금세기 최고의 '뇌피셜'? 의식의 비밀을 푼 천재 이론?

의식이란 무엇인가? 세기의 난제에 도전한 한 천재 물리학자

인간의 의식은 현대 과학이 마주한 가장 크고 어려운 문제 중 하나다. "나는 생각한다, 고로 존재한다"라고 했던 데카르트의 말처럼, 우리는 자신의 존재와 생각을 너무나 당연하게 여기지만 정작 나라는 주관적인 경험, 즉 의식이 뇌의 물리적인 작용 중 정확히 어디에서 어떻게 발생하는지는 아무도 명쾌하게 설명하지 못한다. 아주 기본적으로 생물학자들은 신경세포의 연결성에서 의식이 만들어진다고 생각하고 있다. 신경세포(뉴런)들의 전기적 신호 교환이 어떻게 다채로운 감정과 생각, 그리고 ‘나’라는 느낌을 만들어내는 걸까?

이 질문에 대해 대부분의 신경과학자들은 의식이란 뇌의 복잡한 정보처리 과정에서 나타나는 창발적 현상이라고 설명한다. 수많은 뉴런이 연결된 네트워크가 특정 수준 이상의 복잡성을 갖게 되면 저절로 의식이 나타난다는 것이다. 하지만 2020년 노벨 물리학상 수상자이자 수학자인 로저 펜로즈(Roger Penrose)는 이런 설명에 만족하지 못했다. 그는 본디 양자역학을 다루는 물리학자인데, 마취과 의사와 함께 이 의식의 비밀을 풀어내기 위해서 다양한 문헌과 경험을 나누었고 이내 양자역학을 통한 의식의 근원에 대해서 설명했다.

양자역학과 뇌의 만남: Orch OR 이론의 탄생

펜로즈는 마취과 의사이자 의식 연구자인 스튜어트 하메로프 (Stuart Hameroff)와 손을 잡고 1990년대에 매우 대담하고 혁신적인 가설을 내놓았다. 바로 ‘조화로운 객관적 환원(Orchestrated Objective Reduction, Orch OR)’ 이론이다.

이 이론의 핵심 주장은 다음과 같다.

“의식은 뇌 신경세포 속 ‘미세소관(microtubule)‘이라는 생체분자에서 일어나는 양자 과정의 결과물이다.”

이게 대체 무슨 말일까? 의식을 이야기할 때 우리들은 기본적으로 시냅스라고 부르는 신경세포 끼리의 연결관계가 매우 중요하다고 생각하고 있다. 아래 그림처럼 시냅스는 뉴런과 뉴런 사이의 연결이라고 한다면 미세소관은 세포 내에 존재하는 세포골격이다. 우리 사람으로 치자면 뼈라고 생각할 수 있겠다. 엥? 그런데 뇌세포의 뼈대가… 의식을 만들어낸다고?

미세소관은 양자 계산이 일어나는 생체 분자이며 이것을 통해 의식이 나타난다!

펜 로즈는 양자적인 어떠한 현상을 나타낼 수 있는 생체 분자로 미세소관을 꼽았다. 튜블린(Tublin) 이라는 생체 분자가 차곡차곡 쌓여서 거대한 원통 구조를 형성하면 그것이 바로 미세소관이다. 비단 신경세포 뿐만 아니라 모든 세포들이 가지고 있는 기본적인 생체 구조인데, 이것이 형성하고 있는 원통형 구조가 양자 상호작용의 핵심이라고 펜 로즈는 주장한다.

미세소관이 가지고 있는 원통형 구조는 원통의 외부와 내부를 훌륭하게 격리시키고, 이것이 바로 양자 현상이 나타나기에 최적인 환경을 만들어준다는 것이다. 양자의 세계에서 중요한 것은 바로 양자얽힘과 중첩 상태이다. 양자 현상이 나타나기 위해서는 다른 분자와의 상호작용이 없어야 하는 까다로운 조건이 있는데 일반적으로 세포 내 환경은 너무나 다양한 상호작용이 도사리고 있다. 끊임없이 부딪히는 물 분자에서부터 각종 단백질과 무기물, 작은 분자들이 꼼꼼하게 패키징 되어있는 것이 바로 세포다. 이런 환경에서는 양자 현상이 유지될 수 없다. 양자역학을 전공하는 사람은 이렇게 너무 복잡하고 산만한 시스템을 뜨겁고 시끄럽다 고 표현한다. (심지어 체온은 양자역학적으로 너무 뜨거운 상태다.)

