- 전전두피질은 ‘인간이 인간답게 하는 역할’
- 손실 혐오하는 개미 투자자, 뇌 과학으로 투자 훈련 가능
- 원숭이와 가위바위보 실험 “원숭이도 후회하며 배운다”
- “한국 뇌 과학, 일본 따라가려면 아직 멀었다”
이 교수는 1989년 서울대 경제학과를 졸업하고 1995년 미국 일리노이대 신경과학과에서 박사학위를 받았다. 웨이크포레스트대, 로체스터대에서 조교수 생활을 하다 2006년 예일대 교수로 임용됐다.
경제학, 심리학, 생물학, 뇌 과학…. 이 교수는 학부, 석사, 박사 전공이 모두 다르다. 그런 이 교수를 두고 한국 뇌 과학 연구의 원로인 가천의대 뇌과학연구소 조장희 소장은 “이대열 교수야말로 21세기형 융합 인재”라고 평했다. 경제를 공부한 그가 왜 꼬불꼬불 복잡한 뇌에 천착하게 된 걸까? 그가 웃으며 답했다.
“학부 때 공부를 열심히 한 건 아니지만 경제학을 공부하면서 ‘왜’란 근원적인 질문이 생겼어요. 경제학은 인간의 의사결정, 행동을 연구하는 학문이잖아요. 더욱 근원적인 답을 찾기 위해서는 의사 결정을 최종 승인하는 뇌에 대해 연구해야만 했습니다.”
그의 연구 분야는 ‘신경경제학’이다. 신경경제학은 뇌 실험을 통해 경제학적 ‘효용’과 관련된 인간의 선택을 분석하는 학문으로 ‘인지신경학’의 한 분야다. 이 교수는 의사 결정을 할 때 뇌가 어떻게 움직이는지를 원숭이를 이용해 연구한다.
여름휴가를 맞아 한국을 찾은 이 교수는 에너지가 넘쳤다. 다른 사람보다 말이 두 배는 빠른데도, 그 안에 논리가 어긋나거나 단어를 잘못 말하는 경우가 거의 없었다. 간간이 던지는 유머도 때마다 적절했다. “교수님 뇌에는 제 뇌보다 성능 좋은 엔진이 달렸을 것 같다”고 했더니 그가 천진난만하게 웃었다.
“제가 종종 하는 말인데, 세계 과학이 발전하려면 머리 나쁘고 성실한 과학자는 열심히 실험을 하고 머리 좋은 과학자는 그 데이터를 분석해서 이론화해야 한다고 생각해요. 그게 저는 원숭이들이랑 씨름하면서 아기자기한 게임을 하고 있는 이유입니다.”
원숭이, 사람 등 영장류 뇌의 가장 큰 특징은 전전두피질(전전두엽)이다. 인간은 전전두피질이 뇌 앞 상당부분을 차지할 정도로 거대하다. 원숭이의 뇌에서도 사람보다는 비율이 적지만 전전두피질이 뇌의 상당부분을 차지한다. 반면 쥐, 고양이 등 포유류의 뇌에는 전전두피질이 아주 작다. 이 교수는 “사람을 사람답게 만드는 뇌 부위가 전전두피질”이라고 말했다.
모든 결정은 ‘시간 간 선택’
사람은 여러 가지 행동 중 하나를 선택한다. 말을 할 때도 수많은 단어 중 하나를 고른다. 이 교수는 “모든 결정은 ‘시간 간 선택(인터템퍼럴 초이스·inter-temporal choice)’”이라고 주장한다. ‘시간 간 선택’이란 현재의 선택은 과거, 현재, 미래 중 뭘 중요하게 생각하는지에 따라 달라진다는 것이다.
현재 1000원을 가지고 있다고 가정해보자. 당장 목을 축이기 위해 1000원짜리 음료수를 사 먹을 수도 있다. 반면 목마른 걸 참고 1000원을 아껴두면 나중에 더 가치 있는 소비를 하거나, 은행에 넣어 돈을 불릴 수도 있다. 이 교수는 이러한 ‘시간 간 선택’을 할 때 전전두피질 뉴런이 어떻게 움직이는지 연구한다.
이를 알기 위해 이 교수는 원숭이로 실험한다. 목이 마른 원숭이의 머리를 고정시키고, 컴퓨터 화면을 바라보게 한다. 화면에는 빨간 점과 파란 점이 각각 하나씩 나타난다. 원숭이가 빨간 점을 보면 주스를 세 방울 주고, 파란 점을 보면 주스를 두 방울 준다. 10분 정도 실험을 반복하면, 목이 말랐던 원숭이는 주스를 한 방울이라도 더 먹기 위해 계속 빨간 점만 본다. 이 교수는 “모든 생물은 ‘보상(reward)’에 반응한다”고 덧붙였다.
