인간의 뇌는 어떻게 의식을 생성하며, 그 이유는 무엇입니까?
과학자들과 철학자들은 뇌가 의식적 경험을 생성하는 방법을 설명하기 위해 오랫동안 고군분투해 왔습니다. 일부는 과학의 객관적인 도구가 매우 주관적인 현상을 파악할 수 있는지 의심합니다. 그럼에도 불구하고 연구원들은 인식에 수반되는 뇌 활동의 변화를 식별하기 시작했으며 의식이 진화한 이유에 대한 몇 가지 흥미로운 아이디어도 가지고 있습니다.
뇌가 수십억 개의 개별 신경 세포의 전기적 활동으로부터 의식적 인식을 불러일으키는 방법은 삶에 대한 답이 없는 위대한 질문 중 하나입니다.
우리 각자는 자신이 생각, 지각, 감정을 가지고 있다는 점에서 의식이 있다는 것을 알고 있지만, 그것을 다른 사람에게 증명할 수는 없습니다. 우리만이 그러한 생각, 지각, 감정을 경험할 수 있게 해주는 신비한 본질에 접근할 수 있습니다.
1990년대에 철학자 David Chalmers 는 외부적이고 객관적인 조사에 대한 이러한 접근 불가능성을 의식의 "어려운 문제"라고 설명했습니다.
그는 과학자들이 다루기 쉬운 과제는 사람들이 의식적인 경험을 할 때 뇌 활동이 어디에서 어떻게 변하는지 "신경 상관 관계"라고 제안했습니다.
호기심 외에도 과학자들은 지속적인 식물 상태 및 일부 정신 장애와 같은 의식 장애를 진단하고 치료하는 데 도움이 되도록 의식의 신경 상관물을 발견하려는 동기가 있을 가능성이 큽니다.
의식에는 측정할 수 있는 몇 가지 뚜렷한 차원이 있습니다. 가장 중요한 세 가지는 다음과 같습니다.
- 각성 또는 생리적 각성
- 생각, 느낌, 지각을 포함한 의식적인 정신적 경험을 할 수 있는 자각 또는 능력
- 감각 조직, 또는 서로 다른 인식과 보다 추상적인 개념이 함께 짜여져 매끄러운 의식적 경험을 만드는 방법입니다.
이 세 가지 차원은 상호 작용하여 매 순간 우리의 전반적인 의식 상태를 생성합니다. 예를 들어, 완전히 깨어있을 때 우리는 높은 인식 상태에 있지만 밤에 잠이 들면 깨어 있음과 인식이 모두 가라앉습니다.
REM (빠른 안구 운동) 수면 중에 각성 및 생리적 각성이 돌아오는데 , 이 때 생생한 꿈이 대부분 일어날 가능성이 높습니다. 그러나 이러한 감각적 경험은 대부분 외부 자극과 분리되어 있으며 깨어 있는 동안 우리를 현실에 고정시키는 개념과 분리되어 있습니다.
비슷한 방식으로, 환각제나 낮은 산소 수치에 의해 유도된 것과 같은 변경된 의식 상태는 정상적인 수준의 각성이지만 혼란스러운 감각 경험을 포함합니다.
여기에는 소리, 냄새 또는 광경의 환각 이 포함될 수 있지만 시각적 경험을 불러일으키는 소리와 같이 일반적으로 별개의 감각 사이에 혼선이 있을 때 공감각도 포함될 수 있습니다.
혼수상태 에 있거나 마취 상태 에 있는 사람은 비렘수면보다 훨씬 더 낮은 각성 및 인식 수준을 가질 수 있습니다.
한편, 무반응 각성 증후군 또는 식물인간 상태로 알려진 기묘한 혼성 의식 상태에서 환자는 수면과 각성의 주기를 겪지만 자각의 징후는 보이지 않습니다.
눈을 뜨고 오랜 시간을 보내면서도 외부 자극에 대한 행동 반응을 보이지 않는다.
