눈 탐험

어느 여름 날, 출판사 홈페이지 자유게시판에 원고를 봐달라는 글이 올라와 있었다. 파일에는 원고의 차례와 함께 자기소개 글이 실려 있었다. 그 글에 따르면, 모 대학 전자전기공학과에 입학한 뒤 군대 말년에 자기 존재에 대한 잡념에 빠져 고민하다가 뇌 과학을 파보기로 결정, 의공학과 대학원에 진학한 뒤 뇌파를 이용하여 생각만으로도 컴퓨터를 조작하는 장치(BCI)에 대한 개발 연구를 시작으로 기능성 자기공명 영상(fMRI) 실험을 거쳐 본격적인 뇌 연구를 해야겠다는 부푼 기대로 뇌과학연구소에 입사, 드디어 시각과 관련한 여러 fMRI 연구를 진행하다가 우여곡절 끝에 fMRI가 아닌 신경다발 MRI 뇌해부연구 의과학박사 학위를 취득, 현재 관련 연구를 진행하고 있다는 것. 결론은 어설픈 공학도가 뇌과학연구소에 와서도 결국 공학 일을 하고 있던 중, 그동안 틈틈이 생각하고 쓴 글들을 책으로 내보려고 한다는 내용이었다.
재기발랄한 자기소개 글이 묘한 흥미를 끌었고, 원고 또한 ‘눈’이라는 소재를 제법 흥미롭게 풀어나가는 매력이 있었다. 한편으론, 자신이 무엇에 흥미를 느끼고 좋아하는지를 끊임없이 찾고 또 시도해온 그의 이력으로 보건대, ‘눈’이라는 단순한 소재를 나름의 시각으로 버무려내지 않았을까 하는 기대감이 컸다.
그렇다. 그는 인체기관의 하나인 ‘눈’과 관련하여 익히 알려진 눈의 기능이나 해부학적 특징을 다루지 않는다. 시각과 관련한 여러 연구를 바탕으로 눈에 대해 독자들이 잘 인식하지 못했던 특이한 사실들을 발굴, 최대한 흥미롭게 소개하여 관심을 유도하면서도 흥미로운 현상을 최소한의 설득력 있는 가설을 제시하면서 풀어나간다. 그가 풀어내는 글을 읽다 보면 때로는 옆에서 조곤조곤 설명하는 듯하고, 때로는 앞에서 화이트보드에 그림을 그려가면서 설명하는 듯한 착각이 들 정도로 편안하면서도 지루하지 않다. 모쪼록 ‘눈’에 대한 흥미로운 사실을 함께 탐색하면서 색다른 즐거움을 느꼈으면 하는 바람이다.

일상적이고 당연하다고 생각하는 ‘눈’,
뜻밖의 흥미로운 사실들을 발견하다!

이 책은 모두 5장으로 구성되어 있다. 1, 2장은 생각해봐도, 알고 봐도 참 이상한 우리 눈에 관한 내용이며, 3장은 우리 눈의 놀라운 시각 능력, 4장은 우리 눈의 흥미로운 시각 현상, 5장은 여전히 풀리지 않는 우리 눈의 신비를 다루고 있다.
첫 장을 펼치면 ‘왜 인간에게만 흰자위가 보일까?’가 우리의 시선을 사로잡는다. 흰자(위)가 드러난 것에 무슨 특별한 이유라도 있다는 말인가? 사실, 우리는 밖으로 드러난 흰자를 대수롭지 않게 여겨왔다. 이 책에 따르면, 다른 동물들에게서는 흰자를 쉽게 관찰할 수 없다. 그 이유는 각자도생의 세계에선 굳이 흰자가 밖으로 드러날 필요가 없기 때문이다.
그렇다면 왜 인간에게는 흰자가 드러날까? 눈동자의 위치와 방향을 명확하게 하는 흰자는 상대방의 시선방향을 파악하는 데 중요한 역할을 한다. 따라서 공동체 생활을 하는 인간에게 시선방향은 상대방과의 신뢰를 형성하거나 강화하는 데 결정적이라 할 수 있다. 이와 반대로, 흰자의 노출로 눈속임 시선도 가능하다. 보통 동물들은 주로 머리 방향으로 적의 움직임 등의 주의를 기울이지만 인간은 눈동자의 방향으로도 주의를 기울일 줄 알기 때문이다. 이렇듯 눈속임 시선으로부터 상대방을 경계해야 하고 또 불필요한 의심을 받기도 하지만, 저자는 결과적으로 흰자 노출은 이러한 불신에 따른 위기상황에서 우연히 발현하여 우세하게 존속된 형질로 추정한다. 우리 눈에서 흰자의 역할이 이렇듯 대단하다는 것이 흥미롭지 않은가.
인간에게만 있는 눈썹은 어떤 역할을 할까? 저자는 눈썹은 눈에 땀이 흐르는 것을 막아주는 역할을 한다는 가설을 세운 뒤 이에 대한 반론을 펼친다. 비 오듯 땀이 흐르면 아무리 눈썹 숱이 많다 해도 그 땀을 막기엔 역부족일 테고, 그저 손으로 땀을 훔쳐내면 그만이지 않겠는가. 따라서 흰자가 시선방향으로 상대방과의 신뢰를 쌓는 데 중요한 역할을 했다면, 눈썹은 상대방에게 자신의 감정을 전달하는 감정 표현 증폭기의 역할로 인간이 공동체 생활을 하는 데 유리하게 작용했다고 설명한다.

