피니어스 게이지: 전두엽을 잃은 남자

1848년 9월 13일 오후 네 시 반이 조금 지난 때, 버몬트주 캐번디시 인근 운모편암 비탈에서 러틀랜드 앤드 벌링턴 철도가 암반을 뚫어 새 노선을 내고 있었다. 발파 작업반의 반장은 피니어스 게이지라는 스물다섯 살의 청년이었는데, 누구에게 물어도 유능하고 호감 가는 사람이었다고 한다. 그는 갓 뚫은 구멍에 장약을 준비하고 있었다. 화약을 부어 넣고 이를 다지기 위해 그는 자신이 직접 고안한 다짐쇠를 사용했다. 길이 약 1.1미터, 가장 굵은 부분의 지름 3.2센티미터, 무게는 대략 6킬로그램에 이르는 끝이 뾰족하게 가늘어지는 막대였다. 구멍 위로 몸을 숙이는 순간 그는 막대가 암반을 긁게 만들었다. 불꽃이 튀었고, 화약이 예정보다 빨리 터졌으며, 막대는 투창처럼 위로 솟구쳐 올랐다.

쇠막대는 게이지의 왼쪽 광대뼈 아래로 들어가 왼쪽 눈 뒤를 지나 뇌의 앞부분을 뚫고 들어간 뒤 두개골 꼭대기로 터져 나와 25미터쯤 떨어진 흙바닥에 떨어졌다. 어떤 합리적인 기준으로 보아도 그는 땅에 쓰러지기도 전에 죽었어야 했다. 그러나 그는 몇 분 만에 의식을 되찾았고, 말을 했으며, 부하들에게 의사를 불러 달라고 했다. 몇 주가 지나자 모든 예상을 뒤엎고 상처가 아물기 시작했고, 게이지는 그 뒤로 12년을 더 살게 된다. 찰나의 순간에 인간의 전두엽이 과학에 읽을 수 있는 대상이 된 것이다.

이 글은 그 사고가 무엇을 드러냈는지에 관한 이야기이며, 그에 못지않게 중요한, 무엇을 드러내지 않았는지에 관한 이야기이기도 하다. 게이지를 다룰 때 우리는 깔끔한 우화로 정리하고 싶은 유혹에 빠진다. 머리에 뚫린 구멍 하나 때문에 선한 사람이 괴물로 변했다는 식의 이야기 말이다. 진실은 그보다 더 신중하고 더 흥미로우며, 현대 신경과학의 핵심 질문, 곧 뇌의 앞부분이 실제로 무슨 일을 하는지, 그리고 우리가 그것을 어떻게 측정하게 되었는지로 이어진다.

철도 작업반장과 6킬로그램짜리 투창

캐번디시 사고의 물리적 사실들은 당시로서는 이례적으로 잘 기록되어 있는데, 사례가 워낙 충격적이어서 의사들이 기록을 남길 수밖에 없었다는 점도 한몫했다. 그를 치료한 의사 존 마틴 할로는 게이지가 살아 있는 동안 내내 그를 돌보았고 가장 신뢰할 만한 당대의 기록을 남겼다. 쇠막대는 얼굴 왼쪽 아래로 들어가 전두골을 통해 위쪽으로 빠져나갔으며, 이는 그 경로가 뇌의 앞부분을 좌우 양쪽으로 관통했다는 뜻이다. 손상이 가장 심한 곳은 왼쪽이었다.

생존이 그토록 놀라운 까닭은 게이지가 단지 외상을 견디고 살아남았기 때문만이 아니라, 그가 말하는 능력, 기억력, 걷고 손으로 일하는 능력, 그리고 주변 사람들을 알아보는 능력을 모두 유지했기 때문이다. 우리가 흔히 한 사람을 제 기능을 하는 존재로 만들어 준다고 여기는 능력들 가운데 잃어버린 것은 하나도 없었다. 그는 여전히 산수를 할 수 있었고, 자신의 과거를 떠올릴 수 있었으며, 대화를 이어 갈 수 있었다. 손상은 뇌의 한 부분에 집중되어 있었는데, 알고 보니 그 부분이 하는 일은 언어나 운동, 감각보다 눈으로 보기도, 검사하기도 더 까다로운 것이었다.