상황을 바꾼다. 빨간 점과 파란 점 사이에 노란 점들이 생긴다. 이 노란 점은 1초에 1개씩 사라지는데, 노란 점이 다 사라져야 주스를 먹을 수 있다. 노란 점 개수가 많으면 많을수록 주스를 주는 시간이 지연된다.
빨간 점 주변에 노란 점이 8개고 파란 점 주변에 노란 점이 없다면? 원숭이들은 계산하기 시작한다. 원숭이가 빨간 점을 선택하면 8초를 기다렸다가 주스 한 방울 더 먹을 수 있다. 파란 점을 선택하면 한 방울 적지만 주스를 바로 먹을 수 있다.
이 교수는 “원숭이 한 마리당 1주일 동안 하루 300~400번 연구를 하면 일정한 패턴이 나온다. 원숭이들은 대부분 빨간 점 옆에 노란 점이 6개 있으면 기다리지만 8개 있으면, 기다리지 않고 바로 먹을 수 있는 파란 점을 선택한다”고 말했다. 원숭이들은 주스 한 방울 더 먹기 위해 6초를 기다리는 일은 가치 있지만, 8초까지 기다릴 가치는 없다고 판단하는 것이다. 이 교수는 원숭이들이 이런 고민을 할 때 뇌 내부의 움직임을 연구했다.
예일대 신경생물학과 이대열 교수와 가천의대 뇌과학연구소 조장희 소장이 가천의대 뇌과학연구소에서 만났다.
뇌 과학으로 투자성향 파악
인간 역시 ‘시간 간 선택’을 한다. 가장 좋은 보상은 돈이다.
실험 대상자에게 제안한다. 1만원과 2만5000원이 있다. 1만원을 선택하면 지금 바로 100% 준다. 하지만 2만5000원을 선택한다면 동전 앞면이 나오면 2만5000원을 주고 뒷면이 나오면 주지 않는다. 사람들은 어떤 선택을 할까?
“통계학에 나오는 ‘기대치’(경제학에서는 ‘기대 효용’)란 개념을 따지면 1만원의 기대치는 1만원, 2만5000원의 기대치는 1만2500원이에요. 50% 확률로 돈을 받으니까요. 단순히 기대치만 비교하면 2만5000원을 선택하는 게 더 합리적입니다. 그런데 모든 실험 대상자가 꼭 2만5000원을 선택하는 건 아니에요. 인종, 재산 수준, 성별 등에 따라 결과가 다릅니다. 저는 뇌가 어떤 과정을 거쳐 이런 계산을 하는지, 뇌의 움직임을 연구합니다. 더불어 리스크에 대한 사람의 성향도 파악하죠.”
‘시간 간 선택’과 ‘리스크에 대한 태도’에 따라 사람을 분리할 수 있다. 내일 지구가 멸망해도 사과나무를 심겠다는 사람은 ‘리스크 선호(risk preference)’, 주가가 뛸 가능성이 높아도 펀드나 직접투자보다 적금을 선호하는 사람은‘리스크 반대(risk obverse)’, 반면 리스크를 추구하는 것 같지만 기대치에 영향도 많이 받는 사람은 ‘리스크 중립(risk neutral)’ 성향이 있다. 이는 경제학, 특히 투자학과 관계가 깊다.
“모든 사람이 보험사를 차리거나 혹은 공격적 주식투자를 하는 건 아니잖아요. 그런데 전전두피질의 역할을 파악하면 사람의 투자 성향을 파악할 수 있죠. 어디에 투자할지 고민하는 것 자체가 ‘시간 간 선택’이기 때문에, 이 분야를 연구하면 경제 컨설팅 연구에도 상당히 도움이 되죠.”
8월6일 국제 신용평가사 스탠더드앤드푸어스(S·P)가 미국 국가신용등급을 한 단계 낮추면서 한국 경제가 큰 타격을 입었다. 8일 코스닥이 10% 이상 폭락하면서 거래를 잠시 중단하는 ‘서킷브레이커’가 발동했다. 8월8일에는 장 중 한때 코스피지수가 1684.68포인트까지 떨어지면서 위기감이 감돌았다.
‘시간 간 선택’ 비밀 알면 정신병 치료도
하락장을 주도한 것은 개미투자자였다. 공황 상태에 빠진 개인들이 8월8일 하루만 7000억원 넘게 주식을 팔아치우며 투매 행렬에 동참했다. 시장에 손절매(추가 손실을 막기 위해 손해 보고 파는 것) 물량이 쏟아졌다. 상당수 전문가는 개미투자자들에게 지금 투매하지 말 것을 권고했지만 이 조언은 통하지 않았다.
