학자처럼 내 눈은 섬세하고 우아한 형태로 가득한 회백질 세포의 정원에서 영혼의 신비한 나비들을 추적해왔다. 언젠가 그들의 날갯짓이 우리에게 마음의 비밀을 드러내줄지도 모른다.” _122쪽

우리는 뇌 발달기 중에 많은 뉴런이 제거되는 단계를 목격했다. 어떤 뉴런은 자기 일을 하다가 어느 순간부터 필요를 다하지만, 대체로 뉴런 사망이 발생하는 것은 뉴런들이 살아남아서 뇌라는 팀의 평생 회원권을 두고 경쟁해야만 하기 때문이다. 예선을 통과한 뉴런은 대부분 평생 살아남지만, 대규모 도태로부터 살아남았다고 해서 그 뉴런의 발달이 끝났음을 의미하지는 않는다. 시냅스 차원에서 뇌가 과도하게 연결되기 때문이다. 이제 위대한 정제의 시기가 막을 올린다. _228쪽

많은 동물의 뇌처럼 우리 뇌도 평생 변화를 겪는다. 우리는 언제까지나 우리지만, 몸속의 모든 장기처럼 우리 뇌도 계속해서 변한다. 그렇다면 다음과 같은 질문이 고개를 든다. “우리는 정확히 누구이며, 이것은 우리 뇌에 어떻게 부호화돼 있을까?” _250쪽

유년기 이후에도 뇌는 계속 변하고, 시냅스 개조를 통해 자신을 업데이트한다. 인간 뇌의 진화사는 유전체에 적혀 있지만, 개인의 특별한 정신은 항상 변하는 개인 특유의 시냅스 회로에 적혀 있다. 우리 모두를 인간으로 만드는 것이 또한 우리 모두를 다른 존재로 만드는 것 같다. 모든 사람의 몸과 모든 사람의 뇌는 태어나는 순간부터 다른 모든 사람의 몸과 뇌와 다르며, 이 차이는 자궁 밖에서 우리 몸과 뇌가 마지막으로 조성되고 개인의 세계 경험을 통합함에 따라 계속 증가한다. 우리는 개인의 정체성에 결정적으로 중요한 뇌라는 기관의 구조와 기능과 건강을 구축하는 일에 스스로 영향력을 행사할 수 있다. _294쪽

출판사 서평

뉴런의 시점으로 밝혀낸 인간 뇌의 시작과 발달
초기 뇌 형성 비밀의 열쇠, 뉴런의 모든 순간을 읽다

“미지의 탐험지, 뇌에 대한 앎을 넓히고 싶다면 이 책을 선택하라!”
★ 뇌과학자 장동선 강력 추천 ★

*단 하나의 세포에서 어떻게 1000억 개 이상의 뉴런이 탄생할까? *어떤 것이 뇌세포가 될까? *뉴런은 뇌에서 자기 자리를 아는 것일까? *태어나자마자 바로 죽는 뉴런이 있다? *파괴된 뉴런은 재생될까? *배양접시 위의 미니 뇌, 가능할까? *유전자와 환경과 우연, 무슨 관계가 있을까?

《뉴런의 정원》은 인간의 뇌가 형성되는 전 과정을 뉴런 단위로 살펴보는 생생한 여정이다. 이는 반세기 동안 연구를 이어온 세계적인 실험 신경생물학자가 제시하는 새로운 관점이라고 할 수 있다. 저자는 뇌를 연구한 과학자들의 위대한 성과를 노련하게 직조해 흥미진진한 이야기로 선보인다. 이 책에서는 모두 가지고 있지만 단 하나도 같지 않은 복잡다단한 기관, 뇌의 탄생 순간과 발달을 아주 세밀하게 들여다볼 것이다.
뇌에 대한 책은 주로 ‘뇌의 기능’을 설명한다. 하지만 윌리엄 A. 해리스는 뇌를 구성하는 물리적 요소 ‘뉴런의 기원’으로 독자를 이끈다. 뉴런의 삶과 죽음, 성공과 실패, 확률과 우연이 얽히며 한 사람의 온전한 세계인 뇌가 이루어지는 과정을 시간순으로 그려냈다. 특히 뉴런의 시점을 차용한 독특한 시도는 더욱 깊이 있게 나의 뇌를 이해하도록 돕는다.
뇌와 뉴런의 역동적 관계는 발생생물학, 진화생물학, 유전학, 후성유전학, 신경과학의 학문적 경계를 넘나들며 현재에 이르러 더욱 정교하게 밝혀지고 있다. 이러한 최신 과학을 바탕으로 저자는 오래된 난제, ‘뇌는 어떻게 형성되는가’에 대한 답을 향해 누구보다 가까이 다가가고자 했다. 한 점 세포에서 시작된 1000억 개의 뉴런이 뇌 안에 정확하게 배선되어 제자리를 찾고 나만의 슈퍼컴퓨터로 활약하기까지, 뇌세포들의 일생을 함께 읽는다. 결국 이 책은 인류가 뇌에 대한 지식을 확보하기 위해 끝없이 추적해야 할 ‘뉴런의 이야기’가 된다.

