제8장

추상적 사고와 대뇌 신피질 - 인간만의 특별한 능력

앞 장에서 우리는 포유류의 뇌에서 해마가 어떻게 새로운 길을 상상하는 능력을 발달시켰는지 살펴보았습니다. 육지에서 살아가는 동물들이 효율적으로 이동하기 위해서는 가보지 않은 경로를 머릿속으로 그려볼 수 있어야 했기 때문입니다. 그런데 인간의 상상력은 단순히 새로운 길을 찾는 것에 그치지 않습니다. 우리는 러시아 혁명 중에 두 여인을 사랑한 의사의 이야기를 상상할 수 있고, 수학의 난제인 리만 가설을 풀 새로운 방법을 떠올릴 수 있으며, 인간의 근본적인 외로움을 표현하는 예술 작품을 구상할 수 있습니다. 심지어 빛의 속도로 여행하면서 시계를 바라보는 자신의 모습까지 상상할 수 있죠. 이처럼 매우 추상적인 개념들을 활용한 무한한 상상력이야말로 우리를 진정으로 혁신적인 존재로 만드는 가장 중요한 정신 능력일 것입니다.

추상적으로 생각하기

그렇다면 '혁신하는 인간'(호모 이노바티쿠스)은 어떻게 이런 놀라운 능력을 갖게 되었을까요? 저는 포유류의 해마가 다양한 이동 경로를 머릿속으로 그려보도록 진화했다고 설명했습니다. 만약 그렇다면 상상 자체는 인간만의 특별한 능력이 아닙니다. 게다가 쥐의 경우에도 해마가 공간 정보뿐 아니라 다른 종류의 정보도 처리한다는 점을 생각해보면, 동물들의 상상에도 이 두 가지 요소가 모두 포함되어 있을 것입니다. 따라서 미래를 상상하는 능력 자체는 대부분의 포유류가 공유하는 기능일 가능성이 높습니다.

그렇다면 인간의 뛰어난 혁신 능력은 단순히 미래를 상상하는 능력 때문이 아니라, 매우 높은 수준의 추상적 사고 능력 때문일 것입니다. 다시 말해, 인간이 특별히 혁신적인 이유는 이미 존재하던 상상 기능에 고도의 추상적 사고 능력이 더해졌기 때문입니다.

추상적 사고란 개별적인 사례들로부터 일반적인 개념이나 원리를 이끌어내는 능력을 말합니다. 이를 통해 우리는 사랑, 허수, 민주주의, 자유의지처럼 물리적으로 만질 수 없는 개념들을 이해하고 다룰 수 있게 됩니다. 사실 이런 능력은 인간만이 가진 것이 아닙니다. 자연은 무작위가 아니기 때문에, 많은 동물들이 환경의 규칙을 파악하고 이를 일반화하여 생존과 번식에 활용합니다. 많은 동물들이 숫자를 이해하고, "A가 B보다 크고 B가 C보다 크면 A가 C보다 크다"와 같은 논리적 추론도 할 수 있습니다. 심지어 자기 자신을 인식하고 다른 개체의 마음을 읽는 능력의 징후를 보이기도 합니다.

뇌가 어떻게 경험을 기억으로 저장하는지 생각해보면, 동물에서도 추상화가 자연스럽게 일어난다는 것을 알 수 있습니다. 뇌의 신경망은 여러 기억을 겹치는 방식으로 저장합니다. 예를 들어 많은 자동차를 경험하면, 자동차들의 공통된 특징을 처리하는 신경 연결이 반복적으로 강화됩니다. 결과적으로 처음 보는 자동차도 '자동차'로 인식할 수 있게 되는 것입니다. 이처럼 일반화는 동물과 인간의 신경망에서 자연스럽게 나타나는 특성입니다.

그림 8.1. 뉴런 집단에서 기억이 저장되는 방식: 하나의 기억은 여러 뉴런을 활성화시키고, 하나의 뉴런은 여러 기억에 참여합니다.

타고난 추상화 능력

앞서 설명한 자동차 예시는 경험을 통해 학습되는 추상화입니다. 그런데 연구 결과 동물에게는 타고난 추상화 능력도 있다는 것이 밝혀졌습니다. 18세기 독일 철학자 칸트는 인간이 선천적인 인지 원리를 갖고 태어난다고 주장했습니다. 이는 아리스토텔레스로부터 이어져 온 '모든 지식은 경험에서 온다'는 경험주의와 대조되는 견해입니다.

칸트는 우리가 경험뿐만 아니라 '선험적 개념', 즉 경험과 무관하게 이해될 수 있는 것들을 통해 세상을 이해한다고 주장했습니다. 예를 들어 공간과 시간은 자연의 속성이 아니라 우리의 순수한 직관이라고 봤습니다. 우리가 공간과 시간을 무한히 펼쳐진 좌표계로 인식하는 것은 우리 인지 구조가 원래 그렇게 되어 있기 때문이라는 것입니다.

