시냅스, 뉴런과 뇌

COURSERA
Idan Segev

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주제분류

자연과학 >생물ㆍ화학ㆍ환경 >생명과학
등록일자

2015.08.21

조회수

9,356

본 강의는 뇌를 연구하는 매우 특별한 시간이 될 것입니다. 여러분들의 흥미를 돋우기 위해, 강의에 앞서 먼저 현재 전세계적으로 알려진 뇌에 관련된 흥미로운 사실들에 대해 조명할 것입니다. 그러면 여러분은 시냅스, 뉴런과 이들이 이루는 네트워크인 "라이프 웨어(life-ware)"의 작동 원리에 친숙해질 것이며, 따라서 어떻게 뉴런이 컴퓨터의 마이크로칩처럼 행동하는지, 또한 어떻게 이들이 유연하고 끊임없이 변화하며 학습과 기억의 기초를 이루는가에 대해 알게 될 것입니다. 최근의 모험적 시도인, Blue Brain Project와 같이 대뇌 피질 네트워크를 실제 컴퓨터로 시뮬레이션하려는 것을 조명할 것이며 뇌의 지각, 인지, 감정에 관련된 과정도 논의될 것입니다. 추가로 "뇌와 예술", 의식과 자유의지에 관한 질문들을 포함해 뇌 연구의 미래를 심의해 볼 것입니다. 더 많은 정보를 보시려면 강좌 소개 아래의 강의 소개를 참고하세요.