“행동 경제학에 ‘손실혐오(lose aversion)’란 개념이 있어요. 사람은 이익을 추구하는 것보다 손실을 피하려는 성향이 더 강해요. 1만원을 얻는 건 크게 생각 안 해도, 갖고 있던 1만원을 잃는 건 끔찍하게 생각하는 겁니다. 개미투자자들의 반복적인 손절매 행태도 같은 맥락입니다.”
그는 신경정신병 역시 ‘시간 간 선택’의 오류에서 온다고 주장한다. 즉, ‘시간 간 선택’의 비밀을 알아내면 정신병 치료에도 도움이 된다는 것이다.
“원치 않는 생각에 사로잡혀있고 한 가지 행동만 계속 반복하는 ‘강박장애’는, 오지도 않을 미래에 대한 걱정 때문에 생기는 거예요. 지금 손은 깨끗한데 언젠가 손에 세균이 번식해 바이러스에 감염될 거란 강박 때문에 반복적으로 손을 씻는 거죠.
반면 ‘우울증’은 미래에 대한 희망이 없어 생기는 거예요. ‘약물중독’ 역시 미래를 고려하지 않은 채 현재의 쾌락만 좇는 거죠. 뇌 연구를 통해 ‘시간 간 선택’ 장애를 파악하면 이런 질병을 상당 부분 해결할 수 있을 것으로 봅니다.”
후회는 인간을 발전시킨다
또 하나, 그가 주목하는 것은 후회(regret)다. 그는 “후회란 인간이 갖는 가장 고차원적인 감정”이라고 말했다.
“후회와 실망(disappointment)은 다릅니다. 저는 개인적으로 자장면 마니아인데, 기대만큼 자장면 맛이 없었다면 ‘실망’하죠. 그런데 예상과 상관없이, 자장면을 다 먹고 난 후 옆 사람이 먹는 걸 보면서 ‘아, 짬뽕을 먹었다면 얼마나 맛있었을까. 짬뽕 먹을 걸 그랬다’ 생각하는 건 ‘후회’입니다. 인간의 삶은 후회를 거듭하며 만들어가는 과정입니다.”
이 교수는 원숭이가 후회를 하는지, 후회할 때 뇌 속 뉴런은 어떻게 변하는지 실험을 통해 밝혀냈다. 이용한 방법은 가위바위보다. 원숭이와 컴퓨터가 가위바위보를 하게 한다. 원숭이가 이기면 주스를 세 방울 이상 먹고, 비기거나 지면 못 먹는다. 그 안에서 재밌는 패턴이 발견됐다.
“만약 원숭이가 바위를 내고 컴퓨터가 보자기를 내 원숭이가 졌다면, 원숭이는 ‘아 만약 내가 가위를 냈으면 주스를 마실 수 있었는데…’하고 후회합니다. 그러면 다음 판에는 가위를 낼 가능성이 높죠. 이렇게 전 판의 결과는 다음 판에 영향을 미칩니다.
더욱 복잡한 계산이 가능하지만, 결과적으로 이 실험을 통해 후회는 이후 행동에 영향을 미친다는 사실을 밝혀냈습니다. 이는 세계 최초로 ‘원숭이가 학습을 한다’는 명제를 밝혀낸 실험입니다. 저는 사람도 마찬가지라는 대전제하에서 후회에 대한 더욱 깊이 있는 연구를 할 계획입니다.”
현재 이 교수가 사용하는 예일대 연구실은 세계적인 뇌 과학 연구자였던 고(故) 패트리셔 골드먼 래킥(Patricia Gold-man-Rakic)이 사용하던 곳이다. 그는 전전두피질의 전기회로망을 처음으로 발견하고 연구한 학자로 뇌 과학 연구의 선구자다. 그는 2003년 7월 갑작스러운 교통사고로 세상을 떠났다. 이 교수는 “골드먼 래킥 교수는 그동안 뇌 과학 연구에서 선구적인 업적을 이뤄냈다. 아마 지금 살아계셨다면 노벨상 수상도 문제없었을 것”이라며 안타까워했다.
“예일대 골드먼 래킥 연구실 이어받은 건 행운”
예일대에 비상이 걸렸다. 본래 원숭이를 이용한 뇌 과학 실험은 투자비용이 많이 든다. 원숭이 사육장도 크게 마련해야 하고 실험 기기도 고가(高價)다. 동물 실험을 반대하는 사람들에 대비해, 안전장치도 철저히 마련해야 한다. 예일은 골드먼 래킥 교수의 연구실을 비워두지 않기 위해 세계적인 원숭이를 이용한 뇌 과학 연구자 10여 명에게 교수직을 제의했다. 하지만 한결같이 거절했다.
