I want to tell you guys something about neuroscience. I'm a physicist by training. About three years ago, I left physics to come and try to understand how the brain works. And this is what I found. Lots of people are working on depression. And that's really good, depression is something that we really want to understand.
신경과학에 관해 얘기해 볼까 합니다. 저는 물리학자인데요. 3년 전 쯤, 물리학은 그만두고 뇌가 어떻게 움직이는지 연구하기 시작했어요. 그리고 알게 됐죠. 많은 사람들이 우울증에 대해 연구한다는 사실을요. 다행이에요. 다들 우울증에 대해 정말 잘 알고 싶어 하니까요.
Here's how you do it: you take a jar and you fill it up, about halfway, with water. And then you take a mouse, and you put the mouse in the jar, OK? And the mouse swims around for a little while and then at some point, the mouse gets tired and decides to stop swimming. And when it stops swimming, that's depression. OK? And I'm from theoretical physics, so I'm used to people making very sophisticated mathematical models to precisely describe physical phenomena, so when I saw that this is the model for depression, I though to myself, "Oh my God, we have a lot of work to do."
이렇게 해보죠. 병에 물을 반 정도 채웁니다. 그리고 그 안에 쥐를 넣습니다, 알겠죠? 그러면 그 쥐는 한동안 버둥거리다가 어느 순간, 지쳐 버리고 그만 헤엄치기를 포기합니다. 바로 우울증 때문에 헤엄치기를 멈추는 거예요. 아시겠죠? 저는 이론 물리학을 전공했고 물리 현상의 정확한 이해를 위해 복잡한 수학 공식을 다루는 사람들에 익숙해서 그런지 우울증을 묘사하는 이 그림을 보고는 이런 생각이 들었어요. "와, 진짜 할 일이 많구나."
(Laughter)
(웃음)
But this is a kind of general problem in neuroscience. So for example, take emotion. Lots of people want to understand emotion. But you can't study emotion in mice or monkeys because you can't ask them how they're feeling or what they're experiencing. So instead, people who want to understand emotion, typically end up studying what's called motivated behavior, which is code for "what the mouse does when it really, really wants cheese." OK, I could go on and on. I mean, the point is, the NIH spends about 5.5 billion dollars a year on neuroscience research. And yet there have been almost no significant improvements in outcomes for patients with brain diseases in the past 40 years. And I think a lot of that is basically due to the fact that mice might be OK as a model for cancer or diabetes, but the mouse brain is just not sophisticated enough to reproduce human psychology or human brain disease. OK?
그런데 신경과학에선 좀 일반적인 문제입니다. 감정을 예로 들어 보죠. 많은 사람들이 감정에 대해 이해하고 싶어합니다. 하지만 쥐나 원숭이를 통해 감정을 연구할 순 없어요. 걔들한테 물어볼 수가 없잖아요. 기분이 어떤지, 뭐를 느끼는지 등이요. 그래서 대신, 감정에 대해 알고 싶은 사람들이 결국 연구하게 되는 건 동기가 부여된 행동인데 "치즈에 환장한 쥐가 하는 짓"의 고상한 표현이죠. 자, 이런 얘기엔 끝이 없습니다. 제 말은 미 국립보건원(NIH)에서 매년 약 55억 불을 신경과학의 연구에 쏟아붓지만 뇌 질환 환자들을 위한 의미있는 결과는 지난 40년 동안 별로 없었다는 사실입니다. 기본적으로 다음 사실들에서 많은 이유를 찾아볼 수 있어요. 암이나 당뇨병 연구에 쥐를 이용할 수도 있겠지만, 쥐의 뇌는 인간의 심리나 뇌 질환을 재현해 낼 정도로 정교하지 않습니다. 아시겠죠?