칸트가 『순수이성비판』을 발표한 지 200년이 넘은 후, 신경과학자들은 쥐의 뇌에서 공간 인식의 선천적 특성을 발견했습니다. 2014년 노벨상을 수상한 노르웨이 과학자 모세르 부부는 쥐의 내후각피질에서 '격자 세포'를 발견했는데, 이 세포들은 쥐가 어떤 공간에서 움직일 때 육각형 격자 패턴으로 활성화됩니다. 놀라운 점은 이 격자 패턴이 모든 공간에서 동일하게 나타난다는 것입니다. 서로 다른 방에서 기록해도 같은 패턴이 관찰되며, 단지 방향만 달라질 뿐입니다. 이는 뇌가 모든 공간을 동일한 형식으로 표현한다는 것을 보여주며, 칸트가 말한 선험적 인식 구조의 증거라고 볼 수 있습니다.

그림 8.2. 격자 세포의 활동 패턴: 쥐가 움직일 때 격자 세포가 육각형 패턴으로 활성화됩니다.

그림 8.3. 서로 다른 방에서 기록된 격자 세포의 발화 패턴: 패턴은 동일하지만 방향만 다릅니다.

세 개의 격자 세포의 발화 영역

내후각피질은 내측과 외측으로 나뉘는데, 격자 세포는 내측에서만 발견됩니다. 내측은 공간의 일반적인 구조를 다루고, 외측은 각 환경의 구체적인 특징(랜드마크 등)을 처리합니다. 이 두 가지 정보가 해마에서 합쳐져서 우리가 공간을 인식하게 됩니다. 이는 추상적 구조와 개별 경험이 결합되어 세상을 이해한다는 칸트의 주장과 일치합니다.

그림 8.4. 내후각피질에서 해마로 정보가 전달되는 과정

인간의 특별한 추상적 사고

인간도 다른 동물처럼 추상적 사고를 할 수 있지만, 그 수준이 압도적으로 높습니다. 가장 대표적인 예가 언어입니다. 우리는 문법 규칙에 따라 기호를 조작하여 의사소통합니다. 다른 동물들도 서로 소통하지만, 인간 언어의 복잡성과 유연성에는 비할 수 없습니다. 동물들도 추상적 사고와 상상을 할 수 있지만, 우리보다 훨씬 제한적입니다.

우리의 사고는 구체적인 것과 추상적인 것을 자유롭게 넘나듭니다. 이를 잘 보여주는 것이 철학자 길버트 라일이 말한 '범주 오류'입니다. 예를 들어 친구가 대학을 안내하며 도서관, 식당, 기숙사, 실험실을 모두 보여준 후 "그런데 대학은 어디 있어요?"라고 묻는다면, 이는 범주 오류입니다. 대학은 이 모든 시설을 포함하는 추상적 개념이지 별도의 건물이 아니기 때문입니다.

이런 오류는 우리가 추상적 개념(대학, 마음)을 구체적 실체(건물, 몸)처럼 생각하는 경향이 있음을 보여줍니다. 이는 우리가 구체적 개념과 추상적 개념을 자유자재로 넘나들며 사고할 수 있기 때문에 생기는 현상입니다. 뇌의 관점에서 보면 구체적인 것과 추상적인 것의 신경 표상은 크게 다르지 않을 수 있습니다. 모두 신경 연결의 변화와 활동 패턴으로 구현되기 때문입니다.

대뇌피질의 뉴런 수가 중요한 이유

그렇다면 인간은 어떻게 이런 높은 수준의 추상화 능력을 갖게 되었을까요? 우선 인간의 뇌는 다른 동물에 비해 매우 큽니다. 인간의 뇌는 침팬지보다 3배 더 크고, 더 많은 뉴런을 가진 큰 뇌는 더 높은 처리 능력을 제공합니다.

하지만 크기가 전부는 아닙니다. 코끼리와 고래는 우리보다 더 큰 뇌를 가지고 있지만, 우리가 더 똑똑합니다. 왜일까요? 비교신경해부학자 수자나 헤르쿨라노-하우젤의 연구에 따르면, 중요한 것은 뉴런이 뇌의 어디에 분포하는가입니다.

코끼리는 소뇌(운동 조절 담당)에 2,510억 개의 뉴런을 가지고 있어 인간(690억 개)보다 훨씬 많습니다. 하지만 대뇌피질(고등 인지 기능 담당)을 보면 상황이 역전됩니다. 인간은 160억 개로 코끼리(56억 개)의 거의 3배에 달하며, 지구상 어떤 동물보다도 많습니다. 대뇌피질이 고급 인지 기능을 담당한다는 점을 고려하면, 인간이 특별히 똑똑한 이유가 여기에 있습니다.

