제7장

상상력은 어떻게 진화했을까?

생물학에서는 현상을 설명하는 두 가지 방법이 있습니다. 하나는 '어떻게 작동하는가?'라는 질문에 답하는 것이고, 다른 하나는 '왜 존재하는가?'라는 질문에 답하는 것입니다. 예를 들어 짠 음식을 먹으면 왜 목이 마를까요? 첫 번째 답변은 "짠 음식이 혈액을 진하게 만들고, 이를 감지한 몸의 센서가 물을 마시라는 신호를 보내기 때문"입니다. 두 번째 답변은 "생존을 위해 체내 염분 농도를 조절하는 시스템이 진화 과정에서 생겨났기 때문"입니다.

지금까지 우리는 해마의 시뮬레이션-선택 기능이 '어떻게' 작동하는지를 살펴보았습니다. 이제는 '왜' 이런 기능이 생겨났는지, 즉 해마가 왜 미래를 시뮬레이션하고 최적의 경로를 선택하는 능력을 갖게 되었는지 알아보겠습니다. 이를 위해 다양한 동물들의 해마를 비교해 보겠습니다.

포유동물과 새의 해마 비교

먼저 쥐의 해마 연구 결과를 정리해보겠습니다. 쥐는 휴식과 잠을 잘 때 해마에서 다양한 이동 경로를 시뮬레이션합니다. 그리고 이 중에서 가장 가치 있는 경로를 선택합니다. 이를 통해 쥐는 미래에 어떤 두 장소 사이를 이동해야 할 때 최적의 경로를 빠르게 찾을 수 있습니다.

그런데 새는 어떨까요? 새는 하늘을 날 수 있기 때문에 복잡한 이동 경로를 미리 계획할 필요가 없을 수도 있습니다. 목적지까지 직선으로 날아가면 되니까요.

안타깝게도 새의 해마 연구는 쥐나 마우스에 비해 훨씬 적습니다. 과학자들은 주로 쥐와 마우스를 연구하는데, 이는 같은 동물을 사용해야 서로 다른 연구 결과를 비교할 수 있기 때문입니다. 또한 진화는 보통 완전히 새로운 것을 만들기보다는 기존의 것을 개선하는 방식으로 진행되므로, 한 동물에서 발견한 것이 다른 동물에도 적용될 가능성이 높습니다.

흥미롭게도, 인간을 포함한 모든 포유동물의 해마는 구조가 매우 비슷합니다. 그림 7.1을 보면 여러 포유동물의 뇌 단면에서 해마의 구조(치상회, CA3, CA1)가 명확하게 구분되는 것을 볼 수 있습니다. 하지만 물고기, 파충류, 새와 같은 비포유동물들은 이런 명확한 구조를 갖지 않습니다(그림 7.2).

온혈동물인 포유동물과 새는 냉혈동물(물고기, 양서류, 파충류)보다 훨씬 뛰어난 공간 기억 능력을 갖고 있습니다. '새대가리'라는 말이 바보를 뜻하는 것을 생각하면 아이러니하죠. 실제로는 많은 새들이 놀라운 공간 기억력을 가지고 있거든요.

그림 7.1. 여러 포유동물의 뇌 단면. 화살표로 표시된 해마 부분을 보면 모든 종에서 치상회, CA3, CA1이 명확하게 구분되는 것을 알 수 있습니다.

그림 7.2. 금붕어, 이구아나, 비둘기, 쥐의 뇌 단면. 쥐(포유동물)의 해마는 뚜렷한 구조를 보이지만, 다른 동물들은 그렇지 않습니다.

약 170종의 새 중 12종이 음식을 저장합니다. 예를 들어 클라크 호두까기새는 소나무 열매를 수천 곳에 숨겨두고 겨울에 대부분을 다시 찾아냅니다. 겨울에는 눈으로 덮여서 각각의 특별한 표시를 볼 수 없으니, 전체 지역의 지도를 머릿속에 그려서 기억해야 합니다.

포유동물과 새 모두 해마가 공간 기억을 담당하지만, 둘의 해마 구조는 완전히 다릅니다. 이는 공간 정보를 처리하는 방식도 다를 수 있다는 것을 의미합니다.

비둘기의 장소 감지 세포

오하이오 볼링그린 대학교의 베르너 빙맨 연구팀이 비둘기의 해마에 아주 작은 전극을 심어서 뇌 세포의 활동을 관찰했습니다. 기술적인 문제로 비둘기가 날 때가 아니라 걸을 때의 활동을 기록했지만, 귀중한 데이터를 얻을 수 있었습니다.

