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두뇌비행‧광유전학 등 신기한 뇌과학의 세계

  • 2014.10.22.
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뇌과학은 뇌의 작용 원리와 의식 현상에 대해 연구하는 학문입니다.

이 학문이 높은 수준으로 발전하면 과학·의학·교육·산업·문화 전반에 적용해 다양한 기술을 개발할 수 있죠.

최근에는 뇌파만으로 비행기를 조종하는 ‘두뇌비행’이나, 뇌에 빛을 쪼여 기억을 바꾸는 광유전학 기술 등이 개발되어 그 가능성을 더욱 높여주고 있습니다.

지금부터 세간의 주목을 받고 있는 두가지 사례를 통해 뇌과학에 대해 알아보겠습니다.

 

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얼마전 독일 뮌헨공과대학교(TUM) 비행시스템역학연구소의 팀 프리크(Tim Fricke) 교수 연구팀이 비행 시뮬레이터를 이용해 뇌파만으로 비행기를 조종하는 실험에 성공했습니다.

이들은 어떻게 이런 일이 가능하게 만든 것일까요?

연구팀은 유럽연합의 지원을 받아 현재 ‘두뇌비행(Brainflight)’이란 프로젝트를 진행하고 있는데, 이 ‘두뇌비행’은 조종사의 머리에 뇌파를 감지하는 캡을 씌운 채 손가락 하나 까딱하지 않고 뇌파만으로 조종 장치를 제어하는 연구입니다.

실험 결과, 비행 시뮬레이터에 탑승한 조종사들은 뇌파만으로 조종간을 움직여 비행기를 좌우로 회전시켰습니다.

실험 중 비행기를 좌우로 회전시킬 때, 조종사의 뇌 전기 신호도 크게 움직였다고 합니다.

조종사들은 아무 사고 없이 가상 비행기를 활주로에 무사히 착륙시켜 실험을 성공적으로 마쳤습니다.

이 실험에 참가한 조종사들은 총 7명으로, 이 중 한 명은 비행 조종 경험이 전혀 없는 사람이었다고 합니다.

그렇지만 참가자들 모두 높은 비행 정확도를 보였습니다.

 

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그렇다면 왜 뇌파를 이용해 비행기를 조종하려는 걸까요?

그 이유는 더 많은 사람들이 쉽게 비행기를 조종하게끔 하기 위한 것입니다.

조종사의 조종 부담도 줄어들어 비행의 안전성도 향상될 수 있으니까요.

 

다만 현재까지의 두뇌비행 기술을 실제 비행에 적용하기에는 다소 무리가 있습니다.

일반적으로 조종사들은 비행기가 만들어내는 부하 때문에 비행기 조종간을 잡을 때 상당한 힘을 들여야 한다고 하는데, 뇌파로는 이 피드백을 받을 수 없으니까요.

이를 위해 과학자들은 지금도 심도 있는 연구를 하고 있습니다.

 

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사람의 기억을 인위적으로 바꾸는 것이 가능할까요?

미국 매사추세츠공과대학(MIT) 연구팀이 광유전학 기술을 이용해 생쥐의 나쁜 기억을 좋은 기억으로 바꾸는 데 성공했습니다.

광유전학 기술을 이용해, 생쥐에게 전기 자극을 가한 뒤, 이 자극을 기억하는 신경세포가 빛에 반응할 수 있도록 한 것입니다.

 

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연구진은 실험용 수컷 쥐가 A구역에 갈 때마다 빛을 쪼이며 전기 자극을 가했습니다.

실험이 반복되자 수컷 쥐는 전기 자극을 받았던 기억 때문에 나중에는 A구역을 자연스레 비켜갔습니다.

그런 뒤 연구진은 B구역에 암컷 쥐를 이 수컷 쥐와 함께 있도록 한 뒤, 12분간 빛을 쪼였습니다.

12분 후 수컷 쥐를 A구역으로 다시 보냈는데, 이번에는 수컷 쥐가 A구역을 피하지 않았습니다.

전기 자극을 받았던 나쁜 기억이 암컷 쥐와의 좋은 기억으로 교체되었기 때문입니다.

뇌에는 기억을 담당하는 해마와 감정을 담당하는 편도체가 있습니다.

빛을 이용해 이 둘 사이의 연결을 바꿨기 때문에 어떤 기억에 대한 감정이 변한 것이라고 합니다.

 

이렇듯 광유전학은 빛을 이용해 뇌신경세포의 활동을 조절합니다.

하지만 광유전학 기술을 성공시키기 위해서는 매우 복잡하고 정교한 뇌 지도가 필요합니다.

한 뉴런을 전류로 자극했을 때 활성화된 뉴런이 다른 뉴런에 신경전달물질을 전달하게 하려면, 각 뉴런들이 어떻게 연결되며, 어떤 기능을 하는지 정확하게 알아야 하니까요.

 

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다행히 과학자들은 조류(藻類)를 보면서 광유전학의 힌트를 얻었습니다.

조류 중에는 빛이 오는 방향으로 움직이는 종이 있습니다.

이들에게는 빛을 감지했을 때 세포에 전류를 흘려 신호를 보내는 단백질이 있습니다.

이를 인간의 뉴런에 옮겨 심으면 신경 신호를 서로 연결하는 뉴런의 모습을 추적할 수 있는 것이죠.

현재 미국과 유럽, 일본 등의 연구자들이 사람의 뇌 지도를 작성하기 위해 연구에 몰두하고 있습니다.

전문가들은 10년 정도 후면 뇌의 인지기능 지도가 완성되어 광유전학 기술이 임상치료에 쓰이게 될 것으로 내다보고 있습니다.

 

물론 광유전학 기술을 사람의 ‘살아있는 뇌’에 적용할 수 있을 만큼 안전한지에 대한 의문과 윤리적인 문제가 있습니다.

또한 뇌에 빛을 쬐려면 두개골에 구멍을 내고 광섬유를 꽂아야 하죠.

과연 환자가 이런 거부감과 공포감을 이겨낼 수 있을지도 모르고요.

하지만 광유전학을 잘 응용한다면 파킨슨, 알츠하이머 같은 난치성 뇌질환의 치료법을 찾아낼 수 있을 것입니다.

외상 후 스트레스 장애로 고생하는 이들에게도 새로운 치료법이 될 수 있고요.

 

아직 뇌과학은 활용 수준이 초기단계에 머물러 있지만, 향후 다양한 부분에 연구와 학문적 성과가 축적되어 우리의 삶을 한결 윤택하게 만들어 줄 것입니다.

 

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