이렇듯 세포 내부는 너무나 뜨겁기 때문에 양자적인 현상이 나타나지 않을 것 같지만 미세소관이 만들어낸 원통 구조의 내부는 매우 격리 되어있어 양자 현상이 나타날 수 있다고 펜 로즈는 주장한다. 이 미세소관에 양자 정보가 계속해서 쌓이게 되며 이렇게 쌓인 양자 정보가 일정 수준에 도달하면 이것들이 한 순간에 양자 붕괴를 일으키고 하나의 현상으로 결정될 때 비로소 양자 컴퓨터처럼 어떠한 계산을 거친, 의식이 창발된다고 보는 것이다.

특히 이 과정은 시냅스에서 마취제가 뉴런에 도달했을 때 미세소관과 상호작용한다는 마취과 의사의 주장에서 영감을 받았는데, 이 때문에 시냅스 사이에서 일어나는 신경전달 과정은 사실은 미세소관을 조절하는 것이며, 이러한 조절 기작을 따라 양자현상이 조율(Orchestrated) 된다고 주장한다. 이것이 바로 Orch OR 이론에서의 Orch이 가지는 의미다.

의식의 순간, 객관적으로 환원된다는 의미

객관적으로 환원 된다는 것은 무슨 말일까? Objective Reduction, OR이라고 부르고 있는데 이는 외부의 어떠한 개입이 없이도 양자 붕괴가 일어난다는 것을 의미한다. 일반적으로는 양자현상이 다른 분자와 상호작용 했을 때 붕괴 된다고 알려져 있지만, 펜 로즈는 다르게 본다. 어떠한 상호작용 없이도 자발적으로 붕괴할 수 있다는 것이다. 미세소관을 생각해보면 앞서 설명했던 것처럼 양자 중첩 상태가 미세소관에서 쌓이게 되는데, 어느 일정 수준에 도달하면 자연스럽게 양자붕괴로 이어진다고 본다. 이것을 객관적으로 환원 되었다.라고 한다. 합쳐서 Orch OR이란 조화로운 객관적 환원(Orchestrated Objective Reduction, Orch OR)을 뜻하는 것이 되는 것이다.

의식의 주파수, EEG로 본 양자 쌓임과 붕괴. 그리고 마취

뇌파를 확인하는 기술인 EEG(Electro Encephalo Graphy)는 뇌를 구성하는 신경세포들이 만들어내는 전류를 실시간으로 확인할 수 있는 기술이다. 펜 로즈는 이것을 이용해서 시간에 따라서 뇌에서의 신호가 어떤 방식으로 작동하는지 확인했다. 이것을 보고 그는 이 주파수로 나타나는 패턴이 바로 양자 쌓임과 붕괴 순간을 나타내는 근거라고 생각한 것이다.

비단 EEG 기술 뿐만이 아니다. 마취과 의사 스튜어트 하메로프 (Stuart Hameroff)는 평소 마취제의 작동 원리에 대해 탐구하였는데, 다양한 종류의 마취제들이 미세소관의 튜블린 단백질 내부의 특정 장소(소수성 주머니)를 타겟으로 한다는 공통점이 있다고 주장했다. 즉, 마취제는 이 튜블린 단백질에 끼어들어서 양자 계산을 방해하기 때문에 의식이 순간적으로 꺼진다고 본 것이다.

남겨진 질문들: 이론의 한계와 과제

아주 흥미롭고 재미난 이론이며, 일부 논문에서는 실제로 양자현상이 미세소관을 타고 나노미터 단위로 전달되었다고 주장하기도 한다.¹ 그러나 아래처럼 치명적인 한계점을 생각해 볼 수 있다.

첫 번째, 세포 골격은 모두가 가지고 있다.

