[주제 칼럼🖋] 신경과학은 자유의지를 부정하는가?

과학과 신학의 대화

2023-11-15

인지신경과학자들은 기억, 학습, 감각, 감정, 의사결정, 언어, 사회성 등 인간의 모든 인지기능을 뇌의 활동으로 이해하고 설명하고자 한다. 보다 구체적으로 신경과학자들은 인간의 모든 정신현상을 대략 1.3kg 정도밖에 되지 않는 뇌의 전기화학적 신호의 처리과정으로 받아들인다. 100여 년 남짓 되는 짧은 현대 신경과학의 역사 중 최근 수십 년 동안 이루어진 비약적인 연구 성과를 통해 이러한 주장을 뒷받침하는 수많은 증거들이 제시되어왔다.

19세기 중반 폴 브로카, 칼 베르니케 박사의 환자연구를 통해서 좌측 전두엽의 특정 부분이 망가졌을 때 언어능력에 문제가 생긴다는 것을 알게 되었다. 쇠막대기에 머리를 관통당하여 전두엽에 손상을 입은 피니어스 게이지에 대한 연구를 통해 뇌의 손상이 인간의 성격과 인격에도 영향을 줄 수 있다는 것이 밝혀졌다. 20세기 중반에는 양측 해마체가 제거된 환자 H.M. 으로 알려졌던 헨리 몰라이슨 (1926-2008)에 대한 연구를 통해 뇌의 특정 영역은 성격과 인격을 넘어서 인간의 정체성과 직접적인 관련이 있는 기억을 생성한다는 것을 알게 되었다. 1990년대 초에 발명된 자기공명영상 (MRI)를 통해서 살아있는 인간의 뇌의 구조와 활동을 관찰하는 것이 가능해지면서 인간의 정신현상을 뇌의 활동으로 이해하고자 하는 인지신경과학의 패러다임이 확립되었다.

브로카 환자의 손상된 뇌, 출처 : Nature Review Neuroscience(2004)

테레사 수녀가 보여준 인간에 대한 이타심은 정신과 영혼의 고귀함으로 설명하기보다는 오른쪽 두정엽 내 특정 영역 회백질의 부피로 설명할 수 있으며 이 영역을 일부 제거하거나 전기적으로 자극한다면 이타심을 줄이거나 또는 늘리는 것도 가능할 것으로 보인다. 반대로 타인에 대한 공감능력이 낮은 싸이코패스 범죄자들의 행동은 앞서 언급한 피니어스 게이지 (1823-1860)의 예처럼 전두엽의 낮은 활성화도로 설명할 수 있다. 아동 성 착취물을 수집하고 성충동을 자제하기 힘들었던 사람의 전두엽에서 뇌종양이 발견이 되었고 이를 수술을 통해 제거한 후에 이러한 강박증이 사라졌으나 수술 이후 뇌종양이 조금씩 다시 생기면서 이러한 증상이 다시 나타났다는 사례도 유명 의학저널에 보고된 바 있다. 쥐를 이용한 최근의 연구들은 레이저를 이용하여 식욕을 조절하거나 실제로 경험하지 않은 일에 대한 기억을 조작하거나 기억을 삭제하는 것도 가능하다는 것을 보여주었다. 즉, 인류는 이제 과거처럼 조현병이나 자폐증을 귀신들린 것으로 생각하지 않고 뇌의 비정상적 기능에서 그 원인을 찾고자 하고 현재 이러한 정신질환들의 신경과학적 기전도 어느 정도 밝혀져 있다.

상대성이론과 양자역학이 시간과 공간, 물질의 본질에 대한 새로운 철학적 논의를 촉발한 것처럼 인지신경과학의 발전은 정신과 물질의 관계에 대해 새로운 철학적 질문을 던지고 있다. 그중에서도 인지신경과학이 철학자들의 오랜 난제인 자유의지의 존재를 부정하는가라는 질문을 해 볼 수 있다. 이는 인지신경과학의 핵심 가설인 모든 정신적인 현상은 뇌라는 물질에서 비롯된다는 것이 맞는다면 우리가 자유의지라고 생각하는 것은 착각이며 단지 뇌에 의해서 결정되는 것이라고 생각할 수 있기 때문이다.

자유의지에 대한 중요한 실험으로 알려진 리벳 실험은 인간이 손가락으로 버튼을 누르는 단순한 의사결정을 인지하기 전 수백 밀리 초 전에 준비전위라고 하는 뇌파의 크기가 점진적으로 증가한다는 것을 보여주었다. 자유의지가 있다면 우리가 버튼을 누리기로 결정한 이후에 뇌의 반응이 관찰이 되어야 한다고 생각할 수 있으나 실험 결과는 이러한 예측과는 반대였다. 비교적 최근인 2008년에 발표된 기능성자기공명영상(fMRI)를 이용한 연구는 약간 더 복잡한 과제인 왼쪽과 오른쪽을 선택하는 과제를 사용하였는데 피험자가 판단을 인지하기 8 초 전의 뇌 활성화도의 패턴을 통해서 피험자의 판단을 유의미하게 예측할 수 있다는 것을 보여주었다.