구조적 결함이 있음에도
 엄청난 시각 정보 처리 능력을 지닌 우리 눈!

우리 눈은 태양광 가운데 아주 좁은 대역인 가시광선밖에 보지 못할뿐더러, 시각 정보를 전혀 얻을 수 없는 ‘맹점’이라는 구조적 결함이 있다. 하지만 우리 눈은 계획과 의도에 따라 단번에 설계되어 완성된 것이 아니라, 단순한 형태에서 시작하여 오랜 시간 동안 거듭된 근시안적 변형이 서서히 누적되는 과정에서 완성된 형태라 이러한 결함을 거의 인식할 수 없다.
그럼에도 형태를 인식하고 빠른 시간에 정보를 효과적으로 처리하는 우리 눈의 시각 능력은 카메라의 기술로는 감히 흉내 내기도 힘들다. 이때 경이로운 뇌의 수많은 작용이 관여하고 있으며, 정보를 처리하는 뇌의 기능은 시속 백 킬로미터가 넘는 속도로 날아오는 테니스 공의 구질과 방향을 순식간에 파악하여 되받아치는 선수의 모습에서 쉽게 확인할 수 있다. 이에 대해 저자는 인간의 ‘시각 정보 처리 능력’을 로봇에 빗대어 다음과 같이 표현한다.

로봇이 어떤 물체의 움직임 패턴을 이해하고 물체의 다음 움직임을 예측하려면 이전 입력 정보들과 지금 입력 정보를 비교 관찰하여 움직임의 패턴을 분석하는 과정이 필요하다. 로봇을 인간과 비슷하게 20Hz 단위로 시각 정보를 받고, 그때마다 이전의 0.5초 정도 동안에 입력된 시각 데이터들을 통합적으로 분석할 수 있게 만든다고 했을 때, (……) 로봇이 인간과 같은 시각 정보를 처리하려면(……) 약 1기가바이트가 넘는 정보를 매초마다 처리해야 한다. 이는 어디까지나 순전히 처리해야 하는 정보의 양이 그렇다는 뜻이다. 아직 정보의 처리에 필요한 시간이나 부하는 고려하지도 않았다.(……) 로봇은 매 순간 움직이므로 로봇이 처리해야 하는 시각 정보의 시선방향이나 조명 상태 또한 매 순간 바뀐다. 그렇기에 로봇의 입력 영상에는 일관된 공간과 밝기의 기준점을 찾거나 정할 수가 없다. 이런 환경에서 물체의 3차원 위치를 파악하려면 물체의 공간 정보를 파악해야 하고, 그 정보를 바탕으로 두 눈의 초점을 물체에 맞춰야 한다. 테니스 공처럼 그 대상이 움직이기라도 한다면 물체를 매 순간 파악해서 눈동자를 조절해야 한다. 결론적으로 이런 놀라운 시각 인지 능력을 지닌 카메라를 지금의 영상처리 기법이나 컴퓨터 기술로 만드는 것은 불가능에 가깝다는 결론에 이르게 된다.(150~151쪽)

우리 눈에 대한 흥미로운 현상과
 여전히 풀리지 않는 신비한 우리 눈!

