옥스포드 물리학자가 설명하는 뇌를 효율적으로 사용하는 방법

https://youtu.be/HC6Zl0JDbzU

1. 뇌의 효율성과 인간의 창의성

1-1. 인간 뇌의 효율성에 대한 오해
-  인간의 뇌는 뇌 과학자들의 기대와는 달리 고루 사용되고 있음
-  각 사람마다 상황에 따라 뇌를 효율적으로 사용하는 방식이 다름
-  천재적인 성취를 이룬 사람들의 특징인 '뇌를 잘 사용하는' 습관이 있음
- (중요) 뇌를 잘 사용하면 개인의 한계를 극복하고 뇌의 잠재력을 뽑아낼 수 있음
-  파머의 카오스 이론을 통해 인간의 뇌 또한 카오스적인 면모를 가지고 있음을 설명함

1-2. 잡음의 중요성과 이를 이용한 기술
-  인간의 뇌가 잡음에 반응하는 방식을 이해하면 기술 발전에 도움이 됨
-  팀 파머의 '카오스 카오스 에브리웨어'에서 잡음의 중요성을 강조함
-  무작위 점을 찍어 원의 넓이를 추정하는 예를 통해 잡음의 효과를 설명함
-  무작위성을 이용하는 기술, 시각 데이터 압축에 대한 설명을 통해 잡음의 유용성을 보여줌
- (중요) 무작위 잡음은 중요한 정보를 파악할 수 있도록 도와주며, 그 자체로 상당한 통찰을 제공함

1-3. 인간 뇌의 에너지 소비와 시스템 1 모드
-  인간의 뇌는 초당 20와트 정도의 에너지를 사용하여 고등의 일을 처리함
-  심리학자 대니얼 카너먼은 뇌 작용을 시스템 1 모드와 시스템 2 모드로 나눔
-  시스템 1 모드는 빠르게 실행되며, 대략적인 일 처리를 추구함
-  시스템 2 모드는 하나의 문제에 집중하며, 그에 필요한 에너지를 더 많이 소비함
- (중요) 시스템 1과 시스템 2에서 뇌가 사용하는 에너지 총량은 비슷함

2. 뇌 에너지

2-1. 뇌 에너지 분산과 집중
-  시스템 1은 에너지를 분산시켜 사용, 시스템 2는 집중적으로 사용함
-  푸앙카르, 로저 펜로즈, 와일스의 사례를 통해 집중 모드 해제와 이완기의 중요성을 설명함
-  새로운 아이디어를 떠올리려면 오직 해당 문제에만 집중해야 함
-  파머의 가설을 통해 인간의 뇌는 잡음에 영향받기 쉬운 상태가 되면 더 큰 그림을 떠올리게 된다고 설명함
-  잡음 없이 명확한 논리를 사용할 때는 오류의 가능성이 높아짐

2-2. 뇌 잡음과 전압
-  인간의 뇌는 800억 개 이상의 뉴런으로 구성되어 있고, 잡음이 생기면 신호가 무작위로 방향을 바꾸어 오류의 원인이 될 수 있음
-  실리콘 트랜지스터의 전압이 약해지면 잡음에 취약해지고, 신호가 명확하지 않아 오류의 원인이 될 수 있음
-  파머는 뇌 잡음이 전압과 관련이 있다고 주장함
-  잡음으로 인해 신호가 무작위로 방향을 바꾸면, 전체적으로 보면 패턴을 만들 수 있고, 큰 그림으로 발전할 수 있음
- (중요) 잡음에 취약해지는 뉴런의 시기에 우리는 비로소 신호가 명확하게 이동할 때 보이지 않던 것을 볼 수 있게 된다고 추측할 수 있음

2-3. 아이디어 발전
-  파머는 인간의 뇌가 빠른 알고리즘을 사용하기보다 불확실성과 카오스를 이용한 시스템이 더 좋은 기능을 발휘한다고 설명함
-  뇌의 능력을 극대화하려면 쉬어야 하고, 딴짓을 하더라도 시스템 1만큼이나 시스템 2도 중요함
-  다양한 경우의 수를 계산해야 하므로 집중력이 필요하며, 뇌에 에너지 집중이 필요함
-  천재들의 사례를 보면, 팽팽 놀다가 갑자기 좋은 아이디어가 떠오른 것이 아니라, 평소에 집중해 문제를 탐구하다가 잠깐 쉴 때 혁신적인 그림을 떠올림
-  먼저 깊이 파고들며 수많은 면모들을 논리적으로 탐구한 후, 시행착오와 지식들을 모두 자양분 된 상태에서, 잡음 효과가 추가될 때 위대한 결과물을 얻었음