배아 발생과 뉴런의 탄생부터 시냅스의 활약까지
실험으로 읽는 뇌의 다양한 지형

모든 뇌과학자가 풀기 어렵다고 손꼽는 문제이자 뇌과학 분야에서 가장 중요하게 다루는 질문은 바로 이 책의 주제 ‘인간의 뇌는 어떻게 형성되는가’다. 즉, 수정이 이루어지는 순간부터 출생 직후까지 자궁에서 뇌가 어떻게 발달하는지, 미시적 세계의 뉴런이 겪는 무수한 변화를 추적하는 것이 연구의 주된 목표다.
그렇다면 단일 세포인 난자에서 어떻게 모든 부위를 가진 유기체가 발생하는 것일까? 한 무리의 세포 집단은 어떤 사건들을 거쳐서 뇌세포가 될까? 뇌에는 얼마나 많은 종류의 세포가 있을까? 수백 년 동안 논란을 일으켰던 문제들이 마침내 19세기에 이르러 논쟁이 아닌, 실험을 통해 증명하는 방식으로 답을 찾아가기 시작한다.
예를 들어 하나의 수정란이 분할해서 두 세포가 될 때, 이 두 세포는 각기 완전한 존재가 될 능력이 있을까, 잠재력이 나뉘게 될까? 과학자들은 신생아의 머리카락 같은 가느다란 올가미를 사용해 직접 개구리, 성게 등의 배아를 나누는 실험에 돌입했다. 그리고 끝내 분리된 두 세포가 완전한 배아를 형성함을 증명하기에 이른다.
그 외에도 저자는 현재 많은 과학자가 몰두한 질문들을 전달하며 놀라운 최신 실험 기법을 소개한다. 뉴런은 어떻게 전기적으로 활성화된 연장부를 성장시켜서 뇌의 연결을 정확히 만들어낼까? 하나의 뉴런이 뇌의 영구적인 부분이 되기까지는 어떤 일들을 겪어야 할까? 뉴런은 시간이 지남에 따라 어떻게 변할까?
이에 대한 해답을 얻기 위해 연구자들은 미니 뇌 오가노이드를 활용하여 신경줄기세포 증식을 배양접시 위에서 관찰해 시냅스의 뻗어나감을 관찰하고, 제브라피시 배아의 망막줄기세포를 저속촬영하여 배아 내에 살아 있는 뇌가 발달하는 모습을 직접 보며, 타임랩스 기법으로 개별 세포들이 분열하는 장면을 담기도 한다.
‘개구리 배아 실험’에서 시작해 ‘미니 뇌 오가노이드’ 배양, 크리스퍼까지, 먼저 저자는 인식의 전환을 이끌어온 연구자들의 예리한 실험들을 짚어낸다. 그리고 배아에서 신경줄기세포가 만들어지고, 신경줄기세포에서 뉴런이 탄생하는 과정을 최대한 공들여 설명한다. 뉴런에서 나온 신경섬유가 척수를 거쳐 우리 몸 구석구석으로 길을 찾아가는 방식도 읽는 이가 이해할 때까지 끈질기게 서술한다. 뉴런의 시작점과 가장 두드러지는 활약을 중심으로 ‘뇌라는 정원’을 구성해나가는 치밀한 전달 방식이라고 할 수 있다.
또한 인간의 뇌가 어떻게 진화했는지, 어떤 유전자와 단백질의 교류로, 어떠한 화학반응의 영향으로 정교화했는지, 사람의 뇌가 다른 동물의 뇌와 어떻게 다른지 등 다양한 영역까지 두루 살펴본다. 특히 현재 의학계의 주목을 받으며 많은 이의 궁금증이 향하는 배아줄기세포, 만능줄기세포, 역분화줄기세포 등에 대한 촘촘한 지식은 어디에서도 볼 수 없어 더욱 의미 있다.