비둘기 해마에도 쥐처럼 특정 장소에서만 활성화되는 '장소세포'가 있을까요? 답은 '아니오'입니다. 연구진은 비둘기를 십자 모양 미로에서 걷게 하며 각 끝에서 음식을 얻도록 훈련시켰습니다. 흥미롭게도 좌뇌와 우뇌 해마의 활동 패턴이 달랐습니다. 우뇌의 일부 뉴런은 보상이 있는 여러 위치에서 활성화되었고(목표세포), 좌뇌의 일부는 보상 위치를 연결하는 경로에서 활성화되었습니다(경로세포).

이는 비둘기 해마가 오직 최종 목표 지점들과 그 사이의 직접 경로에만 관심을 가진다는 것을 시사합니다.

또 다른 흥미로운 발견은 음식이 무작위로 흩어져 있으면 이런 공간 활성 패턴이 크게 줄어든다는 것입니다. 반면 쥐는 음식이 어떻게 배치되어 있든 상관없이 일정한 장소에서 활성화되는 패턴을 보입니다.

쥐의 장소세포들을 순서대로 연결하면 무한한 이동 경로를 만들 수 있습니다. 하지만 비둘기의 뇌 세포로는 이런 복잡한 경로를 만들기 어렵습니다. 이는 비둘기 해마에서는 시뮬레이션-선택이 이루어지지 않을 가능성을 시사합니다.

시뮬레이션-선택의 진화

그림 7.3은 우리의 핵심 아이디어를 보여줍니다. 해마의 시뮬레이션-선택 기능은 땅에서 이동하는 포유동물에게 필요하기 때문에 진화했다는 것입니다. 이들은 두 지점 사이의 최적 경로를 선택해야 하니까요. 하지만 새에게는 이런 필요가 없습니다. 새는 목적지까지 직선으로 날아갈 수 있거든요.

땅에서 이동하는 동물들은 강, 나무, 바위 같은 장애물을 자주 만납니다. 이런 장애물을 피해서 효율적으로 목적지에 도달하는 경로를 기억해야 합니다. 하지만 각 환경에서 모든 가능한 경로를 실제로 다니면서 학습하기에는 시간과 노력이 너무 많이 듭니다.

그림 7.3. 포유동물과 새의 목표 지향적 이동. 땅에서 이동하는 포유동물은 새와 달리 복잡한 이동 경로를 기억해야 합니다.

이 문제의 해결책이 바로 '시뮬레이션-선택'입니다. 실제로 이동하지 않고도 최적의 경로를 학습하는 것이죠. 이것이 땅에서 사는 포유동물에게는 이런 능력이 진화했지만 새에게는 그렇지 않은 이유를 설명합니다.

어떤 사람은 "필요할 때마다 최적 경로를 계산하는 것이 미리 수많은 경로를 준비하는 것보다 효율적이지 않을까?"라고 생각할 수 있습니다. 에너지 절약 면에서는 맞지만, 응급상황에서는 치명적일 수 있습니다.

예를 들어, 당신이 굴에서 멀리 떨어진 곳에서 풀을 뜯고 있는 토끼라고 상상해보세요. 갑자기 여우가 달려오는 것을 발견했을 때, 집으로 가는 가장 빠른 길로 즉시 도망가야 합니다. 이런 상황에서 최적 경로를 계산하느라 1-2초를 허비한다면 생명을 잃을 수 있습니다.

고급 시뮬레이션-선택은 여러 출발점에서 안전한 곳(굴)까지의 최적 경로를 미리 준비해둡니다. 시간과 에너지가 들지만, 생존에는 훨씬 유리합니다. 게다가 환경은 계속 변합니다. 길을 막던 풀이 겨울에 사라지거나, 비가 온 후 새로운 웅덩이가 생길 수 있습니다. 따라서 최적 전략을 지속적으로 업데이트하는 것이 중요합니다.

그렇다면 언제 시뮬레이션-선택을 하는 것이 좋을까요? 당연히 포식자에게 쫓기고 있을 때는 아니겠죠. 외부 세계에 신경 쓸 필요가 없는 휴식이나 수면 시간이 가장 적절합니다.