이 환자들 중 일부는 ""
서로 다른 의식 상태에 있는 환자들은 의식의 신경 상관물에 대한 중요한 단서를 제공했습니다.
기능적 자기 공명 영상 (fMRI) 및 뇌파 검사 (EEG)와 같은 기술을 통해 이러한 상태에 수반되는 신경 활동이 밝혀졌습니다.
과학자들은 기능적 연결성 측정을 통해 활동 패턴을 감지하고 통계적 기술을 사용하여 뇌의 다른 부분에서 신경 이벤트의 타이밍 사이의 상관 관계를 밝힙니다.
이것은 예를 들어 작업 기억, 주의력 및 정신 방황과 관련된 뇌 영역의 네트워크를 보여줍니다.
fMRI와 EEG의 데이터를 결합하면 연구원들은 뇌 내부 깊은 곳에서 활동을 발견합니다.
시상은 감각 중계소처럼 작동하는 반면 기본 모드 네트워크는
대조적으로, 비 REM 수면과 마취 상태에서는 시상과 기본 모드 네트워크 및 주의와 관련된 피질 네트워크 사이의 기능적 연결이 끊어집니다.
의식 장애에서 연구자들은 피질과 심층 뇌 구조 사이의 연결에 영향을 미치는 기능적 연결성 감소와 물리적 손상을 볼 수 있습니다.
이것은 이러한 연결이 깨어 있는 상태를 유지하고 뇌 전체에서 정보를 교환하는 데 얼마나 중요한지를 보여줍니다.
그러나 의식의 신경 상관 관계에 대한 이해가 발전했음에도 불구하고 의사들은 여전히 질문이나 명령에 응답할 수 없는 환자를 진단하는 데 어려움을 겪고 있습니다.
그들은 그러한 환자가 완전히 의식이 없는지, 의식은 있지만 외부 자극과 단절되어 있는지, 또는 의식이 있고 환경을 인식하지만 반응할 수 없는지 알 수 없습니다.
최근에 보고된 완전히 새로운 접근법
새로운 기술은 특정 뇌 영역이나 영역 네트워크의 활동을 기록하는 대신 뇌 전체의 활동 기울기를 측정합니다.
이것은 지도에 지형의 가파른 정도를 기록하고 도로, 도시 및 마을의 위치가 아니라 시간이 지남에 따라 그 가파른 정도가 어떻게 변하는지를 기록하는 것과 유사합니다.
기능 기하학이 시간 역학을 형성하는 방법을 고려하는 뇌 활동을 조사하는 이 혁신적인 방법은 각 영역과 네트워크가 여러 기능과 연결을 가지고 있다는 사실을 고려합니다.
"의식은 복잡하고 그것을 연구하는 것은 스크램블된 루빅스 큐브를 푸는 것과 같습니다."라고 제1 저자 인 Zirui Huang 박사 는 말합니다 .
“하나의 표면만 보면 구성 방식에 혼란을 느낄 수 있습니다. 모든 차원을 살펴보며 퍼즐을 맞춰야 합니다.”라고 그는 덧붙입니다.
Huang 박사와 그의 동료들은 fMRI로 측정한 신경 활동의 기울기가 의식의 세 가지 주요 차원에 따라 어떻게 변화하는지 살펴보았습니다.
- 각성 또는 각성
- 의식
- 감각 통합.
연구자들은 소위 식물인간 상태라고 불리는 마취 상태에서 깨어 있는 사람들의 뇌에서 기록된 기존의 fMRI 데이터를 사용했습니다.
그들은 시각 및 기본 모드 영역에서 주의와 관련된 네트워크로 확장되는 각성 수준의 변화에 해당하는 활동 구배를 발견했습니다.
또 다른 변화도는 인식에 따라 바뀌었고 지각과 행동에 관련된 영역에서 정보의 통합과 추상적 개념의 형성을 담당하는 영역으로 확장되었습니다.
감각 조직과 연결된 세 번째 구배는 시각 시스템과 움직임을 제어하는 데 도움이 되는 체운동 피질에 걸쳐 있습니다.