차시별 강의

1.	21세기 뇌의 흥미로운 사실들	시냅스, 뉴런과 뇌의 세계로 오신것을 환영합니다!
2.	유물론적 사고 - 뇌의 구성 요소	본 강좌의 목적은 여러분을 "유물론적 사고 - 뇌의 구성 요소"에 대해 알리기 위함입니다. 여러분은 뇌를 구성하는 뉴런의 아름다움과 다양성에 대해 잘 알게 되실 것입니다. 우리는 1906년 노벨상을 공동 수상한 위대한 해부학자인 Ramon y Cajal과 Camillo Golgi간의 큰 논쟁에 대해서 좀 더 자세히 배울 것입니다. 그들은 뉴런이 다른 세포나 조직처럼 서로 분리된 독립적 존재인지, 아니면 연속체의 일부인가에 대한 의문을 제기했습니다. 이후에는 입력-출력 장치로써의 뉴런에 대해 토의할 것이며 신경계의 주요 특성인 시냅스라 불리는 놀라운 뉴런간 연결체에 대해 좀 더 배울 것입니다.
3.	전기가 통하는 뇌 - 수동적 전기 신호	본 강좌에서는 "전기가 통하는 뇌 - 수동적 전기 신호"에 대해 토의할 것입니다. 전기 장치인 뉴런들을 보여주고 무엇이 이들을 전기가 통하게 만드는지 배울 것입니다. 여기서는 뉴런의 수동적인 전기적 특성만을 다룰 것입니다. 정지 상태에서 막간의 전위차는 항상 세포 내부가 음의 상태가 됨을 보일 것입니다. 다음으로 이 막이 RC회로처럼 행동하는 것을 보일 것이며 막의 시간 상수에 대해, 그리고 결과적으로 뇌의 기본 메커니즘인 뉴런의 연속적인 시냅스 입력값들을 합하는 능력에 대해서 좀 더 배울 것입니다. 또한 언제 시냅스가 활성화되고 수용 세포 안의 아날로그 전기 신호인 PSP(시냅스 후부 전위, Post-Synaptic Potential)가 발생하는지 보여드릴 것입니다. 더욱 흥미로운 사실로, 뇌에는 흥분성 시냅스와 억제성 시냅스라는 두가지 종류의 시냅스가 존재합니다. 우리는 감각 뉴런 안의 이 두 상반되는 신호들이 어떻게 상호작용하는지 토의해 볼 것입니다. 본 강좌는 앞서 좀 더 설명적이었던 두 강좌보다 조금 더 기술적입니다. 따라서 저항, 전기 용량, 옴의 법칙과 키르히호프 법칙 등 기초 전기 지식에 익숙하지 않은 수강생분들은 이번 강의를 이해하기 위해 링크에 있는 이 개념들을 읽어보시길 권합니다.
4.	전기가 통하는 뇌 - 능동적 전기 스파이크	본 강좌에서는 "전기가 통하는 뇌 - 능동적 전기 스파이크"에 대해 다루게 됩니다. 이전 강좌에서 우리는 다음 사항을 배웠습니다. 1. 뉴런은 전기적 장치이다. 2. 막은 RC회로처럼 작동한다. 3. 시냅스는 배터리에 부착된 교차막 전도도를 개방함으로써 작동한다. 이번 강좌에서는 뉴런의 능동 전기적 특성에 대해 다룰 것입니다. 시냅스 입력은 뉴런 활동의 기본 원천이며, 이들 중 흥분성 시냅스는 활동전위라 익히 알려진 스파이크에 출력 신호를 발생시키기 위한 시간적 합계에 필요합니다. 우리의 이해, 감각, 운동 신경, 감정 등의 정보는 이러한 스파이크를 가동시키는 특정한 일련의 뉴런들로 나타내어집니다. (So ~ music. ->이 문장은 무슨 말인지 모르겠습니다) 우리는 스파이크의 발생을 이루는 막의 메커니즘과 특히 뇌과학에 있어 스파이크의 가장 기본적이고 아름다운 모델인 Hodgkin & Huxley 모델에 대해 중점을 둘 것입니다. Hodgkin과 Huxley 는 1963년 노벨상을 수상하였습니다.
5.	적응하며 역동적인 뉴런	본 강좌는 "적응하며 변화하는 뉴런"에 대해 다루게 됩니다. 신경 조직에 있어 가장 독특한 특성은 외부 환경 변화에 끊임없이 적응하는 능력일 것입니다. 이 능력은 우리로 하여금 배우고 기억하게 해줍니다. 우리는 뇌의 학습에 대한 짧은 논의로부터 시작하여, "신경 가소성"을 포함해 뉴런의 학습과 기억을 이루는 다양한 메커니즘에 대해 좀 더 공부할 것입니다. 특히, 존재하는 시냅스들의 효력이 변화하는 "기능적 가소성"과, 해부적 변화와 연계된 학습/기억 과정으로 새로운 시냅스 연결과 새로운 신경 세포의 탄생인 신경 발생으로 구성되는 "구조적 가소성"에 대해 알아봅니다. 신경 가소성에 관계된 여러 새롭고 흥미로운 실험 결과물을 포함하여 기능적 가소성의 특징을 기술하는 수학적 모델 또한 소개될 것입니다.
6.	케이블 이론과 수지상의 계산	이제 여러분은 본 강좌의 주제인 "케이블 이론과 수지상의 계산"을 본격적으로 탐구할 준비가 되었습니다. 우리는 개념적으로 도약하고 매혹적인 주제들을 토론할 준비가 되었습니다. 다시 말하자면 뉴런의 해부학적이고 전기적인 요소들이 어떻게 뉴런으로 하여금 계산적인 능력을 갖게 하는지에 대한 것입니다. 선과 움직임의 방향, 장소, 소리의 크기를 계산하거나 커피잔을 집기 위한 움직임을 계획하는 것은 우리의 뇌가 쉽게 행하는 것들입니다. 이러한 계산의 이뤄짐은 우리의 생존에 있어 절대적으로 필수적인 것입니다. 1981년 노벨상을 수상한 Hubel과 Wiesel은 고양이의 시각 피질 안의 신경 세포가 선의 방향에 민감하다는 것을 보였습니다. 