이것이 해마가 휴식 상태에서 활성화되는 이유일 수 있습니다. 해마는 진화적으로 오래된 구조이고, 날카로운 파형 잔물결(sharp-wave ripple) 동안 뇌 전체와 동기화됩니다. 시뮬레이션-선택 과정이 '디폴트 모드 네트워크'(휴식할 때 활성화되는 뇌 네트워크)의 진화에서 중요한 역할을 했을 수 있습니다.

1장에서 살펴본 것처럼, 디폴트 모드 네트워크는 과거 기억 회상, 백일몽, 도덕적 판단, 다른 사람의 마음 이해, 창의적 사고 등 다양한 내적 사고와 관련되어 있습니다. 이 모든 과정의 기초에 시뮬레이션이 있다고 여겨집니다.

고래와 박쥐

해마의 시뮬레이션-선택 기능이 땅에서 이동하는 포유동물의 특별한 필요 때문에 진화했다면, 땅에서의 이동을 포기한 포유동물들은 어떨까요? 고래는 바다로 돌아갔고, 박쥐는 하늘을 날 수 있는 날개를 얻었습니다. 이런 동물들은 땅에서 사는 포유동물보다 복잡한 이동 경로를 저장할 필요가 적을 것입니다.

고래의 해마에서 공간 관련 뇌 세포 활동이 얼마나 발달되어 있는지는 아직 연구된 바가 없습니다. 하지만 고래 해마의 해부학적 연구는 있습니다. 이 연구들에 따르면 고래 해마의 크기가 다른 포유동물에 비해 상대적으로 훨씬 작다고 합니다. 이는 진화 과정에서 고래의 해마가 퇴화했음을 시사합니다.

이 발견은 우리의 가설을 뒷받침합니다. 땅에서 이동하는 포유동물의 해마는 미래에 사용할 최적 이동 경로를 찾고 기억하도록 진화했다는 것이죠. 반면 고래는 이동 중에 장애물을 거의 만나지 않습니다.

반면 박쥐는 잘 발달된 해마를 가지고 있습니다. 연구에 따르면 박쥐의 해마에는 3차원 공간을 감지하는 장소세포들이 있다고 합니다. 이는 우리의 설명과 맞지 않습니다. 박쥐와 비둘기 모두 날 수 있는데 왜 박쥐만 명확한 장소세포를 가질까요?

이에 대한 몇 가지 설명이 가능합니다. 박쥐의 생활 방식이 비둘기와 다를 수 있습니다. 박쥐는 동굴 같은 좁은 공간에서 살며, 복잡한 이동 경로를 아는 것이 유리할 수 있습니다. 또한 박쥐는 새보다 정교한 기동술이 필요합니다. 따라서 박쥐의 이동 행동은 새와 상당히 다를 수 있고, 포유동물 해마의 시뮬레이션-선택 기능이 박쥐에게 보존되었을 수 있습니다.

또 다른 가능성은 인지지도와 경로 표현이 분리되어 있다는 것입니다. 아직 박쥐에서는 휴식이나 수면 중 공간 경로의 재생이 발견되지 않았습니다. 따라서 박쥐 해마는 외부 세계의 지도는 표현하지만 시뮬레이션-선택은 하지 않을 가능성이 있습니다.

마지막으로, 박쥐 해마의 장소세포가 지도나 경로 표현 이외의 다른 기능을 할 가능성도 있습니다. 진화 과정에서 기존 기능이 다른 기능으로 바뀌는 일은 흔합니다. 예를 들어, 귀 안의 작은 뼈들은 원래 턱뼈였다가 소리를 증폭하는 기능으로 변했습니다.

털복숭이 박새, 음식을 저장하는 새

박쥐와 고래와는 반대로, 어떤 새들은 생존을 위해 특별히 뛰어난 공간 기억이 필요합니다. 앞서 언급한 클라크 호두까기새 같은 음식 저장 새들은 가을에 수천 곳에 음식을 숨겨두고 겨울에 성공적으로 찾아냅니다.

여러 곳에 숨긴 음식을 찾는 문제는 어떤 순서로 방문할지 정하는 것입니다. 이는 인공지능에서 유명한 '외판원 문제'입니다. 장소 수가 늘어날 때마다 가능한 방문 순서의 수가 기하급수적으로 증가합니다. 따라서 진화 과정에서 음식 저장 새들에게 최적 방문 순서를 계산하는 뇌 시스템이 생겨났을 수 있습니다.

실제로 늪박새 연구에 따르면, 이 새는 무작위로가 아니라 저장한 순서대로 음식을 찾는다고 합니다. 이는 늪박새가 저장 위치뿐만 아니라 이동 순서도 고려한다는 것을 보여줍니다.