"우리는 약리학적, 신경병리학적 또는 정신과적 원인으로 인한 인간의 의식 장애가 상태에 따라 하나 이상의 주요 피질 구배의 저하와 관련이 있음을 입증했습니다."라고 Huang 박사는 말합니다.
그는 Medical News Today 에 어떤 식으로든 반응할 수 없는 일부 환자가 여전히 의식이 있을 수 있다고 말했습니다. "따라서 평가에 대한 행동 독립적 및 작업 독립적 접근 방식을 개발하는 것이 중요합니다."라고 그는 말했습니다.
"우리 연구에 따르면 피질 구배 측정은 해당 환자의 의식에 대한 임상 평가의 불확실성을 줄일 수 있는 잠재력이 있습니다."라고 그는 덧붙였습니다.
Huang 박사와 같은 과학자들은 신경 상관 관계에 대해 많은 것을 발견했지만, 그들의 발견은 뇌가 어떻게 의식을 생성하는지, 즉 "어려운 문제"에 대해 많은 빛을 비추지 않습니다.
다른 과학자 들은 의식의 원인 에 대해 더 많이 알기 위해서는 뇌 활동을 조작하고 무슨 일이 일어나는지 봐야 한다고 주장했습니다.
경두개 자기 자극 (TMS)은 엄격하게 통제된 방식으로 뇌 활동을 변화시키는 비침습적 기술입니다.
이 기술은 참가자의 머리 가까이에 있는 전도성 코일을 통해 강한 전기 펄스 를 전달하여 코일에 가장 가까운 뇌 부분에서 전기 활동을 유도하는 짧은 자기 펄스를 생성합니다.
이것은 직경이 몇 센티미터에 불과한 영역 내에서 수백만 개의 뉴런의 전기적 활동을 향상시킵니다.
깨어 있는 참여자에서 TMS 펄스는 여러 피질 영역에 걸쳐 복잡한 활동 체인을 유발하는 반면, 비 REM 수면에서는 동일한 펄스가 훨씬 더 짧고 국소화된 효과를 나타냅니다.
그러나 REM 수면 중에 맥박은 완전히 깨어 있는 사람의 뇌에서 볼 수 있는 것과 유사한 활동 패턴을 유발합니다.
흥미롭게도, 깨어있지만 식물인간 상태에 있는 환자에서 TMS는 건강한 사람의 비렘수면 중에 나타나는 것과 유사한 단기적이고 국소적인 효과를 유발합니다.
그러나 깨어 있고 최소한의 의식을 가진 환자의 뇌에서 TMS는 건강하고 깨어 있는 사람들에게서 보이는 것과 유사한 반응을 불러일으킵니다.
따라서 연구원들은 각성 및 인식 수준이 떨어지면 뇌 영역 간의 통신의 복잡성과 공간적 범위가 가라앉는다고 결론지었습니다.
의식의 신경 상관 관계에 대한 이해가 발전했음에도 불구하고 질문은 남아 있습니다. 뇌 활동에서 의식이 어떻게 발생합니까?
과학자들은 몇 가지 이론을 제안했습니다. 두 가지 두드러진 아이디어는 전역 신경 작업 공간 이론 (GNWT)과 통합 정보 이론 (IIT)입니다.
전역 신경 작업 공간
간단히 말해서 GNWT는 전역 작업 공간이라고 하는 뇌를 가로지르는 장거리 연결 네트워크가 있다고 제안합니다.
신경 정보는 기억, 지각, 운동 출력 및 주의를 위한 특수 허브를 포함하여 뇌 전체에 방송될 수 있는 이 작업 공간에 액세스할 때 의식이 됩니다.
결정적으로, 감각 데이터가 전역 작업 공간에 액세스할 때 감각 데이터의 특정 해석에 대해 "승자 독식"의 경우입니다.
