Computer Vision을 위한 뇌 역공학 (1) - 뇌 개괄

 

 

우리 몸에는 위와 같이 신경이란 것이 존재합니다. 이것이 있어 느끼고 움직일 수 있지요. 특히 파란 부분을 중추신경계(CNS, Central Nervous System)이라 하는데 이곳에서 이른바 '정보처리'가 일어납니다. 우리의 주관심사죠. 참고로, 노란 부분은 신호를 전달하는 역할을 할 뿐인데 전달속도는 의외로 느립니다. (경우에 따라 초속 수미터..) 신경은 일단 손상되면 다시 재생되지는 않는 것으로 알려져있어 아주 소중한 인프라라 할 수 있겠습니다. (최근엔, 줄기세포를 이용해 재생시키기도 하죠. 하지만 아직까진 아주 비쌉니다.)

 

 

제일 꼭대기에 '뇌'가 있습니다. (제가 자주 뇌에 대해 뭔가를 읽거나 보고 있으니 제 딸은 한 30개월부터 뇌를 알아보더군요. 어디서 시야에 들어오면 '뇌!' 합니다. ㅋㅋ 지금도 '이따 뇌에 대해 가르쳐주세요' 하네요.) 우리의 주 타겟인 대뇌를 세레브럼(cerebrum)이라 하고 소뇌를 세레벨룸(cerebellum)이라고 한답니다. (뇌에 관해 문헌을 읽다보면 많이 보게되는 'cerebral'은 그래서 '대뇌의-'죠.) 소뇌는 퍼킨지 세포라고 하는, 특징적인 신경세포들로 이뤄져 대뇌와 많이 차이가 납니다. 주로 '몸을 어떻게 움직이는가'에 대한 메모리로 알려져있지만, 꼭 운동에 관한게 아니어도, 아주아주 숙달된 지식의 경우는 이곳이 저장하고 있다고도 보고 있습니다.

 

 

뇌의 단면은 위와 같이 바깥쪽의 색이 어두운 회색질과 안쪽의 하얀 백질로 나뉩니다. 대부분의 처리는 회색질에서 이뤄지며 백질은 큰 규모의 신경 케이블이 지나가거나 영양공급 세포들이 있는 곳 입니다. 단면을 보면 알 수 있듯이, 뇌는 뭔가를 마구 구겨넣은 것 같은 구조입니다. 이런 모양이 된 이유는 당연히 회색질이 많이 차지할 수 있도록 하기 위함입니다. 그런데 그 중에서도 대부분의 핵심은 바깥쪽의 껍질에 집중되어 있습니다. 그게 피질(cortex) 입니다. 이의 두께는 신용카드 두께라고 보시면 됩니다.

피질로 자세히 들어가기 전에 대뇌 이곳저곳과 그 안쪽을 조금 들여다 보죠.

 

 

우선 피질을 말하는데 있어 용어를 살펴봅시다. 튀어나온 능선은 Gyri(지리?) 골은 Sulci(술치?)라고 하나 봅니다. 깊은 골은 Fissure라고 하네요. 이 중 Sulci는 아무래도 어떤 영역의 경계로 삼기가 적당하겠죠? 그래서 우리는 Sulci를 많이 듣게 됩니다.

자 그럼 Sulci와 Fissure로 경계지어진 대략의 영역입니다.

 

 

이 중 기억할 필요가 있는 것은 Temporal lobe, Parietal lobe 그리고 Frontal lobe 입니다. (이 용어가 그대로 쓰이기 때문에 이 용어를 알아야만 위치를 짐작할 수 있습니다.) Temporal lobe는 이름이 왜 이렇게 붙었는지는 모르겠는데 시각에 있어서는 what path(무엇인지를 분석하는 경로)의 최종단이 위치하는 곳 입니다. Parietal lobe는 where path(물체가 어디에 있는지를 분석하는 경로)가 지나는 곳이고요. Frontal lobe는 고등동물일 수록 발달한 곳으로서 what과 where의 두 path가 모두 끝나는 곳입니다. 가끔 prefrontal - 이라는 말이 나오는데 이는 앞보다 더 앞, 즉, 그림의 가장 왼쪽으로서 이마에 해당하는 위치입니다. (이곳이 가장 고등의 정신작용이 일어나는 곳이죠.)

한편 뇌안을 들여다보면, 다음과 같습니다.

 

 

(백질에서 케이블이 지나가는게 표시되어 있네요.) 중앙에는 양쪽 뇌를 연결해주는 뇌량(corpus callosum)이 있습니다. 이 안에는 신경 케이블이 역시 지나는데, 뇌량이 끊어져도 사는데 별 지장은 없다고 하네요. 뇌량 안 쪽의 공간은 뇌실이라고 하며 물(뇌척수액)이 차 있습니다. 이 물은 별 역할을 하고 있지는 않고.. 다만 치매가 걸리면 이 빈공간(뇌실)이 점점 커지게 됩니다. 결국 뇌의 유효한 부분이 쪼그라들기 때문이지요. 뇌실의 아래쪽에는 그림에서는 안 보이지만 해마(hippo campus)가 있습니다.

 

(자료출처 - 김기석 역, "뇌:신경과학입문", 성화사, 1989.)

해마는 대략 하루동안 겪는 감각경험을 통째로 저장하고 있는 장소입니다. 이런 기억을 episodic memory라 하는데 우리가 잠을 잘 때 이곳에 쌓인 경험뭉치들이 부호화되어 피질로 옮겨지며 해마는 다시 비게됩니다. 일종의 버퍼라고 할 수 있죠. 현재 열심히 연구가 되고 있는 기관이고요.. 이외에, 그림에는 안 나타났지만 해마의 부근에는 몇개의 기관이 더 있습니다. 이들을 통틀어 변연계(limbic system)라고 하는데 뇌의 진화 상 오래전에 이미 나타났으며 동물간에 큰 차이가 없는 기관들입니다. 이곳은 감정을 생성하고 또 그 감정에 예민한 곳이라 알려져 있습니다.

하여튼, 변연계는 낮동안의 기억버퍼로서 해마가 기능하기는 하지만 뇌에서의 정보처리라는 주제에서는 크게 신경쓰지 않아도 됩니다.

 

끝으로, 각 동물의 뇌 사진입니다. 피질을 넓도록 해주는 주름을 보면 돌고래와 고래가 인간보다 더 주름이 발달했음을 알 수 있습니다. 특히 코끼리는 육지의 동물 중 가장 고등적일지 모를 동물이라는 생각이 드는군요. 동물을 왜 존중해줘야 하는지 느끼는 계기가 되었으면 합니다.

[참고문헌]

Prof. Amy Poremba 수업자료 (Iowa Psychology Dept.)

Ethan Blanchette 자료 (Harvard)

Introduction to the visual system. by Prof. Martin Tovee 저 (Newcastle Psychology Dept.)

On Interlligence, by Jeff Hawkins, Sandra Blakesley