So if the mouse models are so bad, why are we still using them? Well, it basically boils down to this: the brain is made up of neurons which are these little cells that send electrical signals to each other. If you want to understand how the brain works, you have to be able to measure the electrical activity of these neurons. But to do that, you have to get really close to the neurons with some kind of electrical recording device or a microscope. And so you can do that in mice and you can do it in monkeys, because you can physically put things into their brain but for some reason we still can't do that in humans, OK? So instead, we've invented all these proxies. So the most popular one is probably this, functional MRI, fMRI, which allows you to make these pretty pictures like this, that show which parts of your brain light up when you're engaged in different activities. But this is a proxy. You're not actually measuring neural activity here. What you're doing is you're measuring, essentially, like, blood flow in the brain. Where there's more blood. It's actually where there's more oxygen, but you get the idea, OK?
그럼 이렇게 별 쓸모없는 쥐를 왜 여전히 실험에 쓰는 걸까요? 결국 이렇게 정리됩니다: 뇌는 뉴런이라고 하는 전기신호를 주고 받는 작은 신경세포들로 만들어 지죠. 뇌가 어떻게 움직이는지 알고 싶다면 이 신경세포들의 전기활동을 측정할 수 있어야 합니다. 그러기 위해선, 이 신경세포들을 아주 자세히 살펴봐야 하는데, 전기신호 기록 장치나 현미경 등을 사용하겠죠. 쥐나 원숭이에게는 사용이 가능한데 이런 장비들을 직접 뇌 속에 넣을 수 있으니까요. 하지만 여전히 인간에게는 사용할 수 없습니다. 아시죠? 그 대신, 대체 장비들이 여럿 개발됩니다. 아마도 가장 흔하게 사용되는 건 기능적 뇌자기공명영상, fMRI 입니다. 이렇게 예쁜 그림도 나오네요. 여러가지 다양한 활동을 할 때 뇌가 반응하는 부분을 빛으로 보여줍니다. 하지만 이건 대체 장비일 뿐이죠. 실제로 신경활동을 측정하는 것이 아니니까요. 결국 측정되는 건 뇌 속의 혈액순환 같은 거죠. 피가 더 많이 몰리는 곳이요. 사실 산소가 더 많은 건데, 무슨 말인지 다들 아시죠?
The other thing that you can do is you can do this -- electroencephalography -- you can put these electrodes on your head, OK? And then you can measure your brain waves. And here, you're actually measuring electrical activity. But you're not measuring the activity of neurons. You're measuring these electrical currents, sloshing back and forth in your brain. So the point is just that these technologies that we have are really measuring the wrong thing. Because, for most of the diseases that we want to understand -- like, Parkinson's is the classic example. In Parkinson's, there's one particular kind of neuron deep in your brain that is responsible for the disease, and these technologies just don't have the resolution that you need to get at that. And so that's why we're still stuck with the animals. Not that anyone wants to be studying depression by putting mice into jars, right? It's just that there's this pervasive sense that it's not possible to look at the activity of neurons in healthy humans.
또 이런 것도 있어요. 뇌파 전위 기록술이라는, 머리에 쓰는 이런 전극 아시죠? 뇌파를 측정하는 장치입니다. 이렇게 하면, 실제로 전기활동을 측정할 수 있지만, 신경세포들의 움직임은 알수가 없습니다. 단지 뇌 안에서 전류들이 앞뒤로 출렁거리는 것을 측정할 뿐이에요. 그러니까 요점은, 우리가 사용하는 이런 기술들은 아주 엉뚱한 것들을 측정한다는 것입니다. 왜냐면, 우리가 알고 싶은 질병의 대부분은 파킨슨병이 대표적인데요, 뇌 속 깊은 곳에 있는 이 파킨슨병의 주요 원인인 특정 신경세포 하나를 현재의 기술로는 제대로 된 연구조차 할 수 가 없습니다. 그래서 동물들을 실험에 쓸 수 밖에 없죠. 누구든 이런 방식으로 우울증을 연구하고 싶진 않을 거예요. 쥐를 병 속에 넣으면서 말이죠, 맞나요? 일반적으로 많은 사람들이 건강한 사람들의 신경세포 활동을 관찰하는 건 불가능하다고 생각합니다.
So here's what I want to do. I want to take you into the future. To have a look at one way in which I think it could potentially be possible. And I want to preface this by saying, I don't have all the details. So I'm just going to provide you with a kind of outline. But we're going to go the year 2100. Now what does the year 2100 look like? Well, to start with, the climate is a bit warmer that what you're used to.