뉴저지주 프린스턴 신경과학 연구소의 심리학 및 신경과학 교수 인 Michael Graziano 교수와 Aaron 박사 에 따르면 캘리포니아 어바인에 있는 Chapman University의 Crean College of Health and Behavioral Sciences 조교수인 Schurger 는 예를 들어 "쌍안정" 착시 현상을 설명 합니다.
이것의 두 가지 예는 Necker 입방체 와 얼굴 꽃병 착시 입니다. 여기서 의식적 인식은 동일한 감각 데이터에 대한 두 가지 대체 해석 사이를 전환합니다.
통합정보
뇌 영역 간의 정보 통신 및 통합은 많은 의식 이론의 핵심입니다.
그 중 하나인 IIT는 복잡한 방정식을 사용하여 정보를 얼마나 잘 통합하는지에 따라 독립체의 의식 정도를 계산합니다.
방정식에 따르면 바위나 찻주전자와 같은 무생물도 희미한 의식을 가지고 있습니다.
이것은 의식이 모든 물리적 시스템의 근본적인 속성이라고 제안하는 범심론 의 철학적 이론과 일치합니다.
주의를 제어하는 느낌
Graziano 교수는 이러한 모든 의식 이론에 문제가 있습니다. 그는 그것들이 실제로 의식을 설명하지 않고 단지 그것을 기술할 뿐이기 때문에 이론이라고 부를 수도 없다고 주장합니다.
그는 이것을 중력 을 계산하는 방정식인 뉴턴의 중력 법칙과 중력 이 무엇인지 설명하는 아인슈타인의 일반 상대성 이론의 차이에 비유한다 .
Graziano 교수 자신의 의식 이론인 주의 도식 이론 또는 AST는 의식의 어려운 문제를 해결했다고 주장하지 않고 대신 우리가 의식이 있다고 믿는 이유를 설명하려고 합니다.
AST에 따르면 동물의 뇌는 현재 주의 집중 상태를 예측하고 제어하는 데 사용할 수 있는 현재 주의 상태에 대한 모델 또는 스키마를 진화시켰습니다.
우리 몸을 제어하기 위해 뇌는 팔다리의 내부 모델, 공간에서의 위치 및 작동 방식을 사용합니다. Graziano 교수는 주의력 조절도 다르지 않다고 생각합니다.
게다가 그는 주의 스키마가 사람들로 하여금 주의를 집중할 수 있게 해주는 내적 본질인 의식이 있다고 믿게 만든다고 주장합니다.
놀랍게도 전문 명상가는 생각, 인식, 감정, 심지어 자아감, 시간 또는 공간감이 없는 순수한 인식 상태에 도달할 수 있습니다.
이 특별한 의식 상태는 의식의 신경 상관물에 대한 더 많은 단서를 제공했습니다.
독일 프라이부르크 대학의 연구원들은 EEG를 사용하여 이것을 "명확하고 자각하는 개방성"이라고 묘사한 이전 불교 승려의 뇌를 연구했습니다.
그들은 콘텐츠 없는 인식이 알 파파 의 급격한 감소 및 세타파 의 증가와 관련이 있음을 발견했습니다 .
또한 감각 피질과 등쪽 주의 네트워크의 활동이 분리되었지만 주의 네트워크 자체 내에서 강력한 활동이 있었습니다. 한편 기본 모드 네트워크의 활동은 감소했습니다.
Graziano 교수는 명상에서 내용 없는 자각이 그의 이론에 설명된 주의 예측 모델과 일치할 수 있다고 말했습니다.
그는 MNT 에 다음과 같이 말했습니다.
“주의 속성 자체를 나타내는 주의 모델은 당신이 주의를 기울이고 있는 것과 연관되지 않고 고립되어 구성될 수 있다고 생각합니다. 참으로 명상가들이 말하는 내용 없는 알아차림일 수 있습니다. 나는 명상이 본질적으로 주의 스키마를 사용하는 연습이라고 생각합니다.”
생각, 감각, 감정이 없어도 의식의 신비한 본질이 남아있는 것 같습니다.
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