''내가 생각하고 있음을 생각하는 기관"인 뇌는 감각 기관이 받아들인 정보를 처리하고, 처리한 정보를 활용해 세상을 인식해가는 내부 모형을 개선합니다.그리고 그 정보를 바탕으로 어떤 행동을 앞으로 할지 결정합니다. 성격, 기억, 운동 능력, 세상을 느끼는 감각뿐 아니라 예술, 과학, 언어, 웃음, 윤리 판단, 이성적 사고까지 모두 뇌가 관여합니다. 오스카 와일드(Oscar Wilde)는 "양귀비가 붉고 사과가 향기롭고 종달새가 지저귀는 곳은 모두 뇌 속이다."라고 했습니다.
뇌가 매력 없는 물질 덩어리라고 해도 기분 나쁠 건 없습니다. 문제는 이토록 복잡하고 경이로운 물질이 어떻게 만들어졌는가입니다. 그 대답은 신경계의 기원과 밀접하게 관련이 있습니다. 그리고 번개를 이용하는 것과도 관련 깊습니다.
전기 화학 신호
태초에 아주 단순한 세균이 있었습니다. 그 세균은 작은 도시처럼 유기적인 구조를 갖춘 끈적이는 초소형 자루였습니다. 그런데 이 작은 세균들에게 심각한 문제가 발생했습니다. 생명체가 쓸 미소 기계 장치를 만드는 내부 기관을 어떻게 실행할 것인지 알지 못한 것입니다.
단세포생물 단계에 머물렀던 생물은 급작스럽게 다세포생물 단계로 도약하게 됩니다. 하지만 내부 구조는 오래전부터 사용된 기존 방식을 그대로 사용했습니다. 자연으로서는 사용 못 할 정도가 아니라면 기존 방식을 바꿀 이유가 없기 때문입니다.
놀랍게도 세포는 전기를 화학 전달 물질만큼이나 오래전부터 사용했습니다. 세포막에는 구멍이 존재하는데, 그 구멍으로 위험 물질을 밀어 넣어 밖으로 내보냅니다. 살아남으려면 세균은 이 전기를 띤 원자를 밖으로 밀어내야 합니다. 세균은 이온 통로(ionchannel)라고 하는 터널처럼 생긴 단백질을 만들어 이 문제를 해결했습니다. 그런데 이온 통로로 전기를 띤 이온을 밀어내면 세포의 안과 밖은 전하의 균형이 깨지게 됩니다. 바로 전압 차가 생기는 것입니다.
신경세포로 연결된 기관
사람의 뇌에서 제일 중요하게 작용하는 두 가지 신경 전달 물질은 글루탐산과 감마아미노낙산(GABA)입니다. 이 물질들은 수십억 년 전에 세균이 활용한 화학 전달 물질 체계가 그대로 남은 화석 유물입니다. 실제로 뇌에서 일어나는 신경세포들의 통신은 모두 이 단순한 두 아미노산이 통제합니다. 도파민, 아세틸콜린 같은 다른 신경 전달 물질은 그저 이 두 물질의 작용을 도울 뿐입니다.
신경세포는 전기 신호를 받는 능력과 보내는 능력을 보유한 두 돌기가 있기 때문에 다른 신경세포들과 연결되어 네트워크를 형성할 수 있습니다.
단 한개의 신경세포만 있어도 기억할 수 있습니다. 감각기관에서 온 전기 신호가 수상 돌기에 닿으면 신경세포는 축삭 돌기로 근육을 수축하라고 신호를 보냅니다. 이때 만약 전기 신호가 근육으로 가지 않고, 수상 돌기로 되돌아간다고 생각해봅시다. 되돌아간 전기 신호 때문에 세포는 또다시 근육을 수축하라는 신호를 보내고, 같은 일이 반복될 것입니다. 이런 식으로 신경세포는 자극을 기억합니다.
생명의 역사 어디쯤부터 신경세포는 오직 다른 신경세포하고만 연결되기 시작했습니다. 그 결과로 신경세포들은 적절한 반응을 위해 외부에서 받은 정보를 새롭고 복잡한 형태로 처리하게 되었습니다. 이때가 뇌가 탄생한 순간입니다.
컴퓨터보다 우월한 뇌
뉴런으로 만든 뇌는 운영비가 꽤 비쌉니다. 성인의 몸무게에서 뇌가 차지하는 비율은 2~3퍼센트에 불과하지만, 신체 에너지의 20퍼센트를 소비합니다. 하지만 뇌는 전구를 희미하게 켤 수 있는 전력인 20와트 정도로 생존에 필요한 모든 계산을 해냅니다. 뇌와 비슷한 효능을 내는 슈퍼컴퓨터를 가동하려면 20만 와트가 필요합니다. 즉, 뇌는 슈퍼컴퓨터보다 효율이 1만 배나 좋다는 말입니다.
학습할 수 있는 능력
우리는 우리에게 의미 있는 것은 기억하고 배울 수 있습니다. 다시 말해 우리가 이미 알고 있는 일과 연결할 수 있다는 것입니다. 프랑스어 단어를 들으면 이미 프랑스어를 알고 있는 사람은 프랑스어를 모르는 사람보다 그 단어를 더 잘 기억할 수 있습니다. 스케이트보드 위에서 균형을 잘 잡는 사람이라면, 그렇지 않은 사람보다 서핑보드 위에서 더 쉽게 균형을 잡을 수 있습니다.
뇌는 끊임없이 자신을 재건하고 다시 배선을 깝니다. 인공지능과 로봇 연구가인 마빈 민스키(Marvin Minsky)는 "뇌가 하는 주요 활동은 자신을 바꾸는 것"이라고 말했습니다. 뉴런의 연결을 강화하거나 약화하는 과정을 신경가소성(neuroplasticity)라고 합니다. 신경가소성을 설명하려는 바로 이 순간에도 뇌에서는 신경가소성이 활성화 됩니다.