오랫동안 이 사례는 거의 전적으로 할로의 기록과, 결국 하버드의 워런 해부학 박물관으로 옮겨진 게이지의 보존된 두개골에 의존했다. 들쭉날쭉한 출구 구멍이 난 그 두개골은 옆에 전시된 쇠막대와 함께 의학사에서 가장 유명한 유물 중 하나가 되었다. 그러나 두개골은 뇌가 아니며, 거의 한 세기 반 동안 그 누구도 쇠막대가 실제로 어떤 구조를 파괴했는지 정확히 말할 수 없었다.

쇠막대의 경로를 재구성하다

그 상황은 1994년에 바뀌었다. 한나 다마지오가 이끄는 연구진은 토머스 그라보스키, 랜들 프랭크, 앨버트 갈라버다, 안토니오 다마지오와 함께 게이지의 보존된 두개골을 정밀하게 측정하고 이를 삼차원으로 모델링한 뒤, 한때 그 안을 채웠던 뇌를 통과한 다짐쇠의 가장 유력한 궤적을 재구성했다. 그들은 그 결과를 학술지 *사이언스(Science)*에 발표했으며, 이는 생생한 일화를 해부학적 증거에 가까운 무언가로 탈바꿈시켰다는 점에서 지금까지도 기념비적인 연구로 남아 있다.

재구성 결과는 손상이 배안쪽 앞이마겉질(ventromedial prefrontal cortex), 곧 뇌 앞부분의 아래쪽이자 가운데에 해당하는 영역에 집중되어 있음을 보여 주었다. 좌우 양쪽이었으나 왼쪽이 더 심했다. 이 점이 중요한 이유는, 그 무렵 배안쪽 앞이마겉질이 다른 환자들과 다른 방법들을 통해 사회적 행동, 정서 조절, 의사 결정과 독립적으로 연관 지어져 있었기 때문이다. 사고가 일어난 지 한 세기가 넘어, 게이지의 사례는 앞이마겉질이 인격과 사회적 처신, 그리고 신경과학자들이 실행 기능이라 묶어 부르는 능력의 묶음을 관장한다는 발상의 토대를 이루는 병변 기반 증거가 되었다.

이런 결과가 무엇을 입증할 수 있고 무엇을 입증할 수 없는지 잠시 짚어 볼 가치가 있다. 살아 있는 뇌를 영상으로 찍은 것이 아니라 두개골로부터 재구성한, 단 한 사람의 단 하나의 병변은 결정적이라기보다 시사적이며, 다마지오 연구진도 그 점에 신중했다. 이 재구성의 가치는 후속 연구자들이 올바른 영역을 향하도록 길을 가리켜 주었고, 더 깨끗하고 더 현대적인 사례들에서 이미 떠오르고 있던 양상에 들어맞았다는 데 있다. 게이지가 전두엽 이론을 증명한 것은 아니다. 그는 그 이론의 문을 연 사람이었다.

뇌의 앞부분은 실제로 무슨 일을 하는가

그렇다면 쇠막대가 손상시킨 그것, 실행 기능이란 무엇인가? 그것은 하나의 작용이 아니라 앞이마겉질이 조율하는 서로 연관된 작용들의 한 무리다. 발달심리학자 어델 다이아몬드는 2013년 *심리학 연례 평론(Annual Review of Psychology)*에 실린 영향력 있는 논평에서, 이 분야를 네 가지 핵심 능력을 중심으로 정리했다. 각 능력은 뇌 앞부분에 주된 해부학적 닻을 두고 있으며, 적어도 부분적으로는 전용 실험실 과제를 통해 측정할 수 있다.

첫째는 작업 기억(working memory), 곧 정보를 머릿속에 붙들어 두고 조작하는 능력이다. 펜을 집으러 손을 뻗는 동안 전화번호를 머릿속에 담아 두는 데 쓰는 정신적 메모장이다. 둘째는 억제 통제로, 자동적이거나 솔깃한 반응을 억누르고 더 적절한 반응을 택하는 능력이다. 머릿속에 떠오른 첫 번째 말을 불쑥 내뱉지 않게 해 주는 것이 바로 이것이다. 셋째는 인지적 유연성으로, 상황이 변함에 따라 규칙이나 관점, 전략을 갈아탈 수 있는 능력이다. 넷째는 계획 능력으로, 이 능력들을 미래의 목표를 향해 동원하는 것이다. 읽기, 일, 우정, 자기 통제는 모두 이 조용한 기계 장치에 기대고 있으며, 바로 그렇기 때문에 그것을 잃어도 가벼운 진찰로는 알아채기가 그토록 어렵고, 길게 보면 한 사람의 삶에 그토록 치명적인 것이다.

