제9장

전두엽의 가장 앞부분 - 전전두엽 피질

인간이 높은 수준의 추상적 사고를 할 수 있는 이유가 대뇌 겉질이 커졌기 때문이라면, 정확히 어떤 부분이 중요할까요? 특별한 신경세포나 회로가 있는 걸까요? 아니면 인간에게만 있는 특별한 뇌 영역이 있는 걸까요? 아니면 뇌 전체의 조직 방식 때문일까요?

안타깝게도 우리는 아직 이 질문들에 대한 명확한 답을 모릅니다. 뇌의 고차원 기능들이 개별 신경세포보다는 신경 회로 전체의 특성에서 나온다고 믿어지는데도 말이죠. 우리가 이것을 잘 모르는 가장 큰 이유는 적절한 동물 실험 모델이 없기 때문입니다. 동물 연구는 기억과 상상력의 신경학적 기초를 이해하는 데 큰 도움이 되었습니다. 사실 대부분의 뇌 기능을 이해하는 데 동물 연구가 큰 기여를 했습니다. 하지만 인간만이 가진 고차원적 추상 사고 같은 기능은 동물로 연구할 수 없죠.

그럼에도 불구하고 우리에게는 몇 가지 단서가 있습니다. 이 장에서는 신경과학 연구에서 얻은 단서를, 다음 장에서는 고인류학과 신경망 모델링에서 얻은 단서들을 살펴보겠습니다.

행동을 조절하는 CEO - 실행 기능

신경과학자에게 "인간의 고차원 추상 사고에 가장 중요한 뇌 구조는 무엇인가요?"라고 묻는다면, 대부분은 하나를 고르기 꺼려할 겁니다. 하지만 꼭 선택해야 한다면, 많은 사람이 '전전두엽 피질'을 고를 것입니다. 이곳은 대뇌 피질의 가장 앞부분입니다.

전전두엽 피질 바로 뒤에는 움직임을 계획하는 운동 계획 영역들이 있고, 이 영역들은 실제 움직임을 담당하는 운동 피질로 신호를 보냅니다. 이런 구조로 볼 때, 전전두엽 피질은 행동을 조절하는 중요한 뇌 구조입니다. 하지만 직접 특정 움직임을 만드는 것이 아니라, 우리의 목표와 상황에 따라 유연하게 행동을 조절합니다.

같은 행동도 상황에 따라 다르게 조절됩니다. 예를 들어, 뉴욕에서는 길을 건너기 전에 왼쪽을 봐야 하지만, 런던에서는 오른쪽을 봐야 합니다. 런던에 간 뉴요커는 왼쪽을 보려는 습관을 억누르고 오른쪽을 봐야 하죠. 이처럼 상황에 따라 행동을 조절하는 것이 일상생활에서 얼마나 중요한지 보여주는 간단한 예입니다.

그림 9.1. 여러 동물의 전전두엽 피질(회색 부분). 인간에서 가장 크게 발달되어 있습니다.

전전두엽 피질의 역할

끊임없이 변하는 세상에서 내부 목표에 따라 행동을 유연하게 조절하는 것은 쉬운 일이 아닙니다. 이를 위해서는 다양한 기능이 필요합니다. 연구에 따르면 전전두엽 피질은 작업 기억, 추론, 계획, 의사결정, 감정 조절 등 다양한 인지 기능을 담당합니다. 이런 기능들을 통틀어 '실행 기능'이라고 부릅니다.

전전두엽 피질은 우리가 목표를 달성할 수 있도록 뇌의 다른 기능들을 조정하고 통제합니다. 예를 들어 "5년 안에 신경과학 박사 학위를 받겠다"는 장기 목표를 위해 밤낮으로 노력할 수 있는 것도 전전두엽 피질 덕분입니다. 이 부분은 영장류, 특히 인간에서 매우 잘 발달되어 있어서, 인간을 다른 동물과 구별짓는 핵심 요소라고 할 수 있습니다.

피니어스 게이지의 사례

1848년 버몬트에서 철도 공사 감독이었던 25살 피니어스 게이지의 이야기를 들어보겠습니다. 그는 바위를 폭파하는 작업을 하다가 사고를 당했습니다. 실수로 화약이 폭발하면서 1미터가 넘는 쇠막대가 그의 머리를 관통했습니다. 놀랍게도 그는 살아남았고 몇 분 후에는 말하고 걸을 수 있었습니다.

쇠막대는 전전두엽 피질을 손상시켰는데, 게이지는 보고 듣고 말하고 움직이는 데는 아무 문제가 없었습니다. 이는 전전두엽 피질이 생명 유지, 감각, 운동, 언어 같은 기본 기능에는 필요하지 않다는 것을 보여줍니다.