인간이 대뇌피질에 가장 많은 뉴런을 가질 수 있었던 이유는 두 가지입니다. 첫째, 우리는 영장류입니다. 영장류는 다른 포유류보다 대뇌피질에 뉴런을 훨씬 촘촘하게 배치하는 방법을 진화시켰습니다. 둘째, 우리는 모든 영장류 중 가장 큰 뇌를 가지고 있습니다. 이 두 가지가 결합되어 인간은 지구상에서 가장 많은 대뇌피질 뉴런을 보유하게 되었습니다.

그림 8.5. 동물의 체중과 대뇌피질 뉴런 수의 관계: 영장류(검은 점)는 같은 체중의 다른 포유류보다 훨씬 많은 피질 뉴런을 가집니다.

신피질의 놀라운 확장

대뇌피질은 진화적으로 오래된 부분(해마, 후각피질)과 새로운 부분(신피질)으로 나뉩니다. 인간의 특별한 상상력이 해마의 독특한 특징 때문일까요? 그렇지 않습니다. 해마의 구조는 모든 포유류에서 매우 유사하며, 해마 손상은 기억과 상상 외의 대부분 기능을 손상시키지 않습니다.

인간과 다른 동물의 뇌에서 가장 큰 차이는 신피질의 크기입니다. 쥐에서는 해마가 전체 피질의 30-40%를 차지하지만, 인간에서는 1%에 불과합니다. 이는 신피질이 엄청나게 확장되었기 때문입니다.

인간과 침팬지가 공통 조상에서 갈라진 것은 6-8백만 년 전이지만, 인간 조상의 뇌가 급격히 커진 것은 최근 2-3백만 년 사이입니다. 이 짧은 기간 동안 뇌는 350그램에서 1,300-1,400그램으로 4배나 커졌습니다. 이는 주로 신피질의 확장 때문이며, 현재 인간 뇌의 80%를 신피질이 차지합니다. 초기 포유류는 약 20개의 피질 영역을 가졌지만, 현대 인간은 약 200개를 가지고 있습니다.

흥미로운 점은 신피질의 기본 회로 구조가 모든 포유류에서 비슷하다는 것입니다. 이 공통 구조가 보기, 듣기, 촉각, 운동, 언어, 추론 등 다양한 기능을 수행합니다. 이는 신피질이 다목적으로 사용될 수 있는 효율적인 처리 모듈임을 시사합니다. 실제로 신생아 쥐에서 시각피질을 체감각피질 위치에 이식하면 체감각피질로 발달한다는 연구 결과가 있습니다.

그림 8.6. 신피질의 6층 구조: 모든 포유류에서 기본 구조가 유사합니다.

따라서 인간 신피질의 진화는 새로운 회로의 발명보다는 기존 회로의 복제를 통해 이루어졌을 가능성이 높습니다. 일부 유전자가 뇌 발달 과정에서 다른 유전자를 조절하는데, 이런 유전자의 변이가 신피질을 크게 확장시켰을 것입니다.

물론 큰 뇌에는 대가가 따릅니다. 더 많은 처리 능력을 제공하지만, 유지하는 데 많은 에너지가 필요합니다. '비싼 조직 가설'에 따르면, 인간은 고품질 음식을 섭취하고 내장 크기를 줄여 이 문제를 해결했습니다. 불을 사용한 요리가 음식의 칼로리를 높였다는 가설도 있지만, 뇌 확장이 3백만 년 전부터 시작된 반면 불 사용 증거는 1백만 년 전부터여서 완전한 설명은 아닙니다.

해마와 신피질의 대화

해마와 신피질은 독립적으로 작동하지 않고 긴밀히 상호작용합니다. 해마는 주로 신피질을 통해 외부 세계와 소통하므로, 해마가 다루는 기억과 상상의 내용은 신피질이 제공하는 정보에 달려 있습니다.

제 생각을 정리하면 이렇습니다: 해마의 상상 기능은 육지를 이동하는 포유류가 최적 경로를 찾기 위해 진화했습니다. 그 후 신피질이 확장되면서 상상의 내용이 공간 경로에서 일반적인 사건으로 확대되었습니다. 특히 신피질의 폭발적 확장으로 인간은 매우 추상적인 개념을 사용해 사고하고 상상할 수 있게 되었습니다.

이는 큰 사회 조직을 포함한 문화적, 기술적 혁신으로 이어졌습니다. 특히 언어는 이론과 감정 같은 추상적 아이디어를 전달할 수 있게 해주었고, 문자는 지식 축적을 가능하게 하여 혁신을 가속화했습니다. 이런 요소들이 시너지를 일으켜 지구 생명 역사상 전례 없는 인간 문명을 만들어냈습니다.

요약하면, 인간의 혁신 능력은 신피질 확장으로 얻은 고도의 추상화 능력이 기존의 상상 기능과 결합된 결과입니다. 그렇다면 신피질 확장의 어떤 측면이 핵심일까요? 이는 다음 장에서 살펴보겠습니다.