Shared symmetry detection with divergent temporal dynamics in marmosets and humans

대칭은 시각적 세계의 근본적인 언어이며, 우리의 뇌가 즉각적으로 인식하도록 설계된 패턴입니다. 그것은 얼굴의 거울 이미지, 나비의 균형 잡힌 날개, 또는 바닥에 깔린 반복되는 타일입니다. 수십 년 동안 과학자들은 인간의 뇌가 이러한 패턴을 포착하기 위한 전용 네트워크를 가지고 있으며, 우리가 패턴을 볼 때 머리 뒷부분의 특정 영역이 활성화된다는 사실을 알고 있었습니다. 그러나 우리가 어떻게 생각하는지에 대한 생물학적 핵심 질문 중 하나는 해결되지 않은 채 남아 있었습니다. 즉, 이 능력이 인간만의 특별한 발명품인지, 아니면 먼 조상인 영장류로부터 물려받은 공유된 특성인지 하는 점입니다. 이를 알아내기 위해 연구자들은 다른 영장류의 뇌 내부를 들여다봐야 했지만, 침