새로운 학문의 태동과 카오스
1. 새로운 학문의 태동
1940년대 말부터 50년대에 걸쳐서 정보에 관한 새로운 학문체계가 세워졌다. 섀넌(Shannon)의 정보이론, 위너(Wiener)의 사이버네틱스를 효시로 오토메이션, 언어, 인지과학 등이 새로이 전개되었다. 그 중 오래된 것으로 라세프스키(Rashevsky)학파의 흥분과 억제를 기반으로 하는 연구가 있다. 또한 위너와 로젠브루스(Rosenblueth)는 심장과 뇌의 공통적인 기본모델로서 흥분파동의 지속과 재생 모델을 제안하였는데, 이것은 벌리(Buerle)등의 신경장(神經場)연구, 파리(Farley)와 클라크(Clark)의 신경장 컴퓨터 시뮬레이션으로 이어져 갔다.
2. 카오스
뇌 연구의 발전이 20세기 초 뉴런의 발견이 계기가 되었다는 것은 이미 앞에서 언급하였다. 그런데, 이와 비슷한 시기에 '카오스(Chaos)이론'의 태동이 있었다. 19세기 말의 앙리뽀앙까레(Henri Poincare)의 역학적인 다체문제에서의 비선형 항에 의한 기이한 현상들에 관한 연구가 바로 그것인데, 그의 발견들은 물리에 의해서 어떤 연구의 흐름을 형성했어야 했겠지만 20세기 초의 양자역학과 상대론에 의한 물리학의 큰 혁명 속에서 두각을 나타내지 못하다가 이들 두 이론이 거의 안정적으로 된 후인 1960년대에 와서야 그의 발견은 비선형성, 되먹임, 엔트로피와 규칙계에 내제된 비평형에 대한 새로운 연구와 합쳐지게 되었다.
이후 카오스 이론은 컴퓨터 공학의 혁명적인 발전과 더불어 물리, 수학, 생물, 전자 및 기계공학은 물론, 생태학, 사회학, 경제학, 의학 등에 많은 영향을 미치고 있다.
비슷한 시기에 활성화된 뇌 연구와 카오스 연구는 당연히 서로가 연결될 수 밖에 없었는데 그 이유는 뇌의 기본 기능 소자인 뉴런의 비선형성에 기인한다.
1980년대의 연구에서는 주로 뉴런을 주기적인 전류로 자극하여 세포의 불규칙적인 흥분의 카오스적 성질이 실험적으로 밝혀졌다. 1980년대 후반이 되어서는 신경계의 기능과 카오스와의 관련성이 논의되게 되었다. 예를들어 Mapitosos등은 해삼의 운동뉴런의 발화패턴을 조사하여 운동의 리듬에 관계되는 연속방전의 주파수변동이 카오스적이라는 것을 보였다.
Freeman등은 토끼 후구의 뇌전위(EEG)와 그 모델의 냄새자극에 대한 응답을 조사하여, 카오스는 인식과정에 필요한 뉴런의 집단적활동의 기조상태이고, 과거에 학습한 감각패턴을 항상 억세스하고, 또 새로운 감각패턴을 학습하기 위한 제어된 노이즈원으로서 기능하고 있다고 생각하고 있다.
이와 같이 카오스가 뇌의 정보처리와 관계하고 있다는 생각은 매우 흥미있다. 이는 앞에서 설명한 뇌의 가소성과도 관계된다. 즉, 살아 있는 상태를 유지하기 위해서는 시시각각 다양하게 변화하는 정상이 아닌 요소를 지니고 있어야 한다. 그러나 이것이 단지 무작위로 변하는 것은 아니며, 외계의 환경을 여러가지 지각 정보로서 취하고, 처리하여, 목적에 맞게 변화하는 것이다. 비선형계이면, 예를들어 신경계의 경우, 세포, 내의 이온 농도, 막전위, 시냅스의 결합강도, 새롭게 생긴 시냅스 결합, 신경계의 환경을 구성하는 여러가지 물질, 입력신호에 의존하여, 계의 거시적인 상태가 드라마틱하게 그리고 다양하게 변화한다.
이것은 매우 중요한 의미를 지니고 있는데, 그것은 생명체(뇌)의 진화의 방향이 효율성이라면 단순한 조직으로부터 다양한 기능이 표출되게 하는 것이 더효율적일 것이기 때문이다. 이와같은 비선형계의 다양성과 제어가능성이, 중추신경계의 정보의 인식, 기억, 통합 등의 기능과 깊이 관계하고 있는것은 아닐까하고 기대하고 있는 것이다. 그러나, 그 구조에 대해서는 현재 거의 아무것도 알려져 있지 않다.
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