생물학적 신호처리기
두뇌는 매우 정밀한 신호처리 기계?
인간의 두뇌는 매우 정교한 생물학적 신호처리기로 볼 수 있다. 일반적으로 신호처리기는 센서를 통한 신호 입력으로 활성화되고 센서와 처리기 사이에는 필터가 존재한다. 필터의 형태도 다양한데, 주로 많이 사용하는 것에는 로패스 필터(Low Pass Filter or LPF)와 하이패스 필터(High Pass Filter, HPF)가 있다. 이름에서 알 수 있듯이 로패스 필터는 주파수가 특정 초기치보다 낮은 신호를 통과시키고 신호를 감쇄시키는 정도는 필터의 설계에 따라 달라진다. 같은 원리로 하이패스 필터는 초기치보다 높은 신호를 통과시키는 것이다. 인간의 두뇌가 신호처리기라면 역시 이와 같은 필터를 가지고 있는 것으로 볼 수 있다. 우리 몸의 센서로는 시각, 청각, 촉각, 미각, 후각 등의 감각기관 등이 있고 외부 자극에 따라 전기신호를 발생시켜 뉴런에 전달한다. 각 뉴런의 말단에는 시냅스라고 불리는 접합부에서 다음 뉴런으로 신호가 전달된다. 바로 이 시냅스가 필터 작용이 일어나는 곳으로 볼 수 있다.
그림 1 . 화학적 시냅스 구조 (부분)[1]기능적자기공명영상(fMRI) 기기를 사용하면 신호 전달 활동이 활발하게 일어나는 부분을 볼 수 있는데, 마치 불꽃놀이를 보는 것처럼 밝아지는 영역이 관찰된다. 아마도 신경전달물질이 수용체를 자극하면 뇌 속에서 스파크가 발생하고 (불꽃이 튄다고 할까?) 너무 지나칠 경우 발작으로 이어질 수도 있을 것이다. 자폐성 장애아 부모들의 증언을 들어보면, 정상적으로 발달하던 아이가 이상을 보인 시점에 발작이 있었다는 말이 많은 것도 뇌 속에서 신경전달물질의 균형에 이상이 있었음을 암시하는 것일 수도 있다.
그리고 유전적인 문제로 자폐증과 유사한 증세를 보이는 병인 취약X증후군(FXS) 환자들에 대한 연구에서도 두뇌의 신호처리 기능이 연구되고 있다. 지금까지 FXS 연구의 대부분은 뇌세포가 신호를 받았을 때에 발생하는 문제점에 초점을 맞추어 왔다. 여기에서 사용하는 모델은 방송으로 라디오 송신기와 수신기가 잡음으로부터 신호를 분리하는 것처럼 뇌세포도 정밀한 과정을 거쳐서 정보를 보내거나 받게 된다. 라디오는 방송국의 송신 주파수와 동기화를 통해 필요한 신호를 분리해 낸다. 지금까지 FXS에 대한 연구 대부분은 너무 민감하여 많은 정보를 받아들이는 수신기의 문제에 초점을 맞추었다. 그러나 최근에는 FXS에서 발생하는 과다 활성화된 송신기가 너무 많은 정보를 보내는 것에 초점을 맞추는 방향으로 바뀌고 있다고 한다. 그 이유 중에 하나는 지금까지 개발된 약물이 수신기를 정상화하는 것이었지만 효과를 보이지 않아 송신기 측의 과다신호 발생이 원인이라는 이론에 무게가 실리고 있기 때문이다.[2]
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1. US National Institutes of Health, National Institute on Aging created original - http://www.nia.nih.gov/alzheimers/publication/alzheimers-disease-unraveling-mystery/preface
2. Leila K. Myrick et. al, Independent role for presynaptic FMRP revealed by an FMR1 missense mutation associated with intellectual disability and seizures. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2015