리벳의 실험에서 나타난 준비전위는 인간의 자유의지를 부정하는 결정적인 증거처럼 여겨질 수도 있다. 2012년의 연구에서는 준비전위는 의사결정을 인지하기 전에 발생하는 무작위적인 신경활동을 반영하는 것으로서 이러한 신경활동의 크기가 특정한 문턱 값을 넘었을 때 이를 인지하게 되는 것이라는 것을 보여주었다. 즉, 리벳 실험과 fMRI 실험에서 사용한 비교적 단순한 과제를 수행할 때 준비전위가 발생하는 것은 의사결정 이전에 이루어지는 것이라고 이해하기보다는 그 자체가 의사결정의 과정이며 이 크기가 문턱 값을 넘었을 때 의사결정의 결과로서 이를 우리가 인지하는 것이라고 이해할 수 있다. 사실, 일상생활에서 이루어지는 많은 의사결정 특히 단순한 의사결정 중 이미 습관화된 행동은 무의식적으로 이루어지는 경우가 많다. 심지어는 경두개자기자극이라는 비침습적 뇌자극을 통해서 인지하지 못하는 움직임을 만들어 내거나 반대로 실제로 이루어지지 않은 행동에 대해서 한 것처럼 인지하게 만들어 낼 수도 있다.

리벳실험 방식 (출처 : https://brunch.co.kr/@ys1j13/15)

리벳 실험(출처 : 조선일보, 김주성 그림)

그렇다면 손가락을 움직이는 것이나 좌우를 선택하는 것보다 보다 복잡한 우리가 일상생활에서 자주 경험하는 의사결정의 경우는 어떨까? 예를 들어 치킨을 좋아하는 필자에게 양념치킨과 프라이드치킨을 선택하는 것은 반반 치킨이라는 혁신적인(?) 아이디어가 나오기 전까지 매우 어려운 의사결정 과제였다. 2019년 최근의 연구에서는 이처럼 신중한 판단이 필요한 과제를 수행할 때는 리벳의 실험과는 달리 준비전위가 발생하지 않다는 것을 발견하였다. 즉, 무작위적인 신경활동으로는 신중한 의사결정을 설명하기가 어렵다는 것이다. 이러한 복잡한 의사결정은 의사결정의 대상에 대한 가치를 표상하는 복내측전두엽과 기저핵, 그리고 과거 경험에 대한 기억을 처리하는 해마와의 복잡한 상호작용에 의해 이루어진다. 따라서 리벳의 실험이나 그 후에 이루어진 유사한 실험들이 자유의지의 존재를 부정하는 결정적인 증거를 보여주었다고 결론 내리기는 어렵다.

지금까지는 뇌의 활동이 우리의 의지를 결정하는 것처럼 보여주는 증거들을 소개하였는데 그 반대의 경우는 어떤가? 흥미로운 예로 달라이라마의 제안으로 위스콘신 대학에서 티벳의 수도승을 대상으로 2004년에 발표된 연구는 명상을 통해 높은 주파수 대역 (25~42 Hz)의 감마파의 크기를 일반인에 비해서 크게 증가시킬 수 있다는 것을 보여주었다. 또한 뇌-기계 접속에 대한 연구는 우리의 의지로서 뇌 활동을 조절할 수 있다는 것을 보여주는 대표적인 사례이다. 뇌-기계 접속은 2000년대에 들어서 미국의 듀크, 브라운, 캘리포니아 공대, 피츠버그대학 등에서 원숭이와 인간을 대상으로 한 실험을 성공적으로 수행하였다. 이 기술의 핵심은 운동피질에 삽입된 전극을 통해 뇌-기계 접속의 사용자가 구체적인 움직임을 상상할 때 발생하는 신경신호를 기록하고 기계학습을 통해서 신경신호와 상상한 움직임 간의 관계를 학습한 뒤 이를 예측하는 것이다. 사용자는 상상만으로 신경신호를 조절하는 방법을 학습하면서 외부의 기계를 의지대로 움직일 수 있게 되는 것이다. 뉴로피드백 역시 신경신호를 의지대로 조절할 수 있다는 생각에서 비롯된 기술인데 뇌파 발생을 시각화하거나 이를 통해 비디오게임을 할 수 있게 함으로써 해당 뇌파를 의지적으로 조절하는 방식을 훈련을 통해 배우게 할 수 있다. 이를 통해 집중력을 향상시키는 훈련을 할 수도 있기 때문에 이를 교육용으로 활용하고자 하는 연구나 상업화도 이루어지고 있다.