하지만 게이지의 성격은 완전히 변했습니다. 원래 똑똑하고 활기차며 유능한 사람이었던 그는 사고 후 "더 이상 게이지가 아니었다"고 친구들이 말할 정도로 달라졌습니다. 그를 치료한 할로우 박사는 이렇게 기록했습니다:

지적 능력과 동물적 충동 사이의 균형이 파괴되었다. 변덕스럽고, 무례하며, 전에는 하지 않던 심한 욕설을 하고, 다른 사람을 존중하지 않으며, 자기 욕망과 충돌하는 조언을 참지 못한다. 때로는 완고하게 고집스럽지만, 또 변덕스럽고 우유부단하며, 미래 계획을 많이 세우지만 금방 포기한다... 지적으로는 아이 수준이지만, 강한 남자의 동물적 충동을 가지고 있다.

뇌 손상과 성격 변화

그림 9.2. 피니어스 게이지의 뇌 손상. (왼쪽) 쇠막대가 머리를 관통한 경로. (오른쪽) 사고를 당한 쇠막대를 들고 있는 게이지.

부상 전에는 학교 교육을 받지 못했지만 균형 잡힌 정신을 가졌고, 영리한 사업가로 여겨졌으며, 매우 활기차고 모든 계획을 끈기 있게 실행했다. 하지만 이런 면에서 그의 정신은 근본적으로 변했고, 친구들과 지인들은 그가 "더 이상 게이지가 아니다"라고 말했다.

끈기와 유연성의 균형

장기 목표를 달성하려면 끈기가 있으면서도 유연해야 합니다. 할로우가 게이지를 묘사한 "고집스럽지만 변덕스러운" 것과는 달라야 하죠.

예를 들어 친구를 위해 저녁을 만들려고 마트에 갔다고 해봅시다. 친구가 좋아하는 마늘 스테이크를 만들려고 스테이크와 마늘을 사러 갑니다. 그런데 가는 길에 맛있어 보이는 빵, 파스타, 생선, 과일 등이 보입니다. 정상적인 사람은 이런 유혹을 무시하고 원래 목표대로 스테이크와 마늘을 삽니다.

하지만 전전두엽이 손상된 사람은 이런 유혹에 쉽게 넘어가서 연어와 파스타를 사올 수도 있고, 심지어 마트에 가는 길에 지나가는 버스를 타고 엉뚱한 곳으로 갈 수도 있습니다. 이는 장기 목표를 지속적으로 추구하는 데 전전두엽 피질이 얼마나 중요한지 보여줍니다.

전전두엽 피질은 끈기뿐만 아니라 유연성에도 중요합니다. 어떤 행동이 더 이상 효과적이지 않으면 다른 방법으로 바꿔야 합니다. 효과 없는 행동을 계속하면 끈기 있다기보다는 고집스럽다고 여겨지겠죠.

전전두엽이 손상된 사람들은 환경 변화에 따라 행동을 바꾸는 데 어려움을 겪습니다. 이는 위스콘신 카드 분류 검사로 측정할 수 있습니다. 이 검사에서는 숨겨진 규칙에 따라 카드를 분류해야 하는데, 규칙은 계속 바뀝니다. 정상인은 규칙이 바뀌면 빠르게 전략을 바꾸지만, 전전두엽이 손상된 사람은 더 이상 맞지 않는 이전 전략을 고수하는 경향이 있습니다.

추상적 사고의 기초

그림 9.3. 위스콘신 카드 분류 검사. 숨겨진 규칙(색깔, 개수, 모양)에 따라 카드를 분류해야 합니다.

전전두엽과 추상적 사고

추상적 사고는 장기 목표를 추구하고, 숨겨진 규칙에 따라 행동을 바꾸고, 추론하고 계획을 세우는 데 필수적입니다. 이 모든 것이 전전두엽 피질의 기능입니다. 실제로 전전두엽이 손상된 환자들은 여러 검사에서 추상적 사고 능력이 떨어집니다.

예를 들어 속담 해석 검사에서 "로마는 하루 아침에 이루어지지 않았다"를 추상적 의미(위대한 일을 이루려면 시간이 걸린다)가 아니라 구체적 의미(로마 도시를 건설하는 데 걸린 시간)로 해석할 수 있습니다.

동물 연구가 밝힌 전전두엽의 기능

전전두엽을 연구하는 신경생리학자들은 "전전두엽은 백화점 같다"고 농담합니다. 찾고자 하는 신경 신호가 무엇이든 대부분 찾을 수 있다는 뜻입니다. 왜 그럴까요?

