학습에 관하여 (Nature versus Nurture, 7장 일부분; 2003년 Matt Ridley 저)

1893년 다이너마이트를 발명한 스웨덴의 알프레드 노벨은 그의 나이를 예순을 넘겨 건강이 좋지 않은 상태였다. 그는 기린의 피를 수혈받으면 기적과 같은 회춘이 가능할지 모른다는 소문을 들었다. 부자가 이런 상태에 있을 때 기민한 과학자들은 기부금 상자를 내민다. 노벨은 러시아 생페테스부르크 외곽에 실험의학 연구소를 위한 새로운 생리학 건물을 세우는데 만 루불을 지불하였다. 노벨은 1896년에 사망하였지만 실험실에서는 결코 기린을 산 적이 없었다.  실험실은 계속 커져 백 명이 넘는 직원을 가진 과학 공장처럼 되었다. 이 실험실을 맡고있는 사람은 야망과 신념에 찬 젊은 과학자 이반 페트로비치 파블로프이었다.
        파블로브는 이반 미하일로비치 세체노브의 제자였으며 세체보느는 반사운동에 사로잡혀 생각은 단지 행동이 없는 반사에 지나지 않는다고 믿었다. 세체노브는 그의 동년배 갈톤이 천성의 원인에 집착하였던 것처럼 양육의 원인을 밝히는데 헌신하였다. 그는 "모든 활동의 진정한 원인은 외적인 것이며 정신의 999/1000은 넓은 견지에서 교육에 의존하며 단지 1/1000 만이 개성에서 비롯된 것이라고" 믿었다.
        세체노브의 철학은 파블로브의 공장에서 그 후 30년에 걸쳐 수많은 실험을 이끌었으며, 이런 실험들의 희생물은 대부분 개들이었다. 처음에 파블로브는 개의 소화관에 집중하였었다가 나중에 뇌로 옮겨가기 시작하였다. 1903년 마드리드에서 열린 한 회의에서 그의 가장 유명한 실험결과들이 발표되었다. 이것들은 다른 유명한 과학처럼 우연히 시작되었다. 그는 음식물에 대한 반응으로 개의 침반사를 연구하는 중이었다. 그는 개의 침샘 중 하나를 깔대기로 우회시켜 침의 양을 측정하였다. 개는 음식물이 준비된 것을 알면 곧바로 침을 흘리기 시작하였다. 또는 음식물을 제공하기 위한 장치에 묶이자마자 침을 흘렸다. 이 "정신반사"는 파블로브가 추구하던 것은 아니었으나 그 중요성을 깨닫고 그의 관심을 바꿨다. 그 개는 이제 종소리를 들을 때마다 음식물을 기대하게 되었으며 종소리만으로도 침을 흘리기 시작하였다. 파블로브는 침샘을 깔대기로 우회시키면서 종소리가 울릴 때마다 반응하여 나오는 침방울을 셀 수 있었다. 나중에 그는 대뇌피질을 제거한 개가 음식물이 주어졌을 때는 침반사를 보이지만 종소리에는 반응을 보이지 않는다는 것을 증명하였다. 이 종소리에 대한 "조건반사"는 따라서 바로 대뇌피질에 있는 것이다.
        파블로브는 조건 또는 연상에 의해 세상의 규칙성들에 대한 지식을 습득하는 기작을 발견한 것처럼 보였다. 이것은 위대한 발견이었으며 옳았으나 모든 대답은 아니었다. 늘 그렇듯이 파블로브의 추종자들은 너무 지나치게 나아갔다. 그들은 뇌가 조건을 통해 학습하는 장치에 지나지 않는다고 주장하였다. 이 전통은 미국에서 행동주의로 번성하였다.
        현대의 학습이론자들은 파블로브의 아이디어를 한가지 결정적인 방법으로 변형시켰다. 그들은 능동적인 학습은 자극과 보상이 함께 나타날 때 일어나는 것이 아니라 기대된 일치와 실제로 일어나는 것 사이의 어떤 차이가 있을 때 일어난다고 주장한다. 만약 정신이 "예측 실수"-자극 후의 보상에 대한 기대와 그것을 받지 못하는 것, 또는 그 반대-을 만든다면 정신은 그 기대를 바꾸어야만 한다: 그것은 배워야만 한다. 그래서 예를 들어 종소리가 더 이상 음식을 예측하지 않고 한번의 빛을 비추는 것이 음식을 예측한다면 그 개는 그 자신의 기대와 새로운 실제 사이의 차이로부터 배워야만 한다. 놀람, 즐거움, 또는 불쾌는 예측보다 더 유익하다.