그럼 이렇게 해볼까요. 저와 함께 미래로 가시죠. 제 생각에 가능할 것 같은 방법 하나가 있거든요. 아직 구체적인 건 아니라고 먼저 말씀드릴게요. 그러니까 대략 윤곽만 보여 드리려고 합니다. 자, 2100년으로 갑니다. 2100년엔 세상이 어떨까요? 우선, 기후가 지금보다는 좀 더 더워 지겠죠.
(Laughter)
(웃음)
And that robotic vacuum cleaner that you know and love went through a few generations, and the improvements were not always so good.
여러분들이 아끼는 이 로봇 진공청소기는 몇 세대를 거치며 발전하지만, 그 결과가 항상 좋지만은 않을 거예요.
(Laughter)
(웃음)
It was not always for the better. But actually, in the year 2100 most things are surprisingly recognizable. It's just the brain is totally different. For example, in the year 2100, we understand the root causes of Alzheimer's. So we can deliver targeted genetic therapies or drugs to stop the degenerative process before it begins. So how did we do it? Well, there were essentially three steps. The first step was that we had to figure out some way to get electrical connections through the skull so we could measure the electrical activity of neurons. And not only that, it had to be easy and risk-free. Something that basically anyone would be OK with, like getting a piercing. Because back in 2017, the only way that we knew of to get through the skull was to drill these holes the size of quarters. You would never let someone do that to you.
발전이란 게 항상 좋은 건 아니에요. 사실 뜻밖에, 2100년에도 우리에게 익숙한 것들이 대부분일 거예요. 하지만 뇌에 관해선 얘기가 완전히 달라집니다. 예를 들어, 2100년에는 알츠하이머병의 근본 원인을 밝혀 내죠. 그래서 유전자 표적치료나 약물치료가 가능해 지는데, 퇴행 과정이 시작되기도 전에 막는 겁니다. 어떻게 가능했을까요? 기본적으로 세 단계를 거쳤어요. 첫 단계로, 두개골을 통해 전기 장치를 연결해 신경세포들의 전기 활동을 측정하는 법을 찾아야 했죠. 뿐만 아니라, 사용하기 쉽고, 안전해야 했습니다. 말하자면, 누구라도 부담없이 받을 수 있는 피어싱 같아야 했죠. 왜냐면, 과거 2017년에는, 두개골 안을 볼 수 있는 유일한 방법은 25센트 동전만한 크기의 구멍을 뚫어야 했거든요. 누가 그렇게 하게 두겠어요.
So in the 2020s, people began to experiment -- rather than drilling these gigantic holes, drilling microscopic holes, no thicker than a piece of hair. And the idea here was really for diagnosis -- there are lots of times in the diagnosis of brain disorders when you would like to be able to look at the neural activity beneath the skull and being able to drill these microscopic holes would make that much easier for the patient. In the end, it would be like getting a shot. You just go in and you sit down and there's a thing that comes down on your head, and a momentary sting and then it's done, and you can go back about your day. So we're eventually able to do it using lasers to drill the holes. And with the lasers, it was fast and extremely reliable, you couldn't even tell the holes were there, any more than you could tell that one of your hairs was missing. And I know it might sound crazy, using lasers to drill holes in your skull, but back in 2017, people were OK with surgeons shooting lasers into their eyes for corrective surgery So when you're already here, it's not that big of a step. OK?
그래서 2020년대에 들어 실험하기 시작한 것은 이렇게 엄청나게 큰 구멍을 머리카락만큼 얇고 미세한 구멍으로 대체하는 것이었죠. 실제 진단용으로 나온 아이디어였어요. 뇌 질환을 진단하려면 오랜 시간이 걸리는데, 두개골 속 신경세포들의 움직임을 이런 미세한 구멍을 통해 관찰할 수 있어서, 환자들이 훨씬 편해 했어요. 결국, 주사 한대 맞는 것 같았어요. 그냥 들어가 앉아 있으면, 머리 위로 뭔가 내려와, 순간 따끔 한번하면 끝이죠. 그리고 일상으로 돌아갑니다. 그래서 결국 개발된 것이 레이저 천공술입니다. 레이저는 속도가 빠르고, 매우 안정적이며, 흔적조차 남기지 않습니다. 머리카락 하나 빠진 느낌 같겠죠. 레이저로 머리에 구멍을 낸다니, 정신없는 소리라는 것 저도 압니다. 하지만 과거 2017년에도, 의사들이 별 대수롭지 않게 눈에 레이저를 쐈거든요. 시력교정수술 말이죠. 그러니까 그렇게 큰 도약은 아니네요. 그렇죠?