이 교수는 “당시 예일에서 스카우트한다는 소문이 들리면 원래 그 학자를 데리고 있던 학교에서 엄청난 제안을 해 다시 붙잡았다. 원숭이 뇌 과학 연구자가 많지 않았기 때문에 귀했고, 2003년 당시 미국 경제가 호황이었기 때문에 미국 대학들의 자금사정도 좋았다”고 말했다. 그는 “골드먼 래킥 교수 덕에 당시 같은 분야 학자들의 연구비가 전반적으로 늘었다. 뇌 과학 연구에서 큰 업적을 남긴 래킥 교수는 죽어서도 뇌 과학 연구에 도움을 준 셈”이라고 덧붙였다. 마땅한 연구자를 찾지 못한 예일은 당시 40세 ‘초보교수’ 이던 이 교수에게 제의를 했다. 이 교수는 예일의 요구를 받아들였다.
“제가 살면서 받은 가장 큰 복이 바로 골드먼 래킥 교수의 연구실을 물려받은 겁니다. 그만큼 겸허하게 노력해, 이 분야 연구에 한 획을 그어야겠다고 다짐합니다.”
최근 동물의 권리가 중시되면서, 동물을 이용한 과학 실험에 반대하는 주장도 거세다. 이 교수 실험실에서 현재 이용하는 원숭이는 9마리. 매년 1~2마리씩 새로 들여온다.
“저희 연구실에 들어오고 싶다는 학생들에게 늘 묻습니다. 원숭이를 이용해 단순히 호기심을 해소하고 싶은 게 아니라 이 연구가 정말 인류 발전에 도움이 된다고 생각하는지를요. 저 역시 원숭이 실험하기 전에 일부러 목마르게 하려고 물을 안 주거나, 주렁주렁 실험 기계를 달아야 할 때 마음이 안 좋습니다.
하지만 그들의 희생은 가치 있다고 생각합니다. 1950년대 소아마비 백신을 만들기 위해 원숭이 5000마리가 희생됐습니다. 그 원숭이의 희생 덕에 많은 아이가 소아마비로부터 해방됐죠. 과학기술 발전의 혜택을 받지 않는 사람은 아무도 없는데, 지나치게 동물의 권리만을 주장하는 사람들은 자가당착 아닌가요?”
원숭이를 이용한 실험은 굉장히 엄격한 가이드라인이 적용된다. 이 교수는 “아무나 원숭이 잡아서 실험하면 감옥 간다”며 “원숭이에게 투여하는 약물 1cc만 늘리려 해도 꼭 학교에 허락을 받아야 한다. 동물 실험이 끝나면 모두 죽인다는 생각도 편견이다. 우리 연구실에서 ‘제대’하면 더욱 살기 좋은 동물 번식터로 가서 행복하게 산다”고 덧붙였다.
“동물 실험 비판은 자가당착”
이명박 대통령은 2010년 서울에서 열린 월드사이언스포럼에서 “10년 내 뇌 연구 7대 강국에 진입하겠다”는 비전을 밝혔다. 교육과학기술부는 2007년 “국내 뇌 연구 역량을 집중할 수 있는 거점 연구기관을 만들겠다”고 발표했고 올 6월3일 “대구에 ‘한국뇌연구원’을 설립하겠다”고 밝혔다. 1700억원의 예산이 투입되는 한국뇌연구원은 한국 뇌 과학 연구의 거점이 될 것으로 보인다.
이 교수는 “지금이라도 한국에 뇌 연구원이 설립되고 국가적으로 뇌 연구에 관심을 갖는 것은 다행스러운 일”이라고 말했다. 그는 “미국은 1990년을 ‘뇌 연구 10년’으로 선언했고 일본도 ‘21세기는 뇌 연구의 세기’로 규정했다”며 “아직 한국 뇌 과학은 국제적 수준에서 차이가 많이 난다”며 아쉬워했다.
“일본의 경우 제가 아는 원숭이 이용 뇌과학연구소만 50개가 넘어요. 실제는 더 많겠죠. 우리나라는 원숭이를 이용해 뇌 실험하는 연구소가 서울대에 단 두 곳 있는 걸로 알고 있습니다. 아직 멀었어요.”
이 교수의 취미는 악기 연주. 키보드와 기타 연주가 수준급이다. 그는 한국 신경과학계 석학들이 만든 록밴드 ‘엉터리즈(Ungteoriz)’의 리더다. 정민환 아주대 교수, 최준석 고려대 교수 등이 이 밴드 멤버다. 이름과 달리 실력이 상당하다. 이 교수가 한국에 올 때마다 잼 세션(자유 연주)을 연다.
이와 별도로 이 교수는 매주 유튜브에 연주 영상을 올린다. 스스로를 트레이닝하기 위해서다. 그중에는 조회수가 300건 넘은 영상도 많다. 엉터리즈의 목표는 올해 안에 자작곡 하나 발표하는 것. “인터뷰 마치고 고대 최준석 교수와 홍대에 가서 로컬 밴드를 점검할 계획”이라며 멋쩍게 웃는 그를 보니, 그 뇌 속이 더욱 궁금해졌다.
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