피니어스 게이지 사례에서 보았듯이, 전전두엽은 특정 감각이나 운동을 처리하는 데 특화되어 있지 않습니다. 대신 주어진 과제를 성공적으로 완수하는 데 필요한 정보를 표현합니다. 이 정보는 목표에 따라 다양하며, 구체적인 감각운동 신호뿐만 아니라 과제 규칙 같은 추상적 개념도 포함합니다.

전전두엽은 목표 지향적 행동을 조절하는 데 필요한 정보를 유연하고 선택적으로 표현하는 범용 컨트롤러 같은 역할을 합니다. 동물을 특정 과제를 수행하도록 훈련시키면, 전전두엽에서 그 과제 수행에 필요한 구체적이고 추상적인 신경 신호를 모두 찾을 수 있습니다.

많은 연구에서 동물의 전전두엽에서도 추상적 사고와 관련된 신경 활동이 발견되었습니다. 예를 들어, 원숭이의 전전두엽에서 숫자 감각을 표현하는 신경세포가 발견되었습니다.

안드레아스 니더는 원숭이를 훈련시켜 소리나 시각 자극의 개수를 구별하도록 했습니다. 그 결과 자극이 소리든 시각이든 상관없이 개수에 반응하는 신경세포를 발견했습니다. 각 신경세포는 특정 숫자에 선택적으로 반응하여, 여러 신경세포가 함께 정확한 숫자 정보를 제공합니다. 이는 원숭이의 전전두엽이 물리적 특성을 넘어선 추상적 개념인 숫자를 표현한다는 것을 보여줍니다.

쥐나 생쥐의 작은 전전두엽에서도 과제 규칙, 구조, 행동 맥락 같은 추상적 개념과 관련된 신경 활동이 발견되었습니다. 설치류의 전전두엽은 인간에 비해 매우 작지만, 그들도 장기 목표를 달성하기 위한 정교한 행동 조절 능력을 보입니다. 이는 인간의 잘 발달된 전전두엽이 동물보다 훨씬 높은 수준의 추상적 개념을 표현할 수 있음을 시사합니다.

사회적 행동과 추상적 사고

고차원적 추상 사고가 특히 필요한 영역은 인간의 사회적 행동입니다. 게이지의 사고 후 행동은 정상적인 성인에게 기대되는 것과는 거리가 멀었습니다. "지적으로 아이 수준"인 사람이 복잡한 인간 사회에서 적절히 행동하기는 매우 어렵습니다.

우리의 사회적 행동은 상황에 따라 달라지는 미묘한 사회적 관습을 신중히 고려한 결과입니다. 따라서 추상적 사고가 필수적입니다. 우리는 일상적으로 공공질서, 무례함, 사회적 평판 같은 고차원적 추상 개념을 사용해 행동을 결정합니다.

인간의 고차원 추상적 사고 능력은 복잡한 인간 사회에서 적절한 행동을 위해 고차원 추상 개념을 형성하고 표현해야 하는 진화적 압력 때문에 발달했을 수 있습니다.

요약하면, 인간의 잘 발달된 전전두엽이 고차원 추상 개념을 형성하고 표현하는 신경 시스템의 핵심이라고 믿을 만한 충분한 이유가 있습니다. 물론 전전두엽의 확장만이 우리의 향상된 추상적 사고 능력의 유일한 원인은 아닐 것입니다. 뇌의 다른 변화도 중요할 것입니다. 예를 들어, 두정엽도 다양한 추상화 과제 중에 전전두엽과 함께 활성화됩니다. 따라서 전전두엽이 다른 뇌 영역과 어떻게 상호작용하는지 이해하는 것도 인간 추상화의 신경 기반을 이해하는 데 중요합니다.

가장 앞쪽의 전두극 피질

전전두엽의 어느 하위 영역이 추상화에 가장 중요한 역할을 하는지도 중요한 문제입니다. 전전두엽은 서로 다른 기능을 수행하는 여러 하위 영역으로 구성된 큰 영역이며, 추상화 기능이 이들 사이에 어떻게 분포되어 있는지는 불분명합니다.

그림 9.4. 전두극 피질. 전전두엽의 가장 앞부분입니다.

뇌 영상 연구에 따르면 전전두엽의 앞쪽 부분일수록 더 추상적인 사고를, 뒤쪽 부분일수록 더 구체적인 사고를 담당한다고 합니다. 만약 그렇다면, 전전두엽의 가장 앞부분인 전두극 피질에 초점을 맞춘 미래 연구가 인간 혁신의 신경 기반을 밝히는 데 중요한 단서를 제공할 수 있을 것입니다.