전신마취와 의식: 미세소관 실험은 Orch OR 이론을 어디까지 지지하는가

쥐의 마취가 평균 69초 늦어졌다

며칠 전 흥미로운 논문을 읽었다. 미세소관을 안정화하는 약물을 투여한 쥐가 평소보다 마취에 늦게 빠졌다는 내용을 담고 있었다. 평균 69초였다.

글을 쓰고 그림을 만들고 사람의 말투까지 흉내 내는 AI를 보고 있으면 인간에게만 남는 것은 무엇인지 궁금해진다. 같은 말을 하고 같은 판단을 내리는 존재에게도 필자와 같은 경험이 일어나고 있을까. 마취로 의식이 사라지는 조건을 연구한 논문에서 그 경험의 물리적 조건을 찾아보고 싶었다.

내용은 만만치 않았다. 미세소관에서 시작한 이야기가 양자 중첩과 결잃음, 수학과 의식의 관계까지 뻗어 갔다. 이해한 듯하면 물리학이 튀어나왔고, 물리학을 조금 따라가면 철학이 기다리고 있었다. 놓아버리기에는 필자의 지적 호기심을 딱 건들랑 말랑하는 녀석이었다. 이 녀석을 한 번 제대로 따라가 보기로 했다.

논문은 2024년 eNeuro에 실린 「Epothilone B delays anesthetic-induced loss of consciousness in rats」였다. 연구진은 미세소관을 안정화하는 epothilone B를 쥐에게 투여하고 전신마취에 빠지는 시간을 쟀다.^[10]

실험에 쓰인 동물은 수컷 Long–Evans 쥐 여덟 마리였다. 연구진은 각 쥐를 4% isoflurane에 노출하고, 몸을 바로 세우는 정위반사가 사라질 때까지의 시간을 약물 투여 전과 투여 후에 재었다. epothilone B는 0.75 mg/kg을 피하로 투여했다.

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동물

수컷 Long–Evans 쥐 8마리

개입

epothilone B 0.75 mg/kg, 피하

마취

isoflurane 4%

결과

정위반사 소실 지연 +69초

불확실성

95% CI 37.4–109초

칸(Khan) 등(2024), Figure 2. 검은 점과 세로선은 평균 차이와 95% 신뢰구간이다. 같은 동물의 투여 전후를 비교했지만 모든 투여 후 측정은 대조 기간 뒤에 있었고, 결과는 의식의 직접 보고가 아니라 행동 지표인 정위반사 소실(loss of righting reflex, LORR)이다. ^[10]

여덟 마리 가운데 일곱 마리에서 투여 뒤 시간이 늘었다. 평균 차이는 69초였고 95% 신뢰구간은 37.4초에서 109초, 양측 순열 t 검정의 p값은 0.0016이었다. 논문 제목에는 ‘의식 소실’이 들어간다. 실험실의 기록 대상은 쥐를 눕혔을 때 스스로 몸을 바로 세우는 반사가 사라지는 시점이었다. 쥐의 주관적 경험을 직접 읽은 값은 없다.

투여 후 측정은 언제나 대조 기간 뒤에 이어졌고 완전한 무작위 교차 설계도 아니었다. 반복 노출의 영향을 확인한 동물은 별도의 네 마리였다.

세포 안의 작은 관이 왜 마취 논문에 등장했을까

미세소관(microtubule)은 α튜불린과 β튜불린이 짝을 이룬 이합체가 길게 이어져 만든 속 빈 원통이다. 보통 13개의 원섬유(protofilament)가 둘레를 이룬다. 뉴런에서는 축삭과 수상돌기의 형태를 붙들고, 키네신과 다이네인이 소포와 단백질, 세포소기관을 나르는 길이 된다. 성장원뿔과 시냅스가 변할 때 배열과 안정성도 함께 바뀐다.^[14]

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칼라(Kalra) 등(2023), Figure 1. 튜불린 이합체·13개 원섬유·미세소관 격자와 트립토판 위치를 표시한 원 도판. CC BY 4.0. 뉴런에서 미세소관은 세포 형태와 축삭 수송을 지탱한다. 붉은 점은 이 연구가 형광으로 추적한 트립토판이다. ^[8]

epothilone B는 이 구조가 쉽게 풀어지지 않도록 안정화한다. 2013년 anthracene으로 올챙이를 마취한 연구에서도 미세소관 안정화제가 마취 민감도를 바꿨다.^[11] 2024년 쥐 실험은 다른 종과 약물에서 비슷한 방향의 결과를 보탰다.

