백 세 범 조교수한국과학기술원(KAIST)

바이오및뇌공학과시각신경시스템 연구실

착시와뇌과학

한국분자·세포생물학회 49

학력 및 경력

1994-1998 서울대학교 원자핵공학과 및 물리학과 학사

1998-2000 서울대학교 물리학과 석사

2000-2003 대한민국 공군사관학교 물리학과 강사 및 전임강사 (공군 중위)

2003-2005 미국 노스웨스턴대학교(Northwestern University, Department

of Physics) 연구원

2005-2009 미국 캘리포니아대학교 버클리(University of California at

Berkeley, Department of Physics) 박사

2009-2013 미국 캘리포니아대학교 로스앤젤레스(University of California at

Los Angeles, Department of Neurobiology, David Geffen

School of Medicine) 박사후 연구원

2013-현재 한국과학기술원 (KAIST) 바이오및뇌공학과 조교수

수상 내역

2013 포스코 청암과학펠로우 신진교수부문 수상

연구 업적

Nature Neuroscience, PNAS를 포함한 다양한 국제학술지에 논문 게재 및

국제 초청 강연

기능성 뇌지도 생성의 원리를 최초로 설명한 이론으로 2011년 Nature

Neuroscience 표지 논문으로 선정

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가상현실과 감각정보

1999년 개봉된 화“매트릭스”는

가상 현실에 대한 파격적인 아이디어

를 바탕으로 당시 대단한 흥행 실적을

거두었다. 화 속 배경은 미래의 어

느 시점으로, 인간은 엄청나게 발달된

인공지능을 가진 기계에 의해 에너지

원으로 사육 당한다. 이들은 모두 두

뇌와 신경 시스템이 컴퓨터와 연결되

어 통제 당하는데, 이는“매트릭스”라

고 불리는 가상 시스템에서 관리되어

마치 자신이 20세기 미국의 어느 도

시에서 생활하는 것처럼 보고 듣고 느

끼도록 프로그램 되는 식이다. 놀랍게

도 이들은 컴퓨터를 통해 감각기관으로 제공되는 이 가상공간에서 자신이 보고 느끼는 것이 실제 상황

이라고굳게믿는다. 이 화는이러한설정을바탕으로하나의질문을던진다. “우리는우리가보고듣

는것들에대해확신을가질수있는가?”

사실철학에서는이러한질문은오래전부터내려온중요한화두중하나이다. 소위“통속의뇌”라고

불리는 사고 실험의 내용은 이렇다. 만약 우리의 두뇌가 몸으로부터 분리되어 정상적으로 생존하며 작

동할 수 있는 환경이 갖추어져 있는 시험관 속에 들어 있고, 이 뇌에 입력되는 감각신호를 완벽하게 통

제할 수 있다고 가정하자. 이제 이 뇌에 우리가 실제로 바깥 세상에서 정상적으로 활동할 때 보고 듣고

느끼는 것처럼 완전한“가상의 현실”에 대한 정보를 입력해 준다면, 우리는 이 가상의 현실을 실제의

세상과 구별할 수 있는가? 다시 말해 우리는 우리가 감각정보를 완벽하게 통제 당하고 있는“통속의

뇌”가아니라실제로현실속에살고있다고확신할수있는가? 받아들이기힘들지도모르겠지만, 논리

적인결론은“아니오”다.

감각기관과 정보의 부호화

사실 위의 결론에서 중요한 부분은“우리의 감각 정보를 완벽하게 통제할 수 있다면”이라는 조건이

다. 여기서 우리는 자연스럽게 뇌의 가장 중요한 기능 중 한가지인“감각과 인지”의 역할에 대해 생각

하게 된다. 우리는 바깥 세상에 대한 모든 정보를 받아들이는데 있어서 전적으로 눈, 귀 등의 감각기관

착시와뇌과학

감각정보의 통제를 통해 구현된 가상현실( 화 매트릭스 중)

한국분자·세포생물학회 51

에 의존한다. 각각의 감각 기관은 다양한 물리량(예: 빛의 파장, 음파의 주파수)으로 나타나는 외부의

정보를 감지한 뒤, 이를 신경세포들의 전기적 활동 패턴으로 변환하게 되는데, 이 과정을 부호화

encoding 라고한다. 이렇게부호화된정보들은각각의감각을담당하는뇌의 역에서적절한방식으

로 해석되어 우리의 반응을 결정하게 된다. 만약 모든 감각 기관이 역할을 하지 못한다면 우리는 외부

세상에 대한 어떤 정보도 받아들일 수 없게 될 것이고, 어떤 종류의 학습이나 판단도 불가능해 질 것이

다. 다시 말해, 감각과 인지는 우리가 어떤 일을 할 수 있도록 만드는 뇌의 가장 근본적이고 우선적인

기능인것이다.

시각 신경 시스템 연구를 통한 뇌의 이해

시각 시스템은 인간의 모든 감각 중에서도

가장 중요한 시각 정보 처리를 담당한다. 전통

적으로뇌신경과학에서는뇌의정보처리원리

를 이해하기 위하여 시각 신경 시스템의 각 단

계에서일어나는여러가지현상들을다각도로

연구해 왔으며, 이를 통하여 뇌과학자들은 뇌

에서일어나는정보처리의원리에대한기초적

인이해를가질수있게되었다.