따라서 여러분이 주위의 세상을 바라볼 때, 여러분은 나무의 각도를 확인하거나(수직적) 당신을 바라보는 눈을(수평적) 확인하기 위해 이러한 세포들을 사용하고 있을 것입니다. 그런데 어떻게 신경 세포는 이러한 계산을 할 수 있는 것일까요? 1960년대 Wilfrid Rall은 뉴런을 전기적으로 분산된 요소로 한 점 이라기보다는, 수상 영역에서부터 축색 영역까지 시냅스 전위의 확산과 감쇠를 제어하는 원리로 케이블 이론으로서의 수상 돌기라는 생각을 발전시켰습니다. 우리는 수상 돌기의 케이블적 특성이 뉴런에게 계산을 가능케 한다는 것을 볼 것이며, 얼마 전과 더욱 최근까지의 뉴런 하드웨어에 관한 이론적인 개념들 에 대해 토의할 것입니다. 우리는 이러한 이론적 개념들을 처음으로 실험적으로 입증하게 한 최근 몇몇 놀라운 기술적 진보를 소개함으로써 강의를 마칠 것입니다. 여러분들이 이러한 뉴런의 계산적 기능을 알아보기 위한 생물물리학적 특성에 대해 토의한 "개념적 도약"을 즐기셨기를 바랍니다.
7.	피질 신경망 - 예고 없이 시작된 프로젝트	본 강좌는 3차~6차시 강좌에서 배운 내용인 단일 세포의 작동 방법과 이들이 시냅스를 통해 어떻게 연결되고 구체적인 연산을 어떻게 처리하는지와 같은 내용을 기반으로 합니다. 실제로 뉴런망을 연결한 "Blue Brain Project(BBP)" 라는 대형 연결망의 활동을 수학적으로 실험해볼 수 있습니다. 우리는 Hodgkin & Huxley 모델을 기반으로 하여 하나의 뉴런과, Wilfrid Rall 모델을 기반으로 한 시냅스와 수상 케이블를 실험하는 방법으로 뉴런 모델들을 연결하여 컴퓨터로 통해 실제적인 연결망을 구축할 수 있습니다. 실험은 200만년 역사의 비교적 새로운 구조인 포유류의 신피질로부터 시작됩니다. 쥐의 1mm³ 크기의 신피질은 약 10만개의 세포로 이뤄져있으며 여기서 수상 돌기와 축색 돌기는 길이로 4km 가량에 대략 100만개의 시냅스가 존재합니다. 오늘날 우리는 해부학적, 생리학적 실험 결과, 수학적 방법을 통합하여 수 mm³의 신피질로 전기적인 시냅스 활동을 실험해보게 되었습니다. 우리는 신피질과 이를 이루는 뉴런의 종류에 대해, 또 이런 거대 신경 회로를 어떻게 실험해볼지에 대해 배울 것입니다. 다음으로 이들로부터 무엇을 배울 수 있었는지와 다음엔 무엇을 배워나갈지 토의해볼 것입니다. 최근 발표된 EU Flagship Project(Human Brain Project, HBP)를 소개하며 강좌를 마치겠습니다. BBP는 HBP의 모태라 할 수 있으나, HBP는 뇌질환의 새로운 치료법을 개발하고, 뇌과학의 미래와 뇌 기반 컴퓨터 연산과 로봇공학 등의 진보를 목적으로 하여 좀더 폭넓고 규모가 큰 사업입니다.
8.	지각, 활동, 인지, 감정	본 강좌를 통해서 예루살렘 Hebrew 대학의 Isreal Nelken 교수님과 "지각, 활동, 인지, 감정"에 대해 토의해볼 것입니다. 현재까지 우리는 단일 세포의 기능과 소규모 연결망을 중심으로 다뤄왔습니다. 8차시 강의는 상위 단계의 연산과, 특히 "The story of sound"에 대해 다루게 됩니다. 청각 체계는 소리를 전기 신호로 변환합니다. 유모 세포와, 기저막, 달팽이관 등은 바깥 세상을 뉴런 활동으로 해석하기 위한 도구입니다. 다음은 감각 정보를 유용하게 나타낼 수 있는 지각에 대한 내용입니다. 한 좋은 예로는 소리의 위치를 파악하기 위해 양쪽 귀의 정보를 이용하는 경우입니다. 인지는 유기체를 행동하게 합니다. 뇌는 바깥 세상을 예측하며, 최대의 보상을 얻고 위험을 피할 행동을 계산합니다. 예를 들어, 놀랐을 때의 경우는 어떨까요? 이때에는 좀더 상급의 연산이 필요하게 됩니다. 강의의 마지막은 감정이 무엇인지, 뇌에서 어떻게 나타나는지와 행동에 어떻게 영향을 끼치는가에 대한 내용으로 끝맺도록 하겠습니다.
9.	시냅스로부터 자유 의지까지?	오직 최근의 뇌 연구가들만이 의문을 제기하는, 조금 더 어렵지만 매혹적인 질문들이 있습니다. 우리는 자유 의지를 가진 걸까요? 이 의식의 주관적인 느낌은 무엇일까요? 이전엔 인류학과 사회 과학에서만 다뤄졌던 이 오랜 숙제들은 최근의 뇌 연구로 새로운 시각에서 바라볼 수 있게 되었습니다. 새롭게 나타난 해석은 "직접 뇌를 통해 생각을 읽을 수 있는가" 등과 새로운 도덕적 문제를 제기하였습니다. 이는 개개인의 뇌가 "우리가 보는 얼굴"과 같은 구체적 정보를 나타내고 정보화하는 데에 있어 얼마나 유사한가에 대한 의문도 제기합니다. 혼수상태에 빠진 사람과 소통하기 위해 뇌 주사장치나 탐침 장치를 사용 할 수 있을까요? 우리의 인지 능력을 향상시키기 위해 전기적으로 뇌를 자극하는것이 가능할까요? 본 강좌에서 여러분은 이 문제점들과 기타 내용을 확인하실 수 있습니다.
10.	강좌 마무리	짧은 기간동안 여러분은 많은 내용을 터득하였고, 그동안 뇌의 독특한 적응 능력을 이용해 뇌에 대한 것들을 즐겁게 배우셨기를 바랍니다. 수업을 발전시키고 여러 보충할 내용을 만들도록 도와준 여러분의 활발한 참여에 감사드립니다.