전신마취제는 한 군데만 건드리지 않는다. GABA_A 수용체, NMDA 수용체, 두 구멍 칼륨통로^[12], 시냅스 방출, 미토콘드리아, 수면·각성 회로가 약물마다 다른 비율로 영향을 받는다. 피질과 시상 사이의 연결, 뇌 영역 사이의 정보 통합도 함께 변한다.^{[4] [13]} 미세소관을 안정화한 쥐의 반응이 늦어졌다는 결과만으로 이 구조가 의식을 만드는 장소라고 정할 수는 없다.

이 작은 관을 의식과 직접 연결해 온 사람들이 있었다. 마취과 의사 스튜어트 해머로프와 수리물리학자 로저 펜로즈였다. 쥐 논문을 읽다가 오래전에 보았던 Orch OR이라는 이름을 다시 찾게 됐다.

펜로즈와 해머로프는 미세소관에서 무엇을 보았나

조직화된 객관적 환원(orchestrated objective reduction, Orch OR) 이론에서 튜불린의 상태는 양자적으로 중첩되고, 세포 과정이 그 상태를 조직한다. 중력과 관련된 객관적 환원(objective reduction, OR)이 일어나는 순간 하나의 의식 경험이 생긴다는 구상이다.^[1]

펜로즈는 인간의 수학적 이해를 알고리즘만으로 모두 재현할 수 없다고 보았다. 괴델의 불완전성 정리는 그 논증에서 중요한 자리를 차지했다.^{[2] [3]} 여기서 비계산성(non-computability)은 수학적 서술이 불가능하다는 뜻과 다르다. 명확한 규칙을 따라 실행되는 알고리즘으로 그 능력을 온전히 구현할 수 있느냐가 쟁점이다.

자연수 산술을 충분히 표현하고 공리와 증명 규칙을 기계적으로 다룰 수 있는 무모순 형식 체계에는, 그 체계 안에서 증명도 반증도 할 수 없는 문장이 생긴다. 펜로즈는 수학자가 체계의 정당성을 이해하고 그 한계를 넘어 참을 알아보는 능력에 주목했다. 철학자 데이비드 찰머스(David J. Chalmers)는 이때 수학자가 무엇을 안다고 전제하는지 물었다. 추론이 실제로 건전하다는 것, 곧 참인 결론만을 낳는다는 것과 자기 추론의 건전성을 확실히 안다는 것은 다르다. 인간의 추론을 구현하는 체계가 있더라도 인간이 그 체계의 무모순성을 알아내지 못한다면, 그 체계의 괴델 문장을 참이라고 확신하는 단계도 막힌다.^[16]

펜로즈가 논하는 주체는 이상화된 수학자다. 그는 1996년 응답에서 자신이 특정 형식 체계임을 실제로 알아낼 필요 없이, 그 체계가 자신의 증명 능력 전부를 담는다고 가정하는 것만으로 논증을 전개할 수 있다고 답했다. 자기 신뢰에 관한 비판에는 ‘특정 튜링 기계가 영원히 멈추지 않는다’는 P-문장으로 판단 대상을 제한해 맞섰다.^[17] 논쟁은 어떤 증명 능력을 인간에게 부여하고 그 능력이 자신을 어디까지 신뢰할 수 있느냐에 걸려 있다. 이 논증을 받아들여도 비계산적 과정의 장소가 미세소관이라는 결론까지 얻어지지는 않는다. 뇌의 구현에 관한 별도의 가설과 실험이 그 자리에 들어간다.

해머로프는 그 물리적 장소로 미세소관을 제안했다. 마취과 의사가 의식을 끄는 약물을 보다가 세포 골격에 관심을 두었고, 펜로즈가 찾던 비계산적 과정과 만났다. Orch OR에서는 조직된 양자 계산이 진행되다가 비계산적이라고 가정한 객관적 환원으로 종결된다.^[1]

따뜻하고 젖은 뇌에서 양자 상태가 버틸 시간

막스 테그마크(Max Tegmark)는 뇌 속 이온과 열적 환경을 모형화해 양자 중첩의 결잃음(decoherence) 시간을 계산했다. 결과는 약 10⁻¹³초에서 10⁻²⁰초였다. 신경세포가 신호를 처리하는 밀리초보다 너무 짧았다.^[5]

스콧 헤이건·해머로프·잭 투신스키(Scott Hagan·Stuart Hameroff·Jack Tuszyński)는 테그마크가 Orch OR에서 말한 중첩의 대상과 기하를 다르게 잡았다고 반박했다. 유전율, 이온 차폐, 액틴 겔화 같은 조건을 바꾼 계산에서는 약 10⁻⁵초에서 10⁻⁴초가 나왔다.^[6]

숫자는 크게 벌어졌지만 양쪽 모두 살아 있는 인간 뉴런에서 시간을 잰 실험은 아니었다. 무엇이 중첩되는지, 주변 환경과 얼마나 강하게 결합하는지를 다르게 잡은 두 모형의 계산이었다.