엄청난 능력을 지닌 우리 눈에 대한 흥미로운 현상도 있다. 특수하게 조작된 상황에서 경험할 수 있는 현상들이지만, 익히 알려져 있어 많은 이들이 경험했음 직한 현상이기도 하다. 구조적 결함인 맹점을 채워주는 현상을 경험할 수 있는 간단한 그림과, 아인슈타인 착시와 같은 정밀도의 한계로 같은 그림임에도 크기 차이로 달라 보이는 착시 그림들, 평면 그림에서 입체감을 느끼는 매직아이의 원리, 마차바퀴를 촬영한 동영상에서 간혹 바퀴가 멈춰 있는 듯하면서도 거꾸로 돌아가는 듯한 현상 등, 이 모든 현상의 원리를 차근차근 풀어나간다.
우리 눈에는 여전히 풀리지 않는 오묘한 부분이 많다. 흑백 그림에서 왜 색깔이 보이는지, 두 눈에 각각 빨간색과 파란색을 보여주면 빨간색과 파란색이 번갈아서 반복되어 보이는 것은 뇌의 주의집중을 이해하는 것과 무슨 관계가 있는지, 눈을 감으면 잔상이 보이고 잔상이 사라지면 잠에 들기 전까지 통제할 수 없는 정교하고 화려한 무늬가 보이는 것은 어떤 현상인지, 색채 지각에 따른 빛의 삼원색에서 빨간색을 몇십 초 보다가 갑자기 흰색을 보면 초록색이 보이고, 파란색을 보다가 흰색을 보면 노란색이 보이는 잔상색 현상은 무엇을 의미하는지, 빨간색 색맹(색약)은 초록색도 볼 수 없고 파란색 색맹(색약)은 노란색도 볼 수 없는 것을 어떻게 받아들여야 하는지를 추론하지만, 아직은 더 연구가 필요한 부분이기도 하다.

각 주제별로 눈에 관한 탐험이 끝나면 저자는 ‘세 문장 요약’으로 명쾌하게 정리한다. 저자의 말대로 어렵다고 느끼는 주제는 세 문장 요약으로 확인한 뒤에 다음 주제로 넘어가도 좋다. 해당 주제와 관련한 ‘덧붙임’ 글도 제법 흥미로운 부연 설명이다. 눈에 대해 알고 싶은 독자라면 언제든 이 책과 함께 탐험에 나서기를 권한다.

지은이 : 최상한 
대학에서 전자전기공학을 전공했지만, 2005년 의공학과 대학원에 입학하여 뇌파를 이용, 생각만으로 컴퓨터를 조작할 수 있게 하는 장치(BCI)에 대한 개발 연구를 시작했다. 2007년 뇌과학연구소에 입사한 뒤 시각과 관련된 여러 fMRI 연구들을 진행했다. 2014년 신경다발 MRI 뇌해부연구 의과학박사 학위를 취득한 후 현재 관련 연구를 진행하고 있다.

 

들어가는 글
 
1장  생각해보면 이상한 우리의 눈
1. 왜 인간에게만 흰자위가 보일까?
2. 왜 우리 눈은 착시를 일으킬까?
3. 왜 우리는 황금비에서 아름다움을 느낄까?
4. 왜 우리는 꿈꿀 때 눈동자를 움직일까?
5. 왜 인간에게만 눈썹이 있을까?
6. 왜 우리는 눈물을 흘릴까?
2장  알고 보면 이상한 우리의 눈
1. 가시광선밖에 못 보는 우리의 눈
2. 근본적인 구조적 결함이 있는 우리의 눈
3. 두 종류의 센서가 장착되어 있는 우리의 눈
4. 뇌에서 시야 정보의 좌우가 뒤바뀌는 우리의 눈
3장  우리 눈의 놀라운 시각 능력
1. 우리 눈의 해상도는 몇 화소 정도일까?
2. 우리 눈의 놀라운 색채 정보 보정 능력
3. 우리 눈의 놀라운 시야 정보 보정 능력
4. 우리 눈의 놀라운 시각 정보 처리 능력
4장  우리 눈의 흥미로운 시각 현상
1. 있지도 않은 정보를 만들어내는 맹점 채움 현상
2. 멀리서 보면 다른 그림으로 보이는 착시
3. 평면 그림에서 입체감을 느끼게 하는 착시
4. 너무 빠르게 도는 물체가 멈춘 것처럼 보이는 현상
5장  풀리지 않는 우리 눈의 신비
1. 흑백 그림에서 색깔이 보이는 현상
2. 두 눈에 각각 다른 그림을 보여준다면?
3. 눈을 감아도 선명하게 보이는 것들
4. 우리는 어떤 식으로 색을 지각할까?
    
맺는 글