A Two-Dimensional Grid-Cell Code for Three-Dimensional Navigation in Freely Flying Bats

당신의 뇌에는 내장된 GPS가 있다고 상상해 보세요. 하지만 이 GPS는 위성을 사용하는 대신, **격자 세포(grid cells)**라고 불리는 작고 특화된 뉴런을 사용합니다. 오랫동안 과학자들은 이 세포들이 평면 지도 위의 완벽하고 반복적인 벌집 패턴처럼 작동하여, 동물이 지면 위의 정확한 위치를 파악하도록 돕는다고 생각했습니다. 이 "벌집" 구조는 모든 세포가 함께 작동하는 방식을 들여다볼 때 도넛 모양(토러스, torus)을 띠는 복잡한 내부 엔진에 의해 생성되는 것으로 여겨집니다.

하지만 여기 한 가지 수수께끼가 있습니다. 동물이 비행할 때는 어떤 일이 벌어질까요? 비행은 3차원적(위, 아래, 왼쪽, 오른쪽, 앞, 뒤)이지만, 그 "도넛 엔진"과 벌집 지도는 평평한 2차원 세계를 위해 설계된 것처럼 보입니다. 이전 연구들은 동물이 3D로 움직일 때, 이 깔끔한 벌집 패턴이 무너지고 뇌의 GPS가 혼란에 빠진다고 시사했습니다.

이 미스터리를 풀기 위해, 연구진은 자유롭게 비행하는 박쥐를 연구했습니다. 그들은 박쥐가 먹이를 찾아 자연스럽게 비행하는 동안 박쥐의 뇌에서 신호를 들을 수 있도록 아주 작은 무선 기록 장치를 부착했습니다.

연구 결과는 다음과 같은 몇 가지 쉬운 비유를 통해 설명됩니다:

1. "평면 시트"의 기술
박쥐들이 거대한 3차원 공간을 날아다녔음에도 불구하고, 그들의 비행 경로는 모든 방향으로 무작위하게 지그재그로 움직이는 것이 아니었습니다. 대신, 박쥐들은 마치 일정한 고도로 비행하는 비행기나 특정 경로를 따라 활공하는 새처럼, 자연스럽게 평평하고 보이지 않는 시트 또는 평면을 따라 비행하는 경향이 있었습니다. 그들은 세 차원에서 동시에 격렬하게 뒤틀리거나 회전하는 경우가 드물었습니다.

2. 지도는 평평함을 유지한다
박쥐들이 주로 이러한 "시트"를 따라 움직였기 때문에, 박쥐의 뇌는 복잡한 3D 모드로 전환할 필요가 없었습니다. 격자 세포들은 그들이 현재 사용 중인 특정 평면 위에서만 익숙하고 완벽한 육각형 벌집 패턴을 계속해서 나타냈습니다.

3. 도넛 엔진은 여전히 작동한다
연구진이 함께 작동하는 격자 세포 집단을 관찰했을 때, 그들은 여전히 그 도넛 모양 엔진(토로이달 어트랙터)의 특징을 발견했습니다. 알고 보니 뇌는 새로운 3D 엔진을 발명할 필요가 없었던 것입니다. 대신, 기존의 2D "도넛 엔진"을 박쥐가 실제로 비행하고 있는 평면에 맞추기만 하면 되었습니다.

핵심 결론
이 논문은 뇌가 믿기지 않을 정도로 효율적이라는 결론을 내립니다. 뇌는 3차원 세계를 위해 복잡한 3차원 지도를 만들려고 애쓰지 않습니다. 대신, 동물이 실제로 움직이는 방식에 완벽하게 부합하는 단순한 2차원 지도를 사용합니다. 박쥐는 자연스럽게 평평한 층을 따라 비행하기 때문에, 뇌는 단지 기존의 2D 벌집 지도를 그 층들에 투영할 뿐입니다.

요약하자면, 뇌는 3차원 내비게이션을 구축함으로써 3차원 항법 문제를 해결하는 것이 아니라, 우리가 주로 2차원 단면을 따라 움직인다는 사실을 깨닫고, 그 단면들에 기존의 2D 지도를 맞추는 방식으로 문제를 해결합니다. 이는 박쥐의 생활 방식에 완벽하게 작동하는 영리하고도 "게으른" 해결책입니다.