화자 1
00:00
인간은 뇌에 10%만을 사용한다는 말 들어보셨나요? 뇌 과학자들은 이게 사실이 아니라고 말합니다. 우리는 뇌의 모든 부분을 고루 사용하고 있다고 하죠. 하지만 모든 사람들이 다 뇌를 똑같이 효율적으로 쓰는 건 아닙니다. 각각 생활 방식 습관 학습에 따라 어떤 사람들은 아주 창의적인 생각과 훌륭한 해결책을 내놓으며 살아가지만 어떤 사람들은 진부하고 비효율적인 생각을 반복하며 살아가죠 천재들은 보통 사람들은 상상도 하지 못할 위대한 성취를 이룹니다. 그들은 그냥 타고나서 뇌를 잘 사용하는 걸까요? 물론 재능이 아주 중요하긴 하지만 그게 다는 아닙니다. 천재들은 위대한 업적을 남길 때 자주 보이는 생활 패턴이 있습니다. 만약 우리도 이걸 따라 할 수만 있다면 적어도 내가 가진 한계 안에서 뇌의 잠재력을 평소보다 훨씬 더 많이 뽑아낼 수 있을 겁니다. 지금부터 말씀드릴 내용은 카오스 카오스 에브리웨어라는 책의 내용에 기초하고 있는데요.

화자 1
00:54
이 책의 저자 팀 파머는 옥스퍼드 대학교 물리학과 교수로 노벨물리학상 수상자 로저 펜 로즈의 제자이며 지금 우리가 알고 있는 일기예보 시스템을 발전시키는 데 결정적인 공헌을 한 천재적인 학자입니다. 파마는 카오스의 이론을 바탕으로 우주를 설명하는데요. 그는 비록 뇌과학자는 아니지만, 인간의 뇌 역시 카오스적인 면모를 띠고 있으며 이를 잘 활용할 때 최대의 효율을 발휘하게 될 것이라고 주장합니다. 이는 단순히 흔한 자기계발적인 내용이 아니라 과학적이면서도 철학적인 심오한 가설을 바탕하고 있습니다. 파머의 주장을 이해하기 위해서는 먼저 잡음의 중요성에 대해 이해할 필요가 있습니다. 여러분은 원의 넓이를 어떻게 구하시나요? 수학 시간에 파이 알 제곱이라고 배우죠 우리는 파이 값을 이미 대략 알고 있기 때문에 여기에 반지름을 측정해서 제곱을 하고 곱해주면 됩니다. 이 계산 과정은 매우 깔끔합니다. 순서대로 아주 논리적으로 이뤄지죠 그런데 이와 다른 아주 신박한 방법도 있습니다.

화자 1
01:54
원에 외접하는 정사각형을 그리고 이 위에 점을 무작위로 찍습니다. 그리고 원 안에 들어간 점이 몇 개인지를 셉니다. 만약 무작위 점을 충분히 많이 찍으면 우리는 전체 점의 개수 대비 원 안에 찍힌 점의 개수의 비율을 통해 이 정사각형 대비 원의 넓이가 얼마나 되는지 대략적으로 추정할 수 있습니다. 만약 정사각형 한 변의 길이가 20이고 점 400개 중 314개가 원 안에 들어왔다면 원의 넓이는 400 곱하기 400분의 314 즉 314겠죠. 무작위 점을 많이 찍을수록 이 계산의 정확성은 더 높아집니다. 이렇게 우리는 파이의 값을 모르고도 원의 넓이를 확률적으로 구할 수 있습니다. 그런데 이 과정은 파이 알 제곱으로 계산하는 과정보다 훨씬 더 난잡합니다.

화자 1
02:43
엄청나게 많은 점을 무작위로 찍는다는 다소 마구잡이식의 과정이 들어가죠 하지만 이 마구잡이 과정이 결과적으로는 우리가 목적에 도달하도록 해줍니다. 이러한 무작위성을 이용하는 발상은 다양한 분야에서 실용적으로 활용됩니다. 파머가 소개하는 사례 중 하나는 시각 데이터 압축입니다. 만약 이렇게 각각 다른 정도의 회색 텍스트 이미지를 컴퓨터로 전달한다고 해보죠. 이 숫자들은 각각 검정색의 비율입니다. 검정색이 85%인 이미지는 거의 검정색에 가까운 아주 진한 회색이구요. 검정색이 15%에 불과한 이미지는 거의 흰색이 돼버리려고 하죠. 이 이미지들은 각각 수많은 조각들 즉 픽셀들로 이뤄져 있습니다. 그런데 한번 이 이미지를 누군가한테 전달하려고 하는데 용량이 부족해서 픽셀 안에 다양한 회색을 담지는 못하고 그저 각 픽셀당 흰색 혹은 검정색 중 하나로만 표현할 수 있다고 해보죠.

