사람의 뇌가 새로운 정보를 배우는 방법은 수십 년 동안 과학자들의 궁금증을 불러일으킨 주제이다. 매일 접하는 새로운 정보 중에서, 사람의 뇌는 중요한 것은 재빨리 기억의 창고로 넣어서 절대 잊지 않는다. 반대로 자신에게 쓸모없는 정보나 잘 이해하지 못하는 정보는 기억의 쓰레기통으로 던져 넣는다.
그런데 기억을 저장하는 시스템이 우주의 진화와 별의 형성에 적용되는 원칙과 같을 것이라는 흥미로운 주장이 나왔다. 물리학자로 구성된 연구팀은 신경회로 수준에서 보면 새로운 것을 배우는 과정이 열역학 법칙과 유사하다는 사실을 발견했다.
독일 슈투트가르트 대학의 세바스찬 골트(Sebastian Goldt) 선임연구원은 “우리 연구의 가장 중요한 의미는 열역학 2법칙을 신경회로 분석에 사용했다는 점”이라고 피스(Phys.org)와의 인터뷰에서 밝혔다.
열역학 제2법칙은 가장 유명한 물리학 법칙중 하나로 ‘고립된 시스템에서 엔트로피는 시간이 지날수록 항상 늘어난다’는 법칙이다.

 신경회로 분석에 물리학 법칙 적용

엔트로피는 무질서의 정도라는 말로 더 잘 알려져 있다. 고립된 상태에서는 외부에서 추가로 에너지가 공급되지 않으면 점점 더 무질서한 상태로 변한다는 것이 엔트로피를 설명하는 한가지 방식이다. 아무리 방을 깨끗하게 청소를 해 놓아도 아무도 방에 들어가거나 어지럽히지 않았지만, 시간이 지날수록 먼지가 쌓이면서 점점 더 무질서한 공간으로 변하는 것과 같은 이치라는 식이다.
그런데 엔트로피와 사람이 뇌에서 배우는 것과 무슨 관계가 있을까? 원자를 묶고 가스입자를 모아서 별이 되는 것 같이, 인간의 뇌는 가장 효율적으로 뇌를 조직하는 방법을 찾도록 고안됐다고 과학자들은 설명한다.
골트 연구원은 “사람의 뇌가 무엇인가 배운다는 것은 에너지를 소모하면서 신경회로를 변환한다는 것을 말한다”고 덧붙였다.
우리 뇌 안에서 수 십 억 개의 신경세포(neuron)를 통제하는 것이 배우는 과정이라고 단순화시킨다면, 그 에너지가 나오는 패턴을 발견하면 배우는 과정도 이해할 수 있다.
이같은 모델을 보여주기 위해 골트 연구팀은 인간의 뇌 안에서 신경세포의 활동을 모방한 신경회로를 만들었다.
연구팀은 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)에 발표한 논문에서 어떻게 신경세포가 혼란스런 정보를 걸러내고 중요한 입력자료에만 반응하느냐를 분석했다.
연구팀은 헤비안 이론(Hebbian theory)에 따라 모델을 만들었다. 도널드 헤브(Donald Hebb 1904~1985)가 1949년에 정립한 이 이론은 인간의 두뇌가 학습하는 과정을 신경세포가 어떻게 받아들이는지를 설명하는 이론이다. 이 이론은 “동시에 활성화되는 신경세포들은 함께 연결된다”(cells that fire together, wire together)라는 유명한 말로 요약된다.
이는 말하자면 신경세포가 좀 더 활성화될 때,  뇌에서는 그 생각이 더욱 강해진다는 것이다. 이를 연상학습 또는 헤비안 학습이라고 한다. 한 번 어떤 생각에 고정되면 어떤 이야기도 고정된 생각의 틀에 맞추는 것과 비슷하다고 할 것이다.
연구팀은 헤비안 이론을 사용해서 모델을 만들어 연구한 결과, 신경회로의 엔트로피 생성 총량에 의해 학습효율이 영향을 받음을 보여줬다. 신경세포가 배움을 늦출수록 신경세포가 내는 열과 엔트로피는 줄이는 방식으로 에너지를 효율적으로 사용하는 것을 발견했다.
이번 연구는 학습에 대한 연구의 새로운 관점을 세운 것으로 평가된다. 인간의 신경세포 역시 우주의 보편적인 원리인 열역학 법칙에 따라 가동된다는 평범하면서도 새로운 관점을 제공해준 것이 이번 논문의 가치이다.

신경회로가 가동된 것이 깨어있는 상태

인간의 두뇌활동을 열역학 법칙과 연결하려는 연구는 조금씩 나오고 있다. 지난해에도 프랑스-캐나다 공동연구팀은 인간의 의식(consciousness)이라는 것이 단순히 엔트로피의 결과로서 나타나는 것이며, 인간의 두뇌는 가장 효율적인 방식으로 스스로를 조직하고 있다고 주장했다.
프랑스-캐나다 연구팀은 “우리는 매우 놀라우면서도 간단한 결과를 발견했다. 정상적으로 깨어있는 상태라는 것은 뇌 회로 사이의 상호작용이 가장 많은 숫자로 배열된 상태로 정의할 수 있다”고 발표했다.
사람의 뇌가 어떻게 정보를 분류하고 기억으로 저장하는지에 대한 연구는 너무나 많고 신경세포가 왜 연결되며 어떻게 작용하는지에 대한 연구도 차고 넘친다.
그 중 신경세포의 연결 원리가 열역학 제2법칙에 따른다는 연구는 이제 겨우 2개가 나왔을 뿐이다. 과학온라인신문인 ‘사이언스얼러트’(sciencealert)는 “항상 새로운 단서는 종종 뇌가 가진 엄청난 능력의 비밀을 여는 중요한 키가 될 수 있다”고 열역학 제2법칙과 뇌의 학습과정의 연관성이 가진 의미를 평가했다.