뇌활동 원리 생각보다 단순할 수도
과학자들 무한상상력 존중해주길

이른 아침 상쾌한 기분으로 출근한 사무실, 적당히 갈린 커피 원두 위로 끓은 물을 붓는다. 원두 사이로 난 물길을 따라 흘러가며 사이사이 숨어 있는 은은한 향을 캐내고 커피색으로 물들어 떨어지는 물방울들. 그 속의 카페인이 전해줄 각성과 활력을 기대하며 커피의 완성을 기다리는 일은 각박한 삶을 사는 우리들이 누릴 수 있는 소중한 경험 중 하나일 것이다.

그런데 커피를 기다리는 물리학자들의 머릿속은 가끔 엉뚱한 상상으로 채워지곤 한다. 원두 사이를 흐르는 물이 붙어버린 커피 알갱이로 인해 막힌 통로를 만나면 어떻게 될까. 막힌 통로가 늘어나도 물이 원두 더미를 통과해 끝까지 흘러갈 수 있을까. 다공성 암석 속으로 물이 스며드는 상황과 흡사한 이 문제는 물리학에서 스미기(percolation) 현상으로 알려져 있다. 가령 그물 모양 철망의 여기저기를 마구 잘라낸다면 몇 군데나 잘라야 양 끝을 연결하는 철선이 없어지는지를 알아보는 것은 전형적인 스미기 문제 중 하나다. 

고재현 한림대 교수·물리학

스미기 문제는 실용적인 측면에서도 중요한 의미를 지닌다. 예를 들어 균에 전염된 사람이 있다고 하자. 균의 종류와 보건위생 정도, 사람들의 면역 정도에 따라 감염자로부터 주변 사람으로 병이 전파될 확률이 결정될 것이다. 이 확률이 낮을수록 감염자를 중심으로 병이 퍼져나가는 범위는 제한될 것이다. 커피 원두를 힘으로 눌러 물길을 막을수록 물이 원두 사이로 흘러가기가 더 힘들어지는 것과 비슷한 현상이다. 감염자와 그 이웃처럼 개체와 개체 사이의 관계에 어떤 사건이 발생할 일정한 확률을 부여하고 이 확률 변화에 따라 네트워크로 연결된 전체의 상태가 어떻게 변하는지를 분석하는 것이 스미기 문제에 대한 물리학의 접근법이다. 이 방법을 화학결합에 적용함으로써 과학자들은 계란이 삶아지는 과정이나 고분자 합성과정을 더 잘 이해하게 되었고 산불이나 대규모 정전 현상 등 실용적인 문제의 해결책 모색에도 기여하고 있다.

이러한 스미기 문제가 최근 의식과 무의식의 경계를 파헤치는 도전에도 활용되었다. 미국 피츠버그 대학 연구팀은 뇌 속 정보전달과정을 스미기 문제로 접근해 마취로 인한 무의식 상태를 컴퓨터로 재현할 수 있다는 결과를 발표했다. 이들은 뇌의 시상에서 대뇌피질로 각종 감각 신호가 전달되는 과정을 나무 형상의 네트워크 모델로 치환한 후 나무 줄기에서 가지를 거쳐 가지 끝단으로 정보가 퍼져나가는 과정을 확률을 바꿔가며 살펴보았다. 이 확률이 50%라면 가지의 분기점과 분기점 사이의 정보 전달은 두 번의 시도 중 한 번만 발생한다. 이 확률이 높을수록 시상에 대응하는 나무줄기에 입력된 정보가 대뇌피질에 해당하는 가지 끝으로 잘 전달될 것이다. 연구팀은 컴퓨터 전산모사로 이 확률을 줄이며 정보전달 신호를 분석, 실험으로 구한 마취환자의 뇌파도와 비교해 보았다. 그 결과 확률이 약 0.3 이하로 줄어들자 마취 전의 뇌파가 마취 후의 뇌파로 바뀌는 과정이 컴퓨터상에 정확히 재현되었다.

뇌가 가지는 복잡한 생물학적 특징이 포함되지 않은 비교적 단순한 스미기 모델이 인간의 마취 과정, 즉 의식에서 무의식으로 넘어가는 과정에 동반되는 주요 특징을 설명했다는 점에서 본 연구 결과는 매우 흥미롭다. 과학에서 가장 미지의 영역이자 극도로 복잡한 인간의 뇌 활동에 비교적 단순한 작용 원리가 포함되어 있을지도 모른다는 시사점을 던지고 있기 때문이다. 물론 이런 모델을 기반으로 인간의 의식활동이 명확히 해명되기를 바라는 것은 우물에서 숭늉 찾는 꼴이겠지만, 이런 연구 성과들이 쌓이면 적어도 숭늉을 만들 재료들이 하나씩 확보될 것이다.

여하튼 이제 커피메이커 앞에서 커피 한 잔 들고 끝없는 잡담과 토론을 즐기는 과학자들을 보더라도 비난하지 말자. 당장 돈 되는 연구를 하지 않는다고 나무라지도 말자. 커피 원두 속으로 들어간 그들의 상상력이 번져나가는 산불 속으로, 의식과 무의식의 경계로, 그리고 다양한 미지의 영역으로 끝없이 뻗어나가길 기원하자. 노벨상의 맹아가 그곳에서 싹트고 있을지도 모르는 일이니 말이다.

고재현 한림대 교수·물리학