이처럼 신경활동이 인간의 의지를 결정하기도 하지만 반대로 뇌-기계 접속이나 뉴로 피드백 기술에서 살펴본 것처럼 그 반대의 경우도 가능하다. 앞서 전자의 경우라고 하더라도 자유의지의 존재를 부정하는 결정적인 증거가 될 수 없다고 잠정적인 결론을 내린 바가 있는데 그렇다면 후자의 경우는 우리가 자유의지를 가지고 있다는 증거를 제시하는가? 우리의 의지가 신경활동을 조절할 수 있다는 결과는 보다 근본적으로 정신이 물질의 원인이 될 수 있는가?라는 철학적인 물음과 관련이 있다. 하지만 신경활동을 조절하는 우리의 의지는 어디에서 비롯되었는지를 생각해 보면 섣부르게 이러한 결론을 내릴 수 없다. 구체적으로 뇌의 A 영역의 신경활동을 조절하고자 하는 우리의 의지는 뇌의 B 영역의 신경활동으로 나타날 수 있다. A 영역과 B 영역의 신경세포 간의 연결인 시냅스는 이를 뒷받침하는 물리적인 근거가 된다. 따라서 정신과 물질의 인과관계가 아닌 뇌의 서로 다른 두 영역, 즉 물질 간의 인과적 상호작용으로 충분히 가능한 것이다. 실제로 이러한 하향식 (top-down) 상호작용은 인지신경과학의 주요 연구 분야 중 하나이다. 주의 집중을 통해서 우리의 감각경험이 변화될 수 있는 것은 이를 뒷받침하는 예인데 유명한 아래 그림에서 알 수 있듯이 우리가 어디에 집중하느냐에 따라서 젊은 여성을 보거나 나이 많은 여성을 볼 수 있다. 이와 같은 주의 집중은 주로 뇌의 전두엽이나 두정엽의 신경활동에서 이루어진다고 알려져 있다.

출처 : 위키미디어 코먼스

지금까지 살펴본 것처럼 현대 인지신경과학의 연구는 자유의지의 존재를 지지하거나 부정하지 않는다. 그렇다면 마지막으로 살펴볼 것은 인지신경과학의 가설처럼 뇌라는 물질에서 자유의지와 같은 정신적인 현상이 발생하는 것이 가능하다면 뇌가 아닌 다른 물질에서도 가능한지에 대한 물음이다. 즉, 실리콘 반도체를 기반으로 한 비유기체인 컴퓨터, 구체적으로 ChatGPT 와 같은 인공지능 시스템은 자유의지를 소유할 수 있는가? 현재 ChatGPT 4.0 버전은 인간의 대화와 구별할 수 없는 수준의 언어능력을 보유하여 튜링 테스트를 실제적으로 통과했다고 알려져 있는데 이에 더 나아가 감정과 욕구까지 표현하고 소유하기까지 한다면 어떤가? 최근 안토니오 다마지오와 같은 신경과학자는 인공지능이 적절한 몸을 가짐으로써 이를 보존하고 항상성을 유지하고자 하는 목표를 가질 때 감정을 소유하게 된다고 주장한다. 감정을 가진 인공지능 시스템은 긍정적인 감정을 추구하고 부정적인 감정을 회피하고자 하는 욕구를 가지게 되며 이는 결국 사용자의 욕구가 아닌 스스로의 욕구를 추구하고자 하는 자유의지를 갖게 될 수도 있다는 것을 의미한다.

결론적으로 현대 인지신경과학과 인공지능의 비약적인 발전은 자유의지의 본질에 대한 철학적 질문들과 새로운 도전을 제기하고 있다. 인간의 정신은 우리 몸의 2% 정도의 무게를 차지하는 작은 뇌라는 물질에서 비롯된다는 것을 이제는 대다수의 사람들이 동의하지만 현재까지 자유의지가 존재하는지에 대해 명쾌한 증거와 해답을 제시하고 있지 못하다. 사실 자유의지가 존재하느냐는 질문에 대해 과학과 기술이 아무리 발전하더라도 답할 수 있는 것인지조차도 확실하지 않다. 다만 과학과 기술의 발전은 기존에 가지고 있던 자유의지에 대한 우리의 생각을 크게 바꿀 것으로 기대되며 이에 따라 과학자와 철학자들의 공동의 연구와 노력이 중요해질 것이다.

글 | 김성신

한양대학교 데이터사이언스학과

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