        이 예측 실수에 대한 새로운 경험은 정신에 심리적인 형태만이 아니라 뇌에 물리적인 형태를 가지게 된다. 원숭이에 대한 일련의 실험들에서 볼프람 슐츠는 뇌의 어떤 부분 (the substantia nigra and ventral tegmental area)에 있는 도파민 분비 신경세포들이 놀람에 대해서는 반응하지만 예측된 영향에 의해서는 그렇지 않은 것을 발견하였다. 그들은 원숭이가 보상받았을 때 더 자극되지만 보상이 예기치 않게 중단되면 자극되지 않는다. 다른 말로 새로운 도파민 세포들 자체는 실제로 엔지니어들이 로봇에 조립하려고 노력하는 학습이론과 동일한 규칙을 암호화하고 있다.
        파블로브는 끈질긴 개 해부자로서 그와 같은 환원주의 결과를 즐겼을지도 모른다. 그러나 그는 이 결과가 이끄는 철학적인 아이러니에 의해 불편하게 되었을지도 모른다. 그는 개의 뇌가 세상으로부터 그 상황을 배우는 것-세체노브의 말을 빌리면 "그 진정한 원인은....사람으로부터 벗어나 있다"-을 증명하려고 애를 썼다. 그는 밀, 흄, 로크로 거슬러 올라가는 오래된 경험주의 전통에 서있었다: 인간 천성은 주로 백지와 같은 정신에 경험이 낙서된 것이다. 그럼에도 불구하고 정신이 종이에 낙서를 하기 위해서는 놀람에 반응하도록 특별히 고안된 도파민 신경세포들을 가져야만 한다. 그리고 어떻게 그렇게 고안되었는가? 오늘날 파블로브의 실험은 세계의 일류 유전학 실험실들에서 일상적으로 정교하게 재현되고 있다. 왜냐하면 파블르브의 현대 후손들은 유전자가 학습에 관여하는 임무를 증명하기에 바쁘기 때문이다. 여기에 이 책의 주제에 대한 증거가 있다: 유전자들은 천성에만 관여하는 것이 아니라 양육에도 밀접하게 관련되어 있다.
        현대의 파블로브 실험은 자주 초파리를 가지고 행해지지만 그 원리는 동일하다. 초파리는 냄새나는 화학물질이 실험관으로 분출된 직후 그 발에 전기적 쇼크가 주어진다. 곧바로 초파리는 냄새에 뒤이어 쇼크가 있다는 것을 배워서, 쇼크가 도달되기 전에 공중으로 날아간다: 이것은 (처음에는 놀라운) 연상을 두 현상 사이에 만들었다. 이 실험은 캘리포니아 공과대학에서 1970년대에 칩 퀸과 시모 벤져에 의해 이루어졌다. 이것은 모든 사람이 놀랍게도 초파리가 냄새와 쇼크 사이의 연상들을 배우고 기억할 수 있다는 것을 증명하였다.
        이것은 또한 그들이 어떤 유전자를 가지고 있으면 그렇게 할 수 있다는 것을 증명하였다. 결정적인 유전자를 잃어버린 돌연변이체는 그렇지 못하다. 초파리에는 새로운 기억을 저장하는데 필수적인 최소한 17개의 유전자들이 존재한다. 이러한 유전자들에는 저능아나 건망증과 같은 경멸적인 이름들을 붙였는데 이것은 불공평한 것이다. 왜냐하면 단지 그 유전자가 없을 때만 멍청할 뿐이기 때문이다. 곧 알게되겠지만 소위 CREB 유전자들은 사람을 비롯한 모든 동물에서 사용된다. 이 유전자들은 학습과정에서 켜져야만 한다-즉, 단백질을 만들어야만 한다.
        이것은 놀라운 발견이었지만 얼마나 놀라운 것인지 잘 평가되지 않고 있다. 여기 1914년 John B. Watson이 연합학습에 관하여 말한 것이 있다:
대부분의 심리학자들은 뇌에서 새로운 경로들의 형성에 관하여 매우 수다스럽게 말한다. 마치 불카누스의 작은 하인 집단이 뇌에서 망치와 끌을 가지고 새로운 도랑을 파고 오래된 것들은 깊게 만드는 것처럼.
Watson은 그 생각을 조롱한 것이었지만 조롱된 것은 그였다. 정신적인 연합의 형성은 신경세포들 사이의 새롭고 강화된 연결들을 이룬다. 그러한 연결들을 만드는 불카누스의 하인들이 존재한다. 그들은 유전자들이라 불린다. 유전자들은 일이 이루어지도록 뇌를 변화시키고 떠나도록 예정된 운명의 잔인한 꼭두각시 거장들이다. 그러나 그들은 그렇지 않다; 그들은 실제로 학습을 한다. 바로 지금 당신의 머리 어딘가에는 한 유전자가 켜져 일련의 단백질들이 뇌세포 사이의 시냅스들이 일을 하도록 만들어, 당신은 아마도 지금 이 단락을 읽는 것이 부엌에서 스며나오는 커피향과 영원토록 연결되도록 만들고 있을 것이다.