미세소관은 온 몸을 구성하는 모든 세포들이 모조리 가지고 있는 것이다. 뉴런만이 이것에서 정보를 얻어낸다는 것은 약간 받아들이기 어렵다. 이에 대해 펜 로즈는 뇌 신경세포는 다른 세포들의 미세소관과는 다른 특별한 배열과 안정성을 가지며, Gap juction을 통해 네트워크를 이루기 때문에 다르다고 말한다. 그런데 웬만한 Connective tissue는 Gap juction을 가지고 있으며 사실 누구보다 탄탄한 Gap juction을 가지고 있는 것이 바로 표피세포 혹은 내피세포이다. 얘들은 미세소관 마저도 훨씬 복잡하게 구성 되어있다. 그의 주장을 수용하자면 피부는 의식이 발생할 수 있는 더 훌륭한 조건을 내포하고 있다고 볼 수 있다.

두 번째, 미세소관을 이용하는 생체 분자들이 너무 많다.

대표적으로 Motor protein이 있다. 이 친구는 다양한 생체 분자를 정해진 위치로 옮기는 단백질로 잘 알려져 있는데 진짜로 걸어서 움직이는 것으로 매우 유명하다. 이 친구가 고속도로처럼 타고 가는 것이 바로 튜블린 단백질이다. 양자 정보가 튜블린 단백질에 쌓인다면 도대체 이 Motor protein처럼 직접적으로 닿고 있는 분자로 인해서 왜 양자 정보는 붕괴되지 않는가? 양자 상태는 극도로 섬세해서 외부의 접촉에 쉽게 붕괴된다. 그런데 미세소관이라는 양자 트랙 위를 거대한 단백질 트럭들이 끊임없이 덜컹하면서 지나다니고 있는데 어떻게 미세소관이 고요한 양자 상태를 유지하고 있다는 것일까?

세 번째, 원통은 사실 닫힌 계가 아니라 열린 계였다.

마취제의 타겟이 원통 내부를 향하고 있기 때문에 외부 환경과는 달리 양자 상태를 유지할 수 있다고 한다. 그러나 역설적이게도 외부에서 유입된 마취제가 원통 내부를 타겟으로 하고 의식을 껐다.면, 마취제와 유사한 크기와 상태의 모든 분자들이 원통 내부에 침입할 수 있다는 말이 되어버린다. 아이러니하게도 방어로 내세운 논리가 치명적인 결함을 내포하고 있는 것이다. 다시 말해서, 마취제와 비슷한 다른 모든 분자들 역시 그 주머니에 침입하여 양자 상태를 교란할 수 있다는 말이 되어버린다.

결론: 의식은 대체 뭘까?

Orch OR 이론은 아직 완성된 이론은 아니다. 여전히 많은 가설과 중간 논리들을 검증하고 확인하는 단계에 있다.

그럼에도 불구하고 이것이 대단한 것은 바로 의식의 출발점을 나타내는데 있다. 단순히 시냅스가 복잡해지면 의식이 만들어진다고 이야기 하는 것은 과학적으로 인과관계를 설명하지 못한다는 것을 애둘러 이야기 했을 뿐이다. 현상만 묘사할 뿐 근본적으로 왜? 그런지, 어떻게? 그것이 가능한지 설명하지 못하는 것이다.

Orch OR 이론은 바로 여기서 미세소관과 양자붕괴를 섞어서 어떻게든 의식 설명해보려고 한다. 서로 맞물리지 않을 것 같은 두 학제간의 융합된 지식인 것도 매우 훌륭할 뿐더러, 근본적인 설명을 이야기한다는 것이 바로 과학의 자세 그 자체이다.

그 답이 맞든 틀리든, 가장 근본을 두드린 이 지적 여정만으로도 찬사를 받아야 함에 틀림없다.

출처

• Hameroff, Stuart, and Roger Penrose. “Consciousness in the Universe: A Review of the ‘Orch OR’ Theory.” Physics of Life Reviews 11, no. 1 (2014): 39–78. https://doi.org/10.1016/j.plrev.2013.08.002.