2017년 크래독(Craddock) 등은 휘발성 마취제가 튜불린의 어느 주머니에 결합하는지 분자동역학과 도킹으로 찾고 집단 쌍극자 진동을 계산했다. 마취제 결합 뒤 약 613 ± 8 THz 부근 모드의 변화가 마취 효력과 상관된다는 결과가 나왔다.^[7] 613 THz는 사람의 뇌에서 검출한 신호가 아니었다. 도킹 위치와 결합 에너지, 진동 모형에서 얻은 계산값이었다.

미세소관에서 실제로 잰 것

2023년 칼라 등은 돼지 뇌에서 정제한 튜불린으로 시험관 안에 미세소관을 만들었다. 단백질 속 트립토판(tryptophan)이 내는 형광을 출발점으로 삼고, AMCA라는 분자가 에너지를 받을 때 트립토판의 형광 수명이 얼마나 줄어드는지 측정했다.^[8]

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측정트립토판 형광 수명

AMCA 농도에 따른 소광 곡선을 얻었다.

계산확산 길이 6.64 ± 0.10 nm

모형과 적합식을 거쳐 2차원 광여기 확산 길이를 추정했다.

조건 변화etomidate 5.6 ± 0.1 nm
isoflurane 5.8 ± 0.2 nm

각 50 μM 조건에서 추정 길이가 줄었다.

칼라 등(2023), Figure 5. 돼지 뇌에서 정제한 튜불린과 시험관 내 미세소관을 사용했다. 저자들은 이 길이가 정확한 확정값이 아니라 규모 추정치라고 적었고, 생체가 이 광수확 성질을 이용한다고 보기도 어렵다고 밝혔다. ^[8]

형광 수명은 장비로 측정했다. 6.64 ± 0.10 nm라는 확산 길이는 그 소광 곡선에 Stern–Volmer 적합과 2차원 확산식을 적용해 얻었다. 현미경으로 관찰한 이동 장면은 없으며, 6.64 nm는 측정값을 모형에 넣어 구한 추정치다. 단순한 Förster 공명 에너지 전달 모형은 티로신만 넣었을 때 1.11 nm, 티로신과 트립토판을 함께 넣었을 때 1.54 nm를 예측했다.

50 μM etomidate 조건에서는 추정 길이가 5.6 ± 0.1 nm, 같은 농도의 isoflurane에서는 5.8 ± 0.2 nm로 줄었다. 마취제가 시험관 속 미세소관의 광여기 에너지 이동에 영향을 준 셈이다. 비마취성 GABA_A 길항제 picrotoxin도 소광을 줄였다. 논문 저자들은 생체가 이 광수확 성질을 이용한다고 보기 어렵다고 적었다.

이후 밥콕(Babcock) 등은 트립토판 네트워크의 집단 광학 상태와 초복사(superradiance)를 계산하고, 단백질 구조가 커질수록 형광 양자수율이 증가하는 결과를 보고했다.^[9] 사후크(Sahu) 등의 실험은 정제 튜불린의 자기조립 과정에서 터널링 전류와 전자기 펌핑을 살폈다.^[15] 미세소관에서 여러 광학·전자기적 성질이 관찰된 셈이다. 살아 있는 뉴런이 그 성질을 정보처리에 쓰는지, 그 과정에서 객관적 환원이 일어나는지, 특정한 경험과 연결되는지는 이 실험들에서 측정하지 않았다.

미세소관에 대한 개입이 신경 발화와 행동을 바꾸더라도 세포 골격·수송 기능의 변화로 설명될 여지가 남는다. Orch OR의 근거로 쓰려면 그 변화 가운데 어떤 결과를 제안된 양자 과정이 설명하고, 기존 세포 기능만으로는 설명하기 어려운지를 비교할 수 있어야 한다.