화자 1
03:39
이때 만약 기존 이미지의 검정색 비율에 따라 반올림해서 모든 픽셀의 색을 일률적으로 선택해 버리면 검정색 비율이 50%가 넘는 글자들은 아예 검정색이 돼버리구요. 검정색 비율이 50% 미만인 글자들은 그냥 흰색이 돼버립니다. 뭔가 정보가 전달되긴 했는데 소실된 게 너무 많죠 지금 우리가 회색을 만들어낼 수가 없고 검정색과 흰색 중에 하나만 쓸 수가 있다 보니까 그냥 좀 찐하면 검정 글자로 만들어 버리거나 좀 옅으면 흰 글자로 만들어 버리거나 이 둘 중 하나밖에 선택을 못 하는 겁니다. 이를 해결할 수 있는 방법이 바로 무작위적인 잡음을 이용하는 겁니다. 예를 들어서 30% 이미지를 전달한다고 했을 때 그에 대응하는 0과 1 사이의 분수를 무작위로 생성합니다. 그 다음 만약 해당 픽셀의 분수가 0.3보다 크면 픽셀 값을 흰색으로 설정하고 0.3보다 작으면 검정색으로 설정합니다.

화자 1
04:36
이렇게 하면 어차피 픽셀의 수가 충분히 많기 때문에 전체에서 대략적으로 30% 정도는 검정색으로 설정되고 나머지는 흰색으로 설정됩니다. 그 결과 옅은 회색을 띠는 이미지를 전달할 수 있죠. 나머지 이미지들도 마찬가지의 과정을 거치면 완벽하지는 않지만 그래도 꽤 괜찮게 표현됩니다. 이 사례는 아주 중요한 통찰을 담고 있습니다. 만약 애초에 컴퓨터 성능이 더 좋고 에너지가 더 풍부해서 각 픽셀의 정보를 더 많이 넣을 수 있으면 픽셀마다 검정색과 흰색 비율을 적절히 섞어서 더 미세한 회색을 표현하면 되죠. 이게 당연히 제일 정확도가 높게 이미지를 표현하는 방법입니다. 하지만 현실에서는 언제나 하드웨어에 제약이 있기 마련입니다. 만약 컴퓨터로 다른 복잡한 일을 많이 처리해야 되는 나머지 지금 이 그림에 투입할 수 있는 여력이 적다면 픽셀당 검정색과 흰색 중 하나만 선택해야 할 수도 있죠.

화자 1
05:32
이때 만약 일률적인 방식으로 정보를 압축해서 전달할려고 하면 모 아니면 도 중 하나만 선택하는 과정에서 정보가 상당 부분 잘려 나갈 수 있습니다. 반면, 잡음을 추가해서 모 아니면 도식의 깔끔한 선택이 아닌 확률적으로 난잡한 형태를 만들어주면 오히려 정보를 우리가 알아볼 수 있는 형태로 살릴 수 있습니다. 한번 직소 퍼즐에서 피스의 50%를 없애야 한다고 해보죠. 이때 만약 그냥 깔끔하게 선을 그어서 절반을 없애면 전체 그림의 절반은 우리가 아예 인식할 수 없게 돼버립니다. 반면, 무작위로 50%의 퍼즐 조각들을 없애면 전체 그림의 윤곽을 여전히 알 수 있죠. 자 이제 무작위적인 잡음의 유용성에 대해 살펴봤으니 다시 우리 뇌에 대한 이야기로 돌아가 보겠습니다. 인간의 뇌는 초당 20와트 정도의 전력에 해당하는 에너지를 사용하는 일종의 기계입니다. 이 전력 소비량은 놀라운 일입니다. 슈퍼컴퓨터는 초당 2천만 와트 이상을 사용하기도 하는데요.

