< Science >시각피질 크고, 망막 작은 種일수록 ‘방향성 지도’ 형성했다

■ 카이스트, 포유류 種마다 시각 뇌신경망 구조 다른 원인 규명

세포간 정보 추출 비율 분석해
시각피질 기능적 구조 예측

고양이,연속적 방향성 구조
생쥐,무작위 소금 - 후추 구조

수십년 풀리지 않던 문제 풀어
“이론적 모델 연구 성공 사례”

고등동물의 시각은 최우선 정보로서, 눈과 뇌 후두엽이 긴밀하게 협동해 처리한다. 외부 이미지의 빛 신호가 망막에서 전기신호로 변환돼 시신경을 통해 대뇌 뒤통수의 시각피질로 전달되면 물체의 위치, 모양, 운동 상태를 해석하게 된다. 이 과정을 보다 체계적으로 파악하기 위해 컴퓨터공학자들이 의사와 협력해 전기신호의 패턴을 분석하는 시스템 뇌신경과학이 활기를 띠고 있다.

카이스트 바이오 및 뇌공학과 백세범 교수 연구팀이 포유류 종들의 시각피질에서 서로 다른 뇌 신경망 구조가 형성되는 원리를 밝혔다. 수십 년간 풀리지 않던 문제에 이론적 접근과 계산적 모델 시뮬레이션을 통해 해답을 제시한 성공사례로 평가된다.

연구팀은 두뇌의 시각피질과 망막에 분포하는 신경세포 간의 정보 추출 비율을 분석함으로써 특정 포유류 종이 갖는 시각피질의 기능적 구조를 예측할 수 있음을 보여줬다. 우선 서로 다른 크기의 망막과 시각피질 사이의 신경망 연결 모델을 시뮬레이션해 두 정보 처리 영역 사이에 대응되는 신경세포의 비율이 달라짐에 따라 완전히 다른 두 가지 구조의 기능성 뇌지도가 형성됨을 보이고, 이 결과가 실제 실험에서 관측되는 신경망 구조와 일치함을 증명했다. 장재선, 송민 박사과정이 공동 1저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘셀(Cell)’의 온라인 자매지 ‘셀 리포츠(Cell Reports)’ 3월 10일 자에 게재됐다.

포유류의 시각피질에서는 시각 자극의 방향에 따라 반응 정도가 달라지는 성질, 즉 방향 선택성을 갖는 세포들이 관측된다. 원숭이, 고양이 등의 종에서는 이 세포들의 선호 방향이 연속적·주기적 형태로 변하는 방향성 지도 구조를 형성하는 반면, 생쥐 등의 설치류에서는 마치 소금과 후추를 뿌려 놓은 듯한 무작위에 가까운 형태로 분포해 이를 소금-후추 구조라 한다. 같은 역할을 하는 것으로 보이는 기능성 뇌 신경망이 이렇게 종에 따라 다른 구조를 갖는 원인을 찾기 위해 수십여 년간 다양한 연구가 진행됐으나 명확하게 알려진 바가 없었다.

연구팀은 간단한 수학적 모델에 기반해 특정 영역의 망막 신경세포에 대응되는 시각피질 신경세포의 숫자를 통해 두 신경망 간의 정보 추출 비율을 분석함으로써 특정 포유류 종이 갖는 시각피질의 기능적 구조를 예측할 수 있음을 밝혔다. 우선, 서로 다른 크기의 망막과 시각피질이 연결될 때 동일한 망막 신호를 샘플링하는 시각피질 세포의 비율이 달라진다고 가정했다. 이런 조건에서 망막-시각피질 신호의 샘플링 형태를 시뮬레이션해 샘플링 비율에 따라 시각피질에서 형성되는 기능성 지도의 구조가 완전히 다르게 결정될 수 있음을 발견했다. 이 결과를 바탕으로 연구팀은 다양한 종에 대한 망막 및 시각피질 데이터를 비교해 시각피질이 클수록, 또 망막이 작을수록 연속적인 방향성 지도가 형성되는 경향이 있음을 확인했다. 또 기존 연구에서 확인된 포유류 8종의 시각피질-망막 크기 비율을 기반으로 한 모델을 정량적으로 시뮬레이션하고, 이 결과가 실험에서 관측된 것과 같이 방향성 지도 존재 여부에 따라 두 그룹으로 명확히 나눠짐도 확인했다.

이 결과는 다른 종으로 진화가 이뤄질 때 망막 등 감각기관의 크기 같은 지극히 단순한 물리적 조건의 차이에 의해서도 뇌 신경망의 구조가 완전히 다른 방향으로 변화될 수 있음을 뜻한다. 이는 다양한 생물학적 구조가 기존의 생각보다 훨씬 단순한 물리적 요소의 차이에 의해 예측되거나 설명될 수 있음을 보여준다. 백세범 교수는 “이미 오랫동안 알려져 있었으나 그 의미를 찾아내지 못했던 데이터들과 이론적인 모델을 결합해 새로운 발견을 도출해낸 의미 있는 연구”라며 “뇌 과학뿐만 아니라 계통분류학, 진화생물학 등 생물의 기능적 구조와 관련된 다양한 생물학 분야에서 이론적 모델 연구의 역할에 대한 중요한 시각을 제공할 것”이라고 말했다. 이번 연구는 한국연구재단의 이공분야 기초연구사업 및 원천기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.


■ 용어설명

1차 시각피질 (primary visual cortex) : 두뇌에서 시각 정보 처리를 1차적으로 담당하는 영역. 망막 신경망 영역을 통해 외부 공간에 대한 시각 정보를 입력받아 인지적인 정보 처리를 시작하는 기능성 신경망 구조를 보유

방향 선택성 (orientation selectivity) : 시각피질 신경 세포들에서 관측된 중요한 성질 중 하나로, 외부 시각 자극의 방향이 변함에 따라 신경 활동 정도가 선택적으로 변화되는 양상으로 나타나며, 이를 통해 주어진 시각 정보의 형태에 대한 1차적인 정보 부호화를 수행

방향성 지도 (orientation map) : 다양한 포유류의 1차 시각피질에서 발견되는 기능성 지도의 중요한 예로, 세포들의 방향 선택성이 시각피질 표면을 따라 연속적·주기적인 형태로 변하는 구조로 나타난다. 주로 원숭이, 고양이 등 상위 포유류에서 관측

소금-후추 구조 (salt-and-pepper organization) : 1차 시각피질 세포들의 방향 선택성이 공간적으로 무작위 분포하는 구조로, 주로 생쥐와 같은 설치류에서 관측

노성열 기자 nosr@munhwa.com