세계적인 실험 신경생물학자가 말하는 ‘뇌과학 이전의 뇌과학’
뇌는 어떻게 시작되는가

《뉴런의 정원》의 특징은 지금까지도 활약하고 있는 석학의 실험을 그의 목소리로 직접 듣는다는 것이다. 한순간도 현장에서 벗어나지 않고 뇌과학을 개척해온 저자의 연구 기록은 그 자체로 ‘뇌의 모든 것’이 된다. 타임랩스 영상 촬영 기법 등 최신 기술까지 섭렵하여 뉴런의 전 생애를 보다 정확하게 전달한다. 자신의 업적은 물론 많은 과학자의 도전과 결과, 명쾌한 해석까지 담아 더욱 흥미롭다.
책의 곳곳에 뉴런 연구의 선두에 선 이의 면모가 아름답게 비치며, 지식의 체계적 전달과 그 의미까지 세심하게 알리는 커뮤니케이터의 역할이 돋보인다. 또한 뇌에서 벌어지는 미세한 분자 차원의 이야기를 속도감 있게 전개하는 저자의 스토리텔링은 이 책의 강점이라고 할 수 있다.
미세한 신호들이 모여 ‘나’를 이루기까지, 생동감 있는 지식을 통해 ‘1.5킬로그램의 우주’ 뇌가 눈앞에 선명하게 펼쳐지는 순간을 경험한다. ‘뉴런’이 모여 ‘뇌’가 되고 ‘뇌의 활약’이 곧 내가 되기에, 《뉴런의 정원》은 무엇이 우리를 인간으로 만드는지, 그리고 무엇이 내가 나로서 삶을 지속하게 하는지 알려주는 길잡이 역할을 한다.

‘뇌’라는 정원에서 ‘뉴런’이 펼치는 삶과 죽음의 드라마
뇌 안에서 벌어지는 놀라운 사건들

뇌에 대한 연구는 수백 년 이상 이어졌지만 급속도로 지식이 확장된 것은 비교적 최근의 일이다. 생명체가 자궁이나 알 속에서 지내는 동안을 탐구해야 하기에 신중한 접근이 필요하며 기술의 발달이 동반되지 않으면 연구 자체가 불가능하기 때문이다. 따라서 이 책은 최근 50년 동안 정교해진 과학기술이 있었기에 뇌 연구가 비약적으로 진전되었음을 보여준다. 즉, 저자의 말에 따르면 “《뉴런의 정원》은 과학 발전의 연대기이자 뉴런의 일대기”인 것이다.
이 책은 뇌 탄생의 비밀을 풀고자 한 과학자가 반세기 가까운 시간을 들여 뉴런의 일생을 순차적으로 서술한 것이다. 그리고 인류의 앎을 확장시킨 새로운 발견은 오랜 시간 호기심을 잃지 않은 꾸준한 학자의 탐구가 만들어냈다. 저자는 최신 지식을 그저 나열하는 것이 아니라 곱씹어 쉬운 언어로 전달하려고 노력한다. 뇌과학 분야 책을 펼 때마다 어렵게 느껴졌던 ‘뉴런’을 제대로 이해하고 싶은 이들이나 실제 연구가 궁금한 학생들에게 과학자들의 연구가 집대성된 《뉴런의 정원》은 더없이 반가운 소식이 될 것이다.

작가정보

저자(글) 윌리엄 A. 해리스

(William A. Harris)
실험 신경생물학자. 케임브리지대학교 해부학 명예교수다. 배아의 어떤 부분에서 신경계가 생기는지, 어떻게 정확한 크기와 모양으로 자라는지를 비롯해 아프리카 발톱개구리와 제브라피시의 배아, 세포, 유전자를 이용해 시각 체계를 연구한다.
2007년, 영국왕립생물학회 펠로로 선출되었고 같은 해 의학한림원 회원이 되었으며 2020년, 유럽분자생물학기구(EMBO) 회원으로 활동을 시작했다. 2017년, 영국 정부에서 수여하는 워딩턴(Waddington) 메달을 받았다.

번역 김한영

강원도 원주에서 태어나 서울 대학교 미학과를 졸업했고, 서울 예술 대학교에서 문예 창작을 공부했다. 오랫동안 번역에 종사하며 문학과 예술의 곁자리를 지키고 있다. 대표적인 옮긴 책으로는 《미를 욕보이다》 《무엇이 예술인가》 《빈 서판》 《언어본능》 《아이작 뉴턴》 《건축의 경험》 《빈센트가 사랑한 책》 《지금 다시 계몽》 《생각은 어떻게 행동이 되는가》 《건축과 기후윤리》 《각인된 지식》 등이 있다. 제45회 백상출판문화상 번역 부문을 수상했다.