So the next step, that happened in the 2030s, was that it's not just about getting through the skull. To measure the activity of neurons, you have to actually make it into the brain tissue itself. And the risk, whenever you put something into the brain tissue, is essentially that of stroke. That you would hit a blood vessel and burst it, and that causes a stroke. So, by the mid 2030s, we had invented these flexible probes that were capable of going around blood vessels, rather than through them. And thus, we could put huge batteries of these probes into the brains of patients and record from thousands of their neurons without any risk to them. And what we discovered, sort of to our surprise, is that the neurons that we could identify were not responding to things like ideas or emotion, which was what we had expected. They were mostly responding to things like Jennifer Aniston or Halle Berry or Justin Trudeau. I mean --
다음 단계는 2030년대로 올라 가는데 이제는 두개골 관통에만 그치지 않습니다. 신경세포 활동을 측정하려면, 실제로 뇌 조직 자체를 들여다 봐야 하는데, 뇌 조직에 손을 대는 건 아주 위험한 일이죠. 뇌졸중이 올 수 있으니까요. 혈관을 건드려 터지면 발작이 일어나잖아요. 그래서, 2030년대 중반에 아주 유연한 탐침을 개발해 혈관을 건드리지 않고, 주변을 돌며 이동이 가능해 집니다. 이 탐침에 성능이 좋은 전지까지 장착해 환자들 뇌 속에 삽입하면 수 천개 신경세포들의 활동을 별 문제없이 기록할 수 있습니다. 그런데, 조금 놀라웠던 건, 우리가 알고 있는 신경세포들은 아이디어나 감정에 반응하지 않는다는 것이었어요. 예상과 달랐죠. 대부분 반응을 보였던 것들은 제니퍼 애니스턴 할리 베리 또 저스틴 트뤼도 같은 사람들이었습니다. 그러니까
(Laughter)
(웃음)
In hindsight, we shouldn't have been that surprised. I mean, what do your neurons spend most of their time thinking about?
알고 보면, 그렇게 놀랄 일도 아니네요. 도대체, 여러분들의 신경세포들은 주로 무슨 생각을 하는 겁니까?
(Laughter)
(웃음)
But really, the point is that this technology enabled us to begin studying neuroscience in individuals. So much like the transition to genetics, at the single cell level, we started to study neuroscience, at the single human level.
여기서 꼭 기억할 것은 인간을 통한 신경과학의 연구가 가능해 졌다는 사실입니다. 단세포 연구의 수준에서, 유전학으로까지 발전한 것처럼, 이제 신경과학을 개개인에 맞춰 연구하기 시작한 거죠.
But we weren't quite there yet. Because these technologies were still restricted to medical applications, which meant that we were studying sick brains, not healthy brains. Because no matter how safe your technology is, you can't stick something into someone's brain for research purposes. They have to want it. And why would they want it? Because as soon as you have an electrical connection to the brain, you can use it to hook the brain up to a computer. Oh, well, you know, the general public was very skeptical at first. I mean, who wants to hook their brain up to their computers? Well just imagine being able to send an email with a thought.
하지만 아직 멀었습니다. 왜냐면 이런 기술들은 의료용으로 쓰기엔 여전히 제약이 많은데 건강한 뇌가 아닌 병든 뇌를 가지고 연구하기 때문이죠. 아무리 그 기술이 안전해도, 사람의 뇌 속에 아무거나 넣을 수는 없으니까요. 연구를 핑계로 말이죠. 사람들이 원해야만 가능합니다. 그럼 사람들은 왜 이걸 원하게 될까요? 뇌에 전기 장치를 달면 바로 컴퓨터에 연결할 수 있으니까요. 알다시피, 일반 사람들은 처음엔 아주 회의적이었죠. 그러니까, 누가 자기 뇌를 컴퓨터에 연결하려고 하겠어요? 생각만으로 이메일을 보낼 수 있다고 상상해 보세요.