앞이마겉질 안의 두 영역이 이 일의 상당 부분을 담당하며, 둘은 서로 협력한다. 브로드만 영역 9번과 46번에 해당하는 등가쪽 앞이마겉질은 작업 기억과 계획의 대표적인 자리다. 그 역할은 퍼트리샤 골드먼라키치가 지연 반응 과제로 수행한 실험에서 거의 세포 단위로 입증되었는데, 동물이 기억한 위치를 머릿속에 붙들고 있어야 하는 그 몇 초 동안 개별 신경세포들이 계속 발화했다. 한편 브로드만 영역 24번과 32번에 해당하는 앞띠겉질은 갈등 감시자 역할을 하는데, 이 역할은 2001년 *심리학 평론(Psychological Review)*에 실린 매슈 보트비닉과 동료들의 논문에서 공식화되었다. 분업은 명료하다. 앞띠겉질은 두 반응이 경쟁하고 있음을 감지하고, 그 갈등을 올바른 쪽으로 풀어 주도록 등가쪽 앞이마겉질을 동원한다.

앞이마겉질이 일하는 현장을 포착하는 검사들

실행 기능은 보통의 관찰로는 보이지 않기 때문에, 신경과학은 그것이 스스로 모습을 드러내게 만드는 영리한 과제들을 개발해 왔다. 가장 유명한 것은 1935년 J. 리들리 스트룹이 고안한 색-단어 간섭 과제다. 색깔 잉크로 인쇄된 색깔 단어를 보여 주고 단어를 읽는 대신 잉크의 색깔을 말하라고 한다. 일치 시행에서는 이것이 아주 쉽지만, RED라는 단어가 파란색 잉크로 인쇄된 불일치 시행에서는 읽으려는 자동적 습관이 부여받은 과제와 충돌하면서, 측정 가능할 만큼, 보통 100에서 200밀리초가량 느려진다. 그 작은 지연이 바로 실행 통제의 대가이며, 앞띠겉질이 갈등을 표시하고 등가쪽 앞이마겉질이 읽기 반사를 억누르는 데 걸리는 시간이다.

두 번째 고전적 검사는 위스콘신 카드 분류 검사로, 1948년 그랜트와 버그가 도입하고 1970년대와 1980년대에 히턴이 다듬었다. 참가자들은 한 번도 알려 주지 않은 규칙, 가령 색깔이나 모양, 숫자 같은 기준에 따라 카드를 분류하는데, 카드를 한 장씩 낼 때마다 주어지는 피드백만으로 규칙을 알아내야 한다. 한 번 올바르게 열 차례 연속으로 분류하고 나면, 규칙이 예고 없이 바뀐다. 건강한 참가자들은 그 변화를 알아채고 적응한다. 전두엽이 손상된 환자들은 보속증이라 불리는 특징적인 실패를 보이는데, 피드백이 이제 틀렸다고 거듭 거듭 알려 주는데도 옛 규칙대로 계속 분류한다. 이 검사는 인지적 경직성을 눈에 보이게 만들며, 앞이마겉질 손상을 침상에서 식별하는 표준적 징표 중 하나가 되었다.

이런 과제들 뒤에는 뇌가 도대체 언제 자신의 실행 기계 장치를 가동하는가에 관한 더 폭넓은 이론이 자리한다. 신경심리학자 팀 섈리스는 1986년 도널드 노먼과의 공동 연구를 토대로, 1988년 저서 *신경심리학에서 정신 구조로(From Neuropsychology to Mental Structure)*에서 이 발상을 온전히 펼치며 두 체계를 구분했다. 일상적이고 충분히 익숙해진 행동은 그가 경합 조정이라 부른 것, 곧 감독이 필요 없는 자동적 행위 선택 과정 위에서 돌아간다. 익숙한 길을 따라 당신을 집까지 데려다주는 자동 조종 장치다. 반면 계획하고, 문제를 해결하고, 오류를 바로잡아야 하는 새로운 상황은 감독 주의 체계, 곧 앞이마겉질에 자리한 실행 감독관을 불러낸다. 이 관점에서 보면, 게이지의 쇠막대는 일상의 절차가 아니라 그 감독관을 손상시킨 것이다.

