안보이는 물체도 눈으로 쫓는 능력의 비밀 알아냈다

IBS 뇌과학 이미징 연구단 연구 결과

IBS 뇌과학 이미징 연구단 연구팀. IBS 제공

국내 연구진이 뇌가 눈으로 보이는 정보가 충분하지 않을 때에도 경험에서 얻은 지식과 시각정보를 통합해 우리가 적절한 행동을 하도록 만드는 이유를 찾았다. 

기초과학연구원(IBS)은 이준열 뇌과학 이미징(imaging) 연구단 연구위원 연구팀이 경험 지식에 의한 예측이 대뇌피질의 감각 영역을 조절해 감각 운동 능력을 높인다는 사실을 알아내고 연구 결과를 국제 학술지 '사이언스 어드밴시스'에 7일 온라인 게재했다고 13일 밝혔다. 

감각운동은 외부 감각 자극에 반응해 신속하고 정확하게 운동하는 능력을 말한다. 예를 들어 우리가 움직이는 물체를 눈으로 쫓을 때, 뇌는 시각이 인지한 물체의 움직이는 방향과 속도를 처리해 안구 운동을 조절한다.

시각 정보가 충분하지 않을 경우 뇌는 과거의 경험에 기반한 예측 정보와 시각 정보를 통합해 감각운동을 할 수 있도록 한다. 지금까지는 뇌의 어떤 영역에서 정보를 통합하고 처리하는지 밝혀지지 않았다. 

뇌과학 이미징 연구단은 붉은털원숭이가 시각 자극물의 움직임을 눈으로 쫓는 동안 시선추적장치와 전극을 이용해 원숭이의 눈이 어떻게 움직이는지, 그동안 대뇌 외측시간피질 신경세포는 어떻게 활동하는지를  측정했다.

연구진은 이렇게 얻은 데이터를 컴퓨터 시뮬레이션 및 머신러닝, 뉴럴 디코딩 기술로 분석해 시각 피질 영역에서 예측 정보와 감각 정보가 어떻게 처리되는지 분석했다.

그 결과, 이전 실험 경험을 통해 원숭이가 시각 자극물의 이동 방향을 예측할 수 있는 경우 추적안구운동의 편차가 적었다. 경험을 통해서도 움직임을 예측할 수 없는 경우엔 편차가 컸다. 

연구진은 이를 통해 감각 정보가 확실하지 않을 때 사전 경험 지식을 활용해 행동의 정밀성을 높인다는 결론을 내렸다.

또 외측시각피질 세포들의 신경활성으로 추정한 자극의 운동방향과 실제 추적안구운동 방향을 비교한 결과 두 방향의 편차가 유사했다. 시각 자극물이 잘 보이지 않는 경우에 외측시각피질 세포들이 안구운동의 추적 방향을 더 잘 처리하도록 조절하는 것이 관찰됐다.

연구진은 외측시각피질 세포들의 활성 패턴이 시각 자극물의 방향에 대한 예측도 나타낼 수 있으며 이것이 안구운동을 더 정밀하게 만든다고 밝혔다.

이준열 연구위원은 “대뇌피질의 감각 영역이 사전 정보를 이용해 어떻게 감각운동 행동 변화에 기여할 수 있는지를 밝혀 감각운동 정보처리의 신경 기전에 대한 이해를 높였다”며, “감각운동 및 인지기능 장애 치료 연구에도 도움이 될 수 있을 것”이라고 말했다.

[박건희 기자 wissen@donga.com]