(Laughter)
(웃음)
Imagine being able to take a picture with your eyes, OK?
눈으로 사진을 찍을 수 있다고 상상해 보세요, 알겠죠?
(Laughter)
(웃음)
Imagine never forgetting anything anymore, because anything that you choose to remember will be stored permanently on a hard drive somewhere, able to be recalled at will.
더 이상 아무것도 잊어 버리지 않는다고 상상해 보세요. 기억하고 싶은 것이 있다면, 하드 드라이브 어딘가에 영구적으로 저장하고, 원할 때 다시 꺼내 보면 되잖아요.
(Laughter)
(웃음)
The line here between crazy and visionary was never quite clear. But the systems were safe. So when the FDA decided to deregulate these laser-drilling systems, in 2043, commercial demand just exploded. People started signing their emails, "Please excuse any typos. Sent from my brain."
미친 사람과 확실한 비전을 가진 사람은 종이 한 장 차이죠. 결국 그 시스템은 안전했고 2043년, 미 식품의약국은 레이저 천공 시스템을 허가합니다. 그 수요 또한 폭발적으로 늘어납니다. 사람들은 이메일 서명을 이런 식으로 쓰기 시작하죠. "오타 양해 바람. 뇌에서 보냄."
(Laughter)
(웃음)
Commercial systems popped up left and right, offering the latest and greatest in neural interfacing technology. There were 100 electrodes. A thousand electrodes. High bandwidth for only 99.99 a month.
이제 여러 상업용 시스템들이 곳곳에서 소개됩니다. 최신의 뇌 접속 기능을 보유하고 있는 것들이죠. 전극이 수백 개 수천 개가 있습니다. 한 달에 99불 정도면 고대역폭으로 이용할 수도 있어요.
(Laughter)
(웃음)
Soon, everyone had them. And that was the key. Because, in the 2050s, if you were a neuroscientist, you could have someone come into your lab essentially from off the street. And you could have them engaged in some emotional task or social behavior or abstract reasoning, things you could never study in mice. And you could record the activity of their neurons using the interfaces that they already had. And then you could also ask them about what they were experiencing. So this link between psychology and neuroscience that you could never make in the animals, was suddenly there.
곧, 누구나 이용이 가능했어요. 바로 거기에 해법이 있었죠. 왜냐면, 2050년대의 신경과학자라면 말하자면, 길을 가던 누구나 연구실로 불러, 어떤 과제를 주고 감정을 실험해 볼 수 있겠죠. 혹은 사회적 행동이나 요약 추론 같이 쥐들을 통해선 절대 실험할 수 없는 것들이요. 그렇게 인간의 신경세포 활동을 기록하게 되는데, 사람들이 이미 가지고 있는 접속 장치를 이용합니다. 그리고 그들이 느끼고 있는 것들에 대한 질문도 가능하죠. 이렇게 심리학과 신경과학의 연계가 어느새 가능해 집니다. 동물실험으로는 불가능했던 것이죠.
So perhaps the classic example of this was the discovery of the neural basis for insight. That "Aha!" moment, the moment it all comes together, it clicks. And this was discovered by two scientists in 2055, Barry and Late, who observed, in the dorsal prefrontal cortex, how in the brain of someone trying to understand an idea, how different populations of neurons would reorganize themselves -- you're looking at neural activity here in orange -- until finally their activity aligns in a way that leads to positive feedback. Right there. That is understanding.
아마 대표적인 예는 통찰을 가능케 하는 신경 기반의 발견입니다. "아하!" 하면서 모든게 맞아 떨어지는 순간 말이죠. 2055년, 두 과학자들에 의해 발견된 것이 있어요. 배리와 레이트죠. 배측 전전두엽 피질에서 이들이 관찰한 건, 뇌는 어떻게 생각을 이해하려고 하는지 다른 개체군의 신경세포들은 어떻게 재편성 되는지 등인데, 신경활동이 일어나면 이렇게 주황색으로 빛이 납니다. 마침내 이렇게 의미있는 반응이 나타나게끔 정렬되기까지 말이죠. 바로 저기. 이해를 했다는 표시죠.