괴물이 된 남자라는 신화

바로 여기서 신중한 판본의 이야기가 대중적 판본과 뚜렷이 갈라진다. 대부분의 사람들이 피니어스 게이지에 대해 품고 있는 이미지는, 부상으로 인해 회복 불가능한 짐승으로 변해 버린 점잖은 남자, 곧 욕설을 일삼고 믿을 수 없으며 순식간에 만들어진 교과서적 정신병질자의 이미지다. 그 이미지는 할로가 실제로 보고한 내용을 과장하고, 군데군데에서는 그저 왜곡한다. 게이지가 변했다는 데에는 의심의 여지가 없다. 그의 친구들이 그를 "더 이상 게이지가 아니다"라고 여겼다는 할로의 유명한 구절은 기질과 사회적 처신에 일어난 실제로 의미 있는 변화를 반영한다. 그러나 변화가 곧 파멸은 아니다.

사고 이후의 세월 동안 게이지는 일했고, 그것도 단순 노동에만 그치지 않았다. 1852년부터 1859년까지 그는 칠레에서 역마차 마부로 일했는데, 이는 말을 다루고 일정을 지키며 승객과 돈을 관리하고 긴 노선 내내 다른 이들과 협력해야 하는 고된 직업으로, 그 어느 것도 계획하거나 자기 조절을 할 수 없는 사람이 할 수 있는 일이 아니다. 역사학자 맬컴 맥밀런은 2000년 저서 *기이한 종류의 명성(An Odd Kind of Fame)*에서, 흔히 할로의 기록을 한 번도 읽지 않은 저자들에 의해 이 사례가 한 세기 반에 걸쳐 어떻게 꾸준히 과장되어 왔는지를 추적했다. 맥밀런은 또한 게이지가 시간이 흐르며 사회적 기능을 어느 정도 회복했을지도 모른다는 흩어진 단서들을 모았는데, 이는 손상 이후 뇌가 지닌 적응 능력에 관해 우리가 지금 알고 있는 바와 들어맞는다.

이 바로잡기는 두 가지 이유에서 중요하다. 첫째는 지적 정직성이다. 실제 인물은 편리한 경고성 우화로서가 아니라 있는 그대로 기억될 자격이 있다. 둘째는 과학적 정확성이다. 전두엽이 도덕적 성품의 고정된 자리를 품고 있어 그것이 순식간에 영구히 파괴되었다고 말하는 이야기는 신경과학을 그릇되게 전한다. 앞이마겉질은 정도에 따라 손상될 수 있고, 한 사람의 나머지 삶이나 습관과 상호 작용하며, 때로는 부분적으로 회복될 수도 있는 능력들을 떠받친다. 역마차가 등장하는 너저분한 이야기, 곧 게이지의 진짜 이야기는 그 어떤 신화보다 더 많은 것을 가르쳐 준다.

핵심 정리

1848년 9월 13일 캐번디시에서 일어난 사고, 곧 1.1미터짜리 다짐쇠가 피니어스 게이지의 두개골과 뇌의 앞부분을 관통한 그 사고는, 한 사람이 이 영역을 잃고도 말과 기억과 운동을 유지하면서 더 미묘한 방식으로 변할 수 있음을 보여 줌으로써 전두엽에 대한 과학적 연구의 문을 열었다. 한나 다마지오와 동료들은 1994년 사이언스(Science) 재구성에서 손상을 배안쪽 앞이마겉질로 국재화하여, 게이지를 앞이마겉질이 인격과 사회적 처신과 실행 기능을 관장한다는 발상의 토대를 이루는 병변 사례로 만들었다. 실행 기능은 작업 기억과 억제 통제, 인지적 유연성, 계획으로 이루어진 작용들의 한 무리로, 주로 작업 기억과 계획을 담당하는 등가쪽 앞이마겉질과 갈등 감시를 담당하는 앞띠겉질에 닻을 두고 있으며, 이 둘은 서로 협력하여 앞띠겉질이 경쟁하는 반응들을 감지하면 등가쪽 겉질을 동원해 그것을 풀어낸다. 이러한 능력들은 스트룹의 1935년 색-단어 간섭 검사와 1948년 위스콘신 카드 분류 검사 같은 과제를 통해 눈에 보이게 되며, 일상적 경합 조정과 앞이마겉질의 감독 주의 체계를 구분한 섈리스의 이론으로 정리된다. 그리고 마지막으로, 게이지를 순식간에 회복 불가능하게 된 정신병질자로 그리는 대중적 이미지는 할로의 기록을 과장한 것이다. 게이지는 1852년부터 1859년까지 칠레에서 역마차 마부로 일했고, 맥밀런의 *기이한 종류의 명성(An Odd Kind of Fame)*이 기록하듯 이 사례는 증거를 훌쩍 넘어 신화화되어 왔기 때문이다.