콜롬비아 대학교의 드미트리 아로노프 연구팀이 흥미로운 실험을 했습니다. 음식을 저장하는 털복숭이 박새와 저장하지 않는 얼룩무늬 핀치의 해마 활동을 비교한 것입니다.

결과는 놀라웠습니다. 털복숭이 박새의 해마 뉴런은 쥐의 장소세포와 비슷한 장소 특이적 활동을 보였습니다. 반면 음식을 저장하지 않는 얼룩무늬 핀치는 훨씬 약한 장소 특이적 활동을 보였습니다. 또 다른 연구에서도 메추리에서는 장소세포를 찾지 못했습니다.

이는 털복숭이 박새의 해마가 음식 저장이라는 생태적 필요를 위해 외부 공간을 정확히 기억하도록 진화했음을 시사합니다. 새와 포유동물이 3억 1천만 년 전에 분리되었고, 음식을 저장하지 않는 새들(비둘기, 얼룩무늬 핀치, 메추리)에서는 명확한 장소세포가 거의 발견되지 않는다는 점을 고려하면, 이는 '수렴진화'의 예일 가능성이 높습니다. 즉, 털복숭이 박새의 해마는 포유동물과 독립적으로 장소 특이적 활동을 보이도록 진화했을 것입니다.

놀랍게도 아로노프 팀은 새에서는 처음으로 깊은 잠 중에 '날카로운 파형 잔물결'을 발견했습니다. 새에서 이 뇌파의 기능은 무엇일까요? 털복숭이 박새의 장소세포들이 포유동물처럼 잠자는 동안 공간 경로를 따라 활성화되어 최적의 음식 수집 순서를 도울까요? 그렇다면 얼룩무늬 핀치의 해마 뉴런은 어떻게 활동할까요?

현재로서는 이런 질문들에 대한 답이 없습니다. 털복숭이 박새의 해마가 기존의 뇌파를 이용해서 잠자는 동안 시뮬레이션-선택을 하도록 진화했을 가능성을 배제할 수 없습니다. 만약 그렇다면, 이는 매우 복잡한 정신 과정의 수렴진화 사례가 될 수 있습니다.

진화와 생명의 다양성

정리하자면, 새와 포유동물처럼 진화적으로 먼 두 동물 그룹의 해마가 다양한 환경에 적응하면서 공간 정보를 어떻게 처리하게 되었는지는 아직 완전히 명확하지 않습니다.

진화는 일방통행이 아닙니다. 종이 더 잘 생존하는 데 도움이 되는 어떤 방향으로든 변화를 촉진합니다. 이 과정에서 종은 기존 기능을 잃을 수도 있고 새로운 기능을 얻을 수도 있습니다. 이런 지속적인 변화의 역사가 오늘날 생명의 놀라운 다양성을 만들어냈습니다.

동물계에는 약 35개의 큰 분류군(문)이 있습니다. 우리는 척삭동물문에 속하며, 이는 3개의 하위 그룹으로 나뉩니다. 척추동물이 그 중 하나입니다. 나머지 둘 중에서 미삭동물이 계통적으로 척추동물에 더 가깝습니다.

그림 7.4는 대표적인 미삭동물인 바다 멍게를 보여줍니다. 놀랍게도 이들은 한 곳에 고정되어 살며, 척추동물보다 진화 단계가 훨씬 낮은 바다 말미잘과 비슷해 보입니다. 바다 멍게는 발달 과정에서는 척삭동물의 모든 특징(척삭, 등쪽 신경관, 아가미 구멍, 꼬리)을 보이지만, 성장하면서 이런 특징들과 움직이는 능력을 잃어버립니다.

바다 멍게의 경우는 진화 과정에서 생물학적 특성이 얼마나 극적으로 변할 수 있는지를 보여주는 좋은 예입니다.

상상력의 신경 교향곡

그림 7.4. 바다 멍게들. 이들은 척추동물과 가장 가까운 친척이지만 전혀 다른 모습으로 살아갑니다.

아마도 잠재적 공간 경로에 대한 시뮬레이션-선택 기능은 진화 과정에서 사라지거나 새로 생겨날 수 있을 것입니다. 지금까지 해마의 공간 표현과 재생에 대한 연구는 소수의 동물종에 국한되어 있습니다. 더 많은 동물종으로 해마 연구를 확장하면 전체적인 그림이 더 명확해질 것입니다.