시각 신경 시스템 연구의 선구자 던 David

Hubel과 Torsten Wiesel은 시각신경세포들

의 반응 특성을 조사하는 연구를 통해 시각 시

스템의말단에서부터차례차례시각정보처리가이루어지는원리들을정량적으로밝혀냈다. 대표적인

예로, 각각의 시신경 세포들은“수용장”receptive field이라고 명명된 개별적으로 할당된 일정한 공간

내에 주어진 시각 자극에 대해서만 반응한다는 사실을 발견하 으며, 또한 각각의 세포는 특정한 형태

의시각자극에대하여더선별적으로반응을보인다는중요한사실들을밝혀내기에이르 다. 이를통

하여과학자들은뇌에서일어나는정보처리의방식에대한이해에한발짝더다가서게된다.

착시와 뇌 연구: 시각 신경시스템의 구조 이해

재미있는 점은 뇌의 시각 정보 처리를 연구하는데 있어서 착시

현상이 접하게연관된다는점이다. 단순히재미있고신기한현상

이라고생각되던착시현상이실제로는감각신경세포들의독특한

구조나 특성에 의해 유발되는 것이고, 이를 통하여 뇌의 감각 정보

처리방식을엿볼수있는중요한단서가된다는의미이다.

예를 들어 오래 전부터 알려져 있던 헤르만 그리드와 같은 착시

현상은망막의시신경세포들의수용장형태와반응특성을관찰함

Hubel과 Wiesel의 시각 신경세포 반응 연구 실험(Youtube.com)

흔히 관찰할 수 있는 착시의 예:헤르만 그리드 (Wikimedia Commons)

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으로써 현상의 원리와 이유를 설명 가능하게 되었고, 이를 통해 시각 시스템은 주어진 입력 정보를 공

간적으로어떻게연결하여해석하는지더잘이해할수있게되었다.

뇌의 정보처리 원리 이해

중요한 사실은 착시 현상이 감각 기관의 구조나 특

성에 의해서 어쩔 수 없이 유발되는 단순한 뇌의“실

수”가 아니라는 점이다. 오히려 많은 경우에 있어서

착시는뇌가“일반적인상황”에서의감각정보를더욱

더 효율적으로 처리하기 위해 형성된 작동 방식이 예

외적으로“특수한상황”을만났을때보이는결과물이

라고생각할수있다.

이러한 상황의 좋은 예는“불완전”하거나“명확하지

않은”정보가 주어졌을 때 일어나는 착시들이다. 예를

들어 네커 큐브Necker Cube 라고 명명된 착시는 단

순히입체적인육면체를평면에투 하여그린것으로

완전한 3차원적 정보는 주어지지 않는다. 그럼에도 불

구하고 거의 대부분의 사람은 이 육면체가 입체적인

형태를 가지고 있다고 느끼게 되는데, 계속 이 그림을

지켜보게 될 경우 중심부 위쪽에 보이는 꼭지점이 앞

으로 튀어나온 형태로 3차원 구조가 감지 되다가 어느

순간이부분이맨뒤로들어가있는다른형태로느끼

게 된다. 재미있게도이러한두가지다른형태에대한

인지 상황은 일반적으로 일정한 시간적 주기를 두고

계속반복된다.

이러한 흥미로운 현상에 대해 우리는 무엇을 발견할

수 있을까? 우선 생각해 볼 수 있는 것은 2차원적으로

나열되어 있는 선분들의 형태를 보고 - 반드시 그래야

할 필요가 없음에도 불구하고 - 거의 모든 사람들이 3

차원의구조를감지한다는점이다. 이는이전의경험에

서 반복적으로 관찰된 시각적 패턴의 경우 그 경험에 근거하여 신속하게 해석을 내리는 과정으로 해석

을 할 수 있다. 다시 말해 뇌는 시각적으로 주어진 입력 정보가 일부 불완전한 상황에서도 이전의 경험

을통하여학습된패턴을활용하여신속하게결론을내릴수있는방식으로작동한다는것을시사한다.

다음으로이그림을볼때윗부분이튀어나와있거나들어가있는두가지다른입체적형태로해석이

변하는현상역시뇌의정보처리방식의원리를엿볼수있게해준다. 주어진입력정보만으로본다면

불완전한 정보로 인해 나타나는 착시의 예: 네커 큐브 (Wikimedia Commons)

착시 연구와 뇌신경과학 연구 발전의 관계(nature.com)

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위에서관찰되는두가지입체적형태의해석은모두옳다. 다시말해서완전한 3차원적인정보가주어

지지 않은 상황에서 두 가지 모두 주어진 입력 정보에 대해 가능한 해석인 것이다. 따라서 뇌는 주어진

정보에 대해 어떤 해석이 맞는지 결정을 내려야 하는 상황에서, 동등하게 가능한 두 가지 해석 사이를

오가게되는것으로이해된다. 다시말해정보가불완전한상황에서우리의뇌가올바른결론을내리기

위해 주기적으로 다른 해석을 내리게 되는 것이며, 이를 통해 뇌의 시각 정보의 해석에 대한 시간적 특

성을엿볼수있는좋은예가되는것이다.

위에서 살펴본 바와 같이 착시는 누구나 알고 있고 경험하는 현상이다. 그런데 실제로 뇌신경과학의

역사적 발전 과정에서의 중요한 발견들을 보면 다양한 종류의 착시 현상의 원리와 맞물려 있는 경우를

제법 많이 발견하게 된다. 어쩌면 복잡하고 신비하게만 생각될 수 있는 뇌의 작동 원리가 주변에서 흔

히 접할 수 있는 이런 착시 현상 속에 숨겨져 있는 것을 생각한다면, 앞으로는 주변에서 관찰되는 다양

한 감각 인지 현상들을 한 번 더 돌아보고 그 원리에 대해 고민하고 탐구함으로써 뇌의 신비를 밝혀내

는데기여할수있는좋은기회를만들수있을것이다.