So finally, we were able to get at the things that make us human. And that's what really opened the way to major insights from medicine. Because, starting in the 2060s, with the ability to record the neural activity in the brains of patients with these different mental diseases, rather than defining the diseases on the basis of their symptoms, as we had at the beginning of the century, we started to define them on the basis of the actual pathology that we observed at the neural level. So for example, in the case of ADHD, we discovered that there are dozens of different diseases, all of which had been called ADHD at the start of the century, that actually had nothing to do with each other, except that they had similar symptoms. And they needed to be treated in different ways. So it was kind of incredible, in retrospect, that at the beginning of the century, we had been treating all those different diseases with the same drug, just by giving people amphetamine, basically is what we were doing. And schizophrenia and depression are the same way. So rather than prescribing drugs to people essentially at random, as we had, we learned how to predict which drugs would be most effective in which patients, and that just led to this huge improvement in outcomes.
결국, 우리를 인간답게 해주는 것들에 대해 알게 됩니다. 의학분야의 주요한 통찰로 가는 길을 열어줬어요. 2060년대가 시작되면서 이렇게 다양한 정신 질환 환자들의 뇌 신경 활동을 기록할 수 있었기 때문입니다. 증상에 따라 질병의 정의를 내리던 세기 초와는 다르게 그 방법이 신경계를 다루는 병리학에 기반을 두기 시작한 것이죠. 예를 들어, 주의력 결핍 장애는 수십 개의 다양한 질병으로 나뉜다는 걸 알게 됩니다. 세기 초에는 모두 ADHD로 불렸죠. 사실 서로 관련이 전혀 없고 증상만 비슷할 뿐인데요. 치료 방법 또한 달라야 했죠. 그러니까 돌이켜 보면, 좀 믿기가 힘들어요. 세기 초에는 여러가지 각기 다른 질병들을 똑 같은 약 기본적으로 각성제 같은 것을 주는게 전부였으니까요. 정신분열증과 우울증도 마찬가지입니다. 무작정 약을 처방하기보다, 지금까지 처럼 말이죠, 이제 어떤 약이 어떤 환자에게 가장 효과적일지 예측하게 됐고 치료 효과도 상당히 높아졌습니다.
OK, I want to bring you back now to the year 2017. Some of this may sound satirical or even far fetched. And some of it is. I mean, I can't actually see into the future. I don't actually know if we're going to be drilling hundreds or thousands of microscopic holes in our heads in 30 years. But what I can tell you is that we're not going to make any progress towards understanding the human brain or human diseases until we figure out how to get at the electrical activity of neurons in healthy humans. And almost no one is working on figuring out how to do that today. That is the future of neuroscience. And I think it's time for neuroscientists to put down the mouse brain and to dedicate the thought and investment necessary to understand the human brain and human disease.
이제 2017년으로 돌아가죠. 어떤 것들은 황당하거나 우습게 들릴 수도 있어요. 사실 그렇기도 합니다. 그러니까, 실제로 제가 미래를 볼 순 없잖아요. 사실 알 수가 없습니다. 머리에 수백 또는 수천 개의 미세한 구멍을 뚫게 될지 앞으로 30년 내에 말이죠. 하지만 제가 말씀드릴 수 있는 건 더 이상 발전할 수 없다는 겁니다. 인간의 뇌 또는 질병의 이해를 돕는 신경세포들의 전기 활동을 관찰할 방법을 찾아내지 못한다면요. 건강한 사람들을 대상으로 말이죠. 오늘날 이런 방법을 연구하는 사람들은 거의 없습니다. 이것이 신경과학의 미래죠. 신경과학자들은 이제 쥐의 뇌는 그만 내려 놓고 인간의 뇌와 질병을 이해하는데 정말 필요한 생각과 투자에 전념해야할 때라고 생각합니다.
Thank you.
감사합니다.
(Applause)
(박수)