        내가 다음 문장을 아무리 강력하게 강조해도 지나치지 않을 것이다. 이런 유전자들은 주변의 다른 어떤 것이 아니라 우리 행동에 좌우된다. 파블로브의 연상을 만드는 것들은 염색체들이 유전을 운반하는 것과 동일한 요소들로 이루어져 있다. 기억이 유전자들에 있다는 것은 당신이 기억을 유전한다는 견지에서가 아니라 유전자를 사용한다는 견지에서이다. 양육은 천성이 그렇듯이 유전자들에 의해 영향을 받는다.
        여기 그와 같은 유전자의 한가지 예가 있다. 2001년 Tim Tully와 함께 일하는 Dubnau는 초파리에 대한 매우 훌륭한 실험을 하였다. 현대 생물학에서 이용되는 도구들의 정교함을 감상하기 위하여 잠시동안 그 방법들에 자세히 빠져보기 바란다 (그리고나서 잠시 멈추어 몇 년 내에 그들이 얼마나 더 정교해질지 상상해 보라). 첫 번째로 그는 shibire라 불리는 특정한 초파리 유전자에 온도민감성 돌연변이를 만들었다. 그 유전자는 dynamin이라 불리는 운동단백질이다. 이것은 섭씨 30도에서는 초파리가 마비되지만 20도에서는 완전히 회복된다는 것을 의미한다. 그 다음 Dubnau는 초파리를 조작하여 이 돌연변이 유전자가 mushroom body라 불리는 뇌의 한 부분에서 생산될 때만 활성을 가지도록 하였다. 이 초파리는 30도에서 마비되지 않으나 기억을 회복할 수는 없다. 그와 같은 초파리가 더울 때 냄새와 위험을 연결짓도록 훈련된 후 차가운 곳에서 기억을 회복하도록 하면 잘 수행한다. 반대되는 상황으로 차가운데서 기억을 형성하도록 한 후 더운 곳에서 기억을 회복토록 하면 그렇게 못한다.
        결론: 기억의 습득은 그 회복과 구분된다; 다른 유전자들이 뇌의 다른 부분에서 요구된다. Mushroom body로부터의 산물은 기억회복에 필요하나 습득에는 필요치 않으며, 한 유전자의 발현이 그 산물에 필요하다. 파블로브는 언젠가 누군가 연합학습을 설명한 뇌에서의 배선을 이해하게 될 것으로 꿈을 꾸었을지 모른다. 그러나 그는 확실히 누군가 훨씬 깊이 들어가, 멘델의 작은 유전입자들에 그 과정의 열쇠가 매분마다 놓여있다고 발견한 것은 제외하고라도, 실제적인 분자들을 묘사하게 되리라고는 상상하지 못하였을 것이다.
        그러나 그보다 더많은 것이 발견되었다. 학습과 기억에 관여하는 유전자들을 연구하는 사람들은 보고에 이르는 길을 찾아내었다. 예를 들어 Tully는 기억의 유전자들이 어떻게 다른 시냅스들은 건들이지 않으면서 그들의 근거지와 이웃하는 신경세포들 사이의 시냅스들 몇가지를 변화시키는지 이해하려고 하는 굉장한 일을 벌리고 있다. 각 신경세포들은 그것을 다른 세포들과 연결시키는 시냅스를 평균 70개 정도 가지고 있다. 세포의 핵 안에서는 염색체 1번에 있는 CREB 유전자가 다른 유전자들을 활성화시키는 일을 하고 있으며, 이 다른 유전자들은 그들의 전사물을 연결강도를 변화시키는데 사용될 수 있는 올바른 시냅스들로 보내야만 한다. Tully는 마침내 이것이 어떻게 이루어지는지 이해할 수 있는 길을 찾았다.
        아직도 CREB는 이야기의 일부분이다. Seth Grant는 학습과 기억에 필요한 유전자들의 많은 수가 일련의 회로망의 단순한 일부분 이상이라는 증거를 가지고 있다; 사실상 그들은 기계를 구성한다. 그것을 Grant는 Hebbosome이라 부른다. 그런 Hebbosome 하나는 최소한 75가지 다른 단백질-즉 75가지 유전자의 산물들-로 구성되며 하나의 복합체 기계로 작동하는 것처럼 보인다.