우주와 뇌의 놀라운 공통점: 우리는 작은 우주를 품고 있다

우주와 뇌의 놀라운 공통점: 우리는 작은 우주를 품고 있다

지구 너머 저 멀리, 수천억 개의 은하가 모여 만든 거대한 우주의 모습과 우리 머릿속 복잡한 뇌의 구조가 놀라울 정도로 닮았다면 믿으시겠어요? 이는 단순한 상상이 아니라, 최신 과학 연구가 밝혀내고 있는 흥미로운 사실입니다. 광활한 우주와 우리 뇌 사이에 존재하는 놀라운 공통점은 우리가 우주를 이해하는 방식, 그리고 우리 자신을 이해하는 방식에 새로운 관점을 제시합니다.


오늘 지식의 우주에서는 우주와 뇌의 신비로운 연결고리, 그 공통점과 이를 뒷받침하는 최신 연구들을 쉽고 재미있게 파헤쳐 보겠습니다.

우주와 뇌의 놀라운 공통점: 우리는 작은 우주를 품고 있다

거대한 그물망, 우주와 뇌의 구조적 유사성

마치 잘 짜인 그물처럼, 우주는 수많은 은하가 필라멘트(가는 실) 형태로 연결된 거대 구조(cosmic web)를 이루고 있습니다. 은하들은 이 필라멘트를 따라 분포하며, 필라멘트들이 만나는 지점에는 거대한 은하단이 밀집해 있죠. 놀랍게도 우리 뇌 속 신경세포, 즉 뉴런의 연결망도 이와 매우 유사한 모습을 보입니다.

• 우주 거대 구조: 수천억 개의 은하가 중력에 의해 서로 끌어당기며 형성된 거대한 네트워크입니다. 은하들은 가는 실처럼 분포하고, 그 교차점에 은하단이 존재합니다.

• 뇌 신경망: 약 860억 개의 뉴런이 서로 복잡하게 연결된 네트워크입니다. 뉴런 세포체에서 뻗어 나온 축삭돌기와 수상돌기가 서로 신호를 주고받으며 거대한 망을 형성합니다.

이 두 구조는 언뜻 보기에도 비슷해 보이지만, 과학자들은 여기서 더 나아가 정량적인 분석을 통해 깊이 있는 공통점을 발견했습니다.

숫자로 증명된 놀라운 평행이론

2020년, 이탈리아의 천체물리학자 프랑코 바차와 신경외과 의사 알베르토 펠레티는 국제 학술지 프런티어 인 피직스(Frontiers in Physics)에 매우 흥미로운 연구 결과를 발표했습니다. 이들은 우주 거대 구조 시뮬레이션과 실제 인간의 소뇌 및 대뇌 피질 단면을 비교 분석하여, 두 시스템이 단순한 외형적 유사성을 넘어 수학적으로도 닮아있다는 사실을 밝혀냈습니다.

구성 성분의 비율

연구에 따르면, 우주와 뇌는 그들을 구성하는 물질의 비율 면에서 놀라운 공통점을 보입니다.

• 우주의 약 70%는 암흑 에너지, 약 25%는 암흑 물질로 채워져 있으며, 우리가 관측 가능한 은하와 같은 일반 물질은 약 5%에 불과합니다.

• 인간의 뇌 역시 약 77%가 물로 이루어져 있습니다. 즉, 두 시스템 모두에서 활발하게 상호작용하는 핵심 요소(은하와 뉴런)가 차지하는 비중은 약 30% 미만이고, 나머지는 비교적 수동적인 역할을 하는 요소(암흑 에너지와 물)가 대부분을 차지한다는 공통점이 있습니다.

우주의 약 70%는 암흑 에너지, 약 25%는 암흑 물질로 채워져 있으며, 인간의 뇌 역시 약 77%가 물로 이루어져 있습니다.

네트워크의 구조적 특징

연구팀은 두 네트워크의 구조적 특징을 비교 분석했습니다. 스펙트럼 밀도 분석이라는 방법을 통해 물질이 뭉쳐 있는 정도를 파악한 결과, 서로 다른 규모임에도 불구하고 물질 분포의 패턴이 매우 유사하게 나타났습니다. 또한 각 마디(node)에 연결된 필라멘트나 신경 연결 수를 비교했을 때, 네트워크의 연결성 측면에서 흥미로운 공통점이 발견되었습니다.

• 우주 거대 구조 : 마디인 은하단에는 평균 약 3.8개에서 4.1개의 필라멘트가 연결돼 있는 것으로 관측되고 있습니다.

• 인간 뇌의 신경망 : 인간 뇌의 하나의 뉴런은 평균적으로 약 수천 개(대략 1,000~10,000개)의 시냅스를 통해 다른 뉴런과 연결됩니다. 특히 피질에서의 국소적인 연결망을 살펴보면 일부 뉴런은 수십 개 내외의 인접 뉴런과 강하게 연결되기도 하며, 이는 필라멘트로 연결된 은하의 모습과 유사한 구조적 패턴을 보여줍니다.

왜 이렇게 닮았을까?

우주와 뇌가 이토록 닮은 이유는 무엇일까요? 아직 명확하게 밝혀진 바는 없지만, 몇 가지 가설을 생각해 볼 수 있습니다. 복잡계(complex system) 과학에서는 전혀 다른 시스템이라도 충분히 복잡하고 여러 요소가 상호작용하는 네트워크를 형성할 때, 유사한 패턴과 구조가 자연스럽게 나타날 수 있다고 설명합니다.


즉, 은하들이 중력으로 서로를 끌어당기며 거대한 구조를 만들어가는 과정과, 뉴런들이 전기적 신호를 주고받으며 효율적인 정보 전달망을 구축하는 과정이 네트워크 형성이라는 동일한 물리적 원리를 따르기 때문일 수 있다는 것입니다. 이는 자연이 가장 효율적인 방식으로 구조를 만들어나가는 과정에서 나타나는 일종의 수렴 진화와도 같다고 볼 수 있습니다.


물론, 이러한 유사성이 우주가 거대한 생명체의 뇌라거나, 우리 뇌가 작은 우주라는 식의 비약으로 이어지는 것은 경계해야 합니다. 형성 과정과 기본 원리가 명백히 다르기 때문입니다. 하지만 이 흥미로운 공통점은 우주와 생명, 그리고 정보를 처리하는 시스템의 본질에 대해 우리가 아직 모르는 깊은 연결고리가 있을 수 있음을 암시합니다.

전혀 다른 시스템이라도 충분히 복잡하고 여러 요소가 상호작용하는 네트워크를 형성할 때, 유사한 패턴과 구조가 자연스럽게 나타날 수 있다

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지식의 우주 코멘트

마치 프랙탈처럼, 서로 다른 규모에서 반복되는 패턴을 보여주는 우주와 뇌의 관계는 정말 신비롭지 않나요? 우리가 밤하늘의 별을 보며 느끼는 경이로움이, 어쩌면 우리 자신 속에 있는 또 다른 우주를 들여다보는 것과 같은 행위일지도 모른다는 상상을 하게 됩니다.


이 연구는 천문학과 신경과학이라는 전혀 다른 분야의 만남이 얼마나 창의적이고 새로운 발견을 이끌어낼 수 있는지를 보여주는 좋은 예시입니다. 앞으로 두 분야의 협력 연구가 우주와 인간의 가장 근본적인 비밀을 푸는 열쇠가 될 수 있기를 기대해 봅니다.