화자 1
06:30
이와 비교해 인간의 뇌는 사실상 공짜에 가깝게 적은 에너지만을 쓰는 겁니다. 그럼에도 불구하고, 뇌는 아주 효율적으로 고등적인 일을 처리하죠. 그 어떤 컴퓨터로도 못하는 일을 해낼 때도 많습니다. 심리학자 대니얼 카너먼은 뇌 작용이 시스템 1 모드와 시스템 2 모드로 나뉜다고 봅니다. 시스템 1은 평상시 대부분 시간에 켜져있는 모드로 느슨하게 여러 가지 일들을 동시에 처리합니다. 우리는 평상시 거의 항상 멀티태스킹을 하고 있습니다. 밥 먹으면서 유튜브 영상을 보고 동시에 테이블을 청소하기까지 하죠. 길을 걸을 때도 단지 걷기만 하는 게 아니라 핸드폰을 보거나 차 소리를 듣고 있습니다. 이런 시스템 1 모드는 특별한 노력을 기울이지 않아도 빠르게 실행되며 완성도보다는 대략적인 일 처리를 추구합니다. 반면, 시스템 2는 하나의 작업에 집중하는 모드입니다. 누군가 어려운 문제를 냈을 때 그걸 맞추기 위해 골똘히 생각할 경우 눈을 감을 때도 있고 심지어 귀를 막을 때도 있습니다.

화자 1
07:28
최대한 주변에서 들려오는 모든 정보를 차단하고 뇌의 모든 에너지를 오로지 한 가지 문제에만 집중시키려 하죠. 흥미롭게도 시스템 1과 시스템 2에서 뇌가 사용하는 에너지 총량은 비슷하다고 합니다. 한 가지에 집중한다고 해서 에너지를 더 쓰는 건 아니라는 거죠. 다만 시스템 1에서는 에너지를 분산시켜서 사용하며 시스템 2에서는 비교적 집중적으로 사용합니다. 그런데 천재들이 위대한 발상을 하는 순간을 보면 뜻밖에도 시스템 2가 아닌 시스템 1모드에 있을 때도 많습니다. 전설적인 수학자 푸앤카르는 일 때문에 먼 도시로 이동하던 중 버스를 갈아타던 도중에 갑자기 자신의 인생을 뒤바꿀 혁신적인 수학적 아이디어를 떠올렸습니다. 노벨 물리학상 수상자 로저 펜로즈는 동료 연구자와 수학 이야기를 나누며 걷다가 횡단보도를 건너기 위해 잠시 대화를 멈췄습니다.

화자 1
08:23
그런데 갑자기 그 순간 훗날 자신의 주된 업적의 기초가 된 결정적인 아이디어가 불현듯 떠올랐습니다. 20세기의 가장 뛰어난 수학자 중 한 명인 와일스는 이렇게 말했습니다. 새로운 아이디어를 떠올리려면 꽤 긴 시간 동안 곁길로 세지 말고 오직 그 문제에만 집중해야 한다. 다른 생각일랑 죄다 접어두고 마치 이 세상에 수학 문제가 그것 하나밖에 없다는 마음가짐으로 집중 또 집중하는 것이다. 그러다가 어느 순간 집중 모드를 해제하고 휴식을 취하면 일종의 이완기가 찾아온다 바로 그 시기에 새로운 통찰이 떠오른다. 이 세 천재는 모두 시스템 1에 들어섰을 때 가장 훌륭한 아이디어를 떠올렸습니다. 뇌 에너지가 분산됐을 때 오히려 더 좋은 생각을 하게 된 건데요. 이 독특한 현상에 대해 파머는 흥미로운 가설을 하나 제시합니다. 그건 바로 인간의 뇌는 잡음에 영향받기 쉬운 상태가 됐을 때 오히려 더 효과적으로 큰 그림 거시적인 해결책을 떠올리게 된다는 겁니다.

