Active gaze behavior organizes V1 activity in freely-moving marmosets

시각은 흔히 세상이 단순히 우리 눈으로 들어오는 수동적인 창문이라고 생각되곤 하지만, 인간을 포함한 영장류에게 있어 보는 것은 능동적인 과정이다. 우리는 그저 장면을 응시하는 것이 아니라, 세부 사항을 포착하기 위해 끊임없이 눈을 움직이며, 한 지점에서 다른 지점으로 빠르게 리듬을 타며 초점을 옮긴다. '게이즈(gaze, 시선)'라고 알려진 이 행동은 우리가 주변 환경의 선명한 그림을 구성하는 방식이다. 수십 년 동안 과학자들은 뇌가 이러한 이미지를 어떻게 처리하는지 연구해 왔지만, 그 연구의 거의 대부분은 머리가 고정된 채 가만히 앉아 있는 동물들을 대상으로 이루어졌다. 이러한 방식은 뇌를 통제된 관점에서 보여주기는 하지만, 우리가 실제로 보는 방식을 정의하는 바로 그 움직임을 제거해 버린다. 해결되지 않은 채 남아 있는 질문은 동물이 자유롭게 움직이고, 탐색하고, 자연스럽게 둘러볼 때 뇌의 시각 중추가 어떻게 기능하느냐 하는 것이다.

한 연구팀이 자연스럽게 활동적이고 호기심이 많은 작은 영장류인 마모셋을 연구함으로써 이 공백을 메우기 위해 나섰다. 실제 환경에서 뇌가 어떻게 작동하는지 이해하기 위해, 그들은 이 동물들에게 안구 운동을 정밀하게 추적할 수 있는 가볍고 머리에 장착 가능한 시스템을 장착했다. 동시에, 그들은 시각 정보가 처음으로 전달되고 처리되는 부분인 일차 시각 피질 내 개별 신경 세포 집단의 전기적 활동을 기록했다. 마모셋이 자유롭게 움직이는 동안 안구 운동과 뇌 활동을 동시에 모니터링함으로써, 과학자들은 시각이 강제로 정적인 인공 상태에 놓이지 않았을 때 시각이 어떻게 작동하는지 관찰할 수 있었다.

연구 결과에 따르면, 이 뇌세로의 활동은 동물이 무엇을 보느냐와 밀접하게 연결되어 있지만, 그 활동의 타이밍은 동물의 자체적인 안구 운동에 의해 조직된다. 마모셋이 눈을 움직였을 때, 뇌는 볼 수 있는 대상이 있는지 여부에 전적으로 의존하여 반응했다. 만약 시각적 입력이 제거되면, 안구 운동과 관련된 특정한 뇌 활동 패턴은 대부분 사라졌다. 이는 뇌가 단순히 눈을 움직이는 행위에 반응하는 것이 아니라, 움직임과 그 움직임이 드러내는 시각적 세계의 결합에 반응한다는 것을 나타낸다.

또한 이 연구는 안구 운동의 서로 다른 부분이 뇌에서 서로 다른 반응을 유발한다는 것을 밝혀냈다. 동물이 새로운 지점으로 시선을 빠르게 돌릴 때, 뇌세포는 일종의 억제 현상인 뚜렷한 활동 감소 패턴을 보인다. 이 급격한 이동 직후, 동물이 특정 물체를 보기 위해 시선을 안정시킬 때, 활동은 다시 변화하여 명확한 강화 또는 증폭을 보여준다. 시선을 고정하는 단계에서의 이 증폭은 눈으로 들어오는 시각 정보와 직접적으로 연결되어 있다. 뇌는 이전의 움직임에 따라 민감도를 조절함으로써 다음 순간의 보는 것에 대비하는 것으로 보인다.

나아가, 동물이 만드는 자연스러운 안구 이동의 크기는 동물이 다음에 바라보는 동안 받는 시각 정보를 뇌가 어떻게 조직하는지에 영향을 미친다. 연구진은 이러한 자연스러운 움직임의 크기가 동물이 마침내 무언가에 시선을 고정했을 때 뇌가 반응을 강화하는 방식을 형성한다는 것을 발견했다. 이는 훑어보는 행위가 다음에 무엇을 볼지에 대한 뇌의 처리 능력을 지속적으로 조율하는 역동적인 시스템임을 시사한다. 자유롭게 움직이는 영장류의 시각 체계를 연구하는 방법을 확립함으로써, 이 연구는 실험실의 우리라는 한계를 넘어 보는 것의 진정한 본질, 즉 복잡하고 변화하는 일상의 현실 속에서 시각이 어떻게 기능하는지를 이해하는 새로운 창을 열어준다.