최근 과학분야에서 가장 큰 화제는 인공지능일 것입니다 많은 과학과 기술이 우리를 놀라게 하였지만 사람과 같이 생각하고 말하는 인형?을 만들어냈다는 것은 참으로 놀랍기도 하고 또한 어떻게 그러한 것을 만들 수 있지 하는 질문을 던지게 합니다
하지만 따지고 보면 지금 현재 우리가 누리고 있는 모든 과학문명은 고대부터 시작된 자연현상에 대한 호기심과 탐구심으로부터 시작하여 많은 관찰과 실험, 이해, 그리고 실용화에 성공하였던 과정이 축척되어서 현재의 우리가 수많은 과학문명을 누리는 것입니다
카메라가 만들어졌던 과정이 그랬고, 정전기 현상을 통한 전기의 발견, 그리고 전기현상을 실험하다가 전자의 존재가 밝혀지게 되었고 이후 과학자들은 전자기파의 다양한 형태인 X선, 자외선, 적외선, 마이크로파, 라디오파 등을 발견하였습니다 그리고 삶의 다양한 분야에서 X선 촬영으로, 난방, 요리, 무선통신 등 다양한 분야에서 활용되고 있는 것입니다
이 글에서는 인공지능이라는 기술이 만들어지게 된 직접적인 배경이 된 세포와 뉴런의 정보전달 방식에 대해서 알아보겠습니다
세포의 정보처리 방식
우리의 몸을 이루고 있는 세포는 그냥 수동적인 몸을 구성하는 물질이 아니라 세포 하나하나가 각각 정보를 인식하고 처리하는 독립적인 시스템이라고 합니다 세포는 세포막을 중심으로 세포 안과 밖으로 구분되는데 세포 안은 DNA를 품고 있는 세포핵과 세포질, 세포 내에서 특정한 기능을 담당하는 리보솜, 미토콘드리아, 골지체, 소포체등으로 구성되어 있습니다
외부에서 자극이 감지되면 세포막은 그 자극이 무엇인지 수용체를 통해서 인지하는데 이 수용체들은 자물쇠에 맞는 열쇠와 같은 구조로 되어있어서 모든 물질들과 결합되는 것이 아니라 어떤 특정한 화학물질이나 자극에만 반응이 되도록 되어있습니다 이 외부신호가 수용체와 결합되면 이 결합을 세포는 신호라고 인식하는 역할을 합니다
그러면 세포의 안 쪽에서 신호전달 경로가 작동되어 효소나 세포 내의 단백질들이 연쇄적으로 반응하게 되고 도미노 효과처럼 다음 반응을 유도하면서 세포핵으로 정보가 전달됩니다
그러면 세포핵에 있는 전사인자라는 단백질이 활성화되고 이 전사인자는 DNA의 특정 유전자 부위에 결합합니다 그리고 그 결합한 지점에서 DNA의 유전정보가 RNA로 전사됩니다
전사된 메신저 RNA는 세포질로 나가 리보솜과 결합하고 리보솜에서는 메신저 RNA(mRNA)의 정보를 해독하여 아미노산을 조립하여 단백질을 합성합니다
이런 과정을 거쳐서 만들어진 단백질은 세포막에서 새로운 수용체를 만들기도 하고 다른 세포에 작용하는 호르몬, 또는 세포 내에서 대사를 조절하는 효소가 되기도 하고 또는 구조 단백질이 되어 세포의 기능을 강화시킵니다
그러나 세포 내에서 정보전달의 오류가 발생할 시, 우리의 건강에 큰 치명상을 주기도 하는데 당뇨병도 세포간의 신호전달에 문제가 생겨서 발생하는 병입니다
우리의 몸은 식사를 통해 혈액 속의 포도당의 농도가 높아지면 위장 뒤에 위치한 췌장의 베타세포가 이를 감지하고 인슐린이라는 호르몬을 만들어 세포들에게 포도당을 받아들이라고 신호를 보내 혈액 속의 포도당을 낮추려고 합니다 이때 각 세포는 세포막에 위치한 수용체를 통해 이 신호를 받아들이고 반응하는데 1형 당뇨병은 이 호르몬을 만들어내는 시스템이 망가진 경우입니다
2형 당뇨병은 인슐린은 만들어낼 수 있는데 세포의 막에서 이 신호를 인지하지 못하고 받아들이지 못하는 경우입니다
우리가 컴퓨터나 네트워크를 사용 할 때도 정보를 받아들이고 전달하고 실행하는 과정 중 어느 한 부분이라도 문제가 생기면 컴퓨터를 사용할 수 없는 것처럼 당뇨병도 우리 인체의 신호를 전달하는 과정 중 한 고리가 무너졌을 때 생기는 현상이라고 할 수 있습니다
결국 우리의 생명활동도, 그리고 인류가 만들어낸 기계도 정보가 흐르지 않으면 기능을 잃는 원리가 있음을 알 수 있습니다
뉴런의 정보전달 방식
인공지능은 뉴런의 정보전달 방식을 보고 만들어진 것입니다 앞 글에서 뉴런을 모방하여 인공지능이 만들어지기까지의 과정과 인공지능과 뉴런의 차이에 대해서 쓴 글이 있는데 참고해 보시면 좋을 것 같습니다