화자 1
09:23
잡음 없이 깔끔한 논리를 사용할 때는 퍼즐 절반이 날라가서 하나의 아이디어로 묶이질 못한다면, 잡음이 생겼을 때 오히려 퍼즐 전체 윤곽이 보이는 거죠. 파머의 생각에 따르면 뇌 잡음은 전압과 관련이 있습니다. 원래 컴퓨터에서도 실리콘 트랜지스터에 걸리는 전압이 약해지면 열 잡음에 취약해집니다. 신호가 명확히 전달되지 않을 확률이 올라가서 오류의 원인이 되죠. 뇌도 이와 마찬가지입니다. 인간의 뇌는 800억 개 이상의 뉴런으로 구성되어 있으며 감각기관을 통해 정보가 들어오면 축삭돌기를 통해 전달됩니다. 그런데 축삭돌기는 길이가 꽤 길기 때문에 신호가 끝까지 잘 전달되려면 중간에 증폭기 역할을 하는 트랜지스터들이 꼭 필요합니다. 트랜지스터들은 단백질로 이뤄져 있죠. 주변의 전기 신호를 민감하게 감지해서 더 큰 신호로 바꾸는 역할을 합니다. 그런데 여기에 걸리는 전압이 약해지면 주변의 잡음에 영향을 받아서 무작위한 신호를 내보낼 수가 있습니다.

화자 1
10:21
이게 하나의 정보 전달 경로만 기준으로 보면 오류가 생기는 겁니다. 하지만 뇌에는 이런 정보들이 엄청나게 많이 동시에 이동하고 있으므로 전체적으로 보면 오히려 무작위성이 어떤 패턴을 만들어내는 데 기여하면서 하나의 큰 그림으로 발전할 수가 있다는 겁니다. 그런데 우리 뇌에 걸리는 전압이 약해지는 때가 언제였죠 전체적인 전압은 20와트 정도로 비슷하게 유지되지만 시스템 1 모드에 들어서면 하나의 일에 할당되는 에너지가 줄어든다고 했죠. 그렇다면 바로 이때가 뉴런들이 잡음에 취약해지는 때이며 이때 우리는 비로소 신호가 깔끔하게 이동할 때는 보이지 않던 것을 볼 수 있게 되는 거라고 추측할 수 있습니다. 파머는 여기에 진화 심리학적인 가설을 보태기도 합니다. 뉴런의 직경이 작으면 주변의 잡음에 취약해지고, 전기 신호의 이동 속도 또한 느려집니다.

화자 1
11:14
이게 빠르고 명확하게 포식자를 피해야 하는 환경에서는 오히려 생존에 더 불리할 겁니다. 반응 속도가 느려지니까요? 하지만 인간은 집단 생활을 하면서 신체의 속도가 빠르지 않아도 포식자에 대항할 수 있게 됐습니다. 이런 상황에서는 가느다란 뉴런을 많이 발달시켜서 잡음의 시너지를 만들어내는 게 오히려 새로운 아이디어를 떠올리는 능력을 강화함으로써 진화에 더 유리하게 작용했을 수 있습니다. 확실성과 정확한 규칙에 기초한 빠른 알고리즘 기계보다 불확실성과 카오스를 이용한 시스템이 더 좋은 기능을 발휘할 때가 있다는 거죠. 네 결론을 말씀드리자면 뇌의 능력을 최대한으로 활용하려면 쉬어야 합니다. 일에 너무 집중하는 게 아니라 때로는 느슨하게 딴짓을 해야 한다는 거죠. 그렇다고 딴짓만 하면 안 됩니다. 시스템 1만큼이나 당연히 시스템 2도 매우 중요한 역할을 합니다.

화자 1
12:08
아무리 쉬는 도중 그럴 듯한 좋은 아이디어가 떠올라도 그게 정말 현실에서 유효한지 엄밀하게 검증하기 위해서는 고도의 집중력을 발휘해 다양한 경우의 수를 계산해야 합니다. 그럴 때는 뇌에 에너지 집중이 필요하죠. 그리고 천재들의 사례를 보면 그냥 팽팽 놀다가 갑자기 좋은 아이디어가 떠오른 게 아니에요. 그보다 평상시에 엄청나게 집중해서 문제를 탐구하다가 잠깐 쉴 때 갑자기 혁신적인 그림을 떠올린 겁니다. 즉 먼저 한 문제를 깊이 파고들면서 수많은 면모들을 논리적으로 충분히 탐구한 후에 그런 여러 시도를 통해 얻은 시행착오와 그동안 얻은 지식들이 모두 자양분이 된 상태에서 거기에 잡음 효과가 추가될 때 위대한 결과물을 얻었다는 거죠.

화자 1
12:54
그러니까 괜히 이 영상 보시고 아 나는 많이 쉬어야겠다 라고 생각하시기보다는 먼저 열심히 노력한 후 중간중간 꼭 쉬는 시간을 충분히 가지고 그때 얻는 아이디어들을 적극적으로 활용해야겠다라고 마음을 먹으시는 게 뇌의 잠재력을 가장 많이 발휘하시는 길일 겁니다.