뉴런의 정보전달 과정을 간단히 정리하겠습니다
뉴런은 감각기관으로부터 자극(빛, 온도, 압력등)을 받거나 옆의 뉴런으로부터 신경전달물질등의 전달을 받으면 가지 모양을 하고 있는 뉴런(신경세포)의 수상돌기가 반응을 합니다 그리고 받아들여진 자극이 약하면 그냥 사라지고 어느 일정한 수준을 넘으면 전기신호로 발전하게 됩니다
전기신호로 바뀌어진 정보는 도미노처럼 옆으로 퍼지면서 신경세포의 긴 연장선인 축삭을 따라 이동해서 옆의 뉴런에게 전달됩니다 그리고 다음 뉴런의 수용체가 다시 자극을 받고 전기 신호를 생성해서 다음 뉴런에게 전달합니다
그런데 이러한 과정 중 한 부분이라도 고장이 난다면 감각, 운동, 기억, 감정, 사고 등 중요한 신경계의 활동들에 심각한 문제가 생길 수 있습니다
뉴런의 신호전달과정 중 이상이 생겼을 때 어떠한 현상이 나타날 수 있는지 알아보겠습니다
●시냅스 손상
시냅스는 뉴런과 뉴런을 연결시켜 주는 역할을 하는데 신경세포의 수상돌기에서 받은 신호는 뉴런의 연장선인 축삭이라는 긴 통로를 거쳐서 전기신호가 전달되고 축삭의 끝 부분 시냅스에서 전기신호가 화학물질로 바뀌어 옆의 뉴런에게 신호를 전달해 줍니다
그런데 이 연결부위가 손상되어 신호가 전달되지 못하면 기억력, 집중력, 운동, 감정조절, 언어, 사회적 행동등의 능력등에 문제가 생기기 시작합니다
시냅스가 손상이 되는 원인 아밀로이드 베타 단백질이 시냅스를 파괴해서 생기기도 하고 강한 충격이나 사고로 뇌에 손상이 가해지면서 시냅스가 끊어지거나 변형되면서 손상되기도 합니다
또한 만성적으로 스트레스를 받는 경우 스트레스 호르몬인 코르티솔이 과도하게 만들어져서 시냅스의 구조를 약화시키는 경우도 있습니다 또는 알코올이나 니코틴, 마약등을 할 경우 이 물질들이 신경전달물질의 분비를 방해하면서 시냅스를 파괴하기도 합니다
오메가 3, 비타민B군, 아연 등의 영양물질의 부족으로 시냅스의 유지에 문제가 생기기도 하며 자가면역질환으로 시냅스를 공격하여 인지기능을 저하시키거나 정신 증상을 유발하기도 합니다
이렇게 시냅스가 손상이 되는 원인은 외상, 스트레스 중독, 질병 등 복합적인데 뇌를 꾸준히 자극하거나, 운동, 영양 관리로 회복되는 경우도 많다고 합니다
●신경전달물질의 이상
신경계의 이상은 뉴런 간의 연결에 문제가 생겨 발생하기도 하지만 신경전달 물질이 부족하거나 과다할 때도 생겨납니다
신경전달물질이 부족할 때 나타나는 신경질환으로는 파킨슨병과 우울증이 있습니다
파킨슨병은 일명 행복 호르몬이라고 불리기도 하는 도파민의 부족으로 발생하는 뇌질환인데 도파민이 부족해지는 원인은 뇌의 신경세포나 회로의 손상으로 도파민 분비가 감소되기도 하고 스트레스나 생활습관, 햇빛부족 뇌의 기능성 질환등 다양한 원인에서 도파민의 분비가 줄어든다고 합니다
도파민이 부족하게 되면 근육이 경직되거나 떨리고 움직임이 느려지는 증상이 나타납니다
반면 도파민의 과다분비로 발생하는 질병이 있는데 이 전에는 정신분열증이라고 불렸던 조현병입니다
도파민이 과다분비되는 원인은 유전적으로 도파민을 만드는 효소에 이상이 생겼을 수도 있고 또는 태아나 성장기의 뇌 발달 과정 중에 전두엽이나 변연계 등의 회로에 문제가 생겨 도파민을 만드는 신경계가 민감 해져서일 수도 있다고 합니다 도파민이 과다하게 분비될 때 나타나는 증상으로는 망상, 환청등이 있습니다
결론
현대의 모든 과학기술은 항상 놀라움을 주지만 특별히 인공지능은 사람의 뇌에서 영감을 받아 우리의 생각하는 방식을 모방하여 만들었기에 사람들에게 놀라움 이상의 경이로움을 느끼게 합니다
성경에 보면 하나님이 인간을 창조할 때 "우리의 형상을 따라 우리의 모양대로 사람이 되게 하자"라는 구절이 있습니다 그래서일까요 사람은 자신처럼 생각하고 말하는 존재를 만들어내었습니다 그것이 완전한 사람이 되지는 못하겠지만 어쨌든 사람은 하나님의 형상을 따라 지어졌기에 자신도 무엇인가를 창조하고자 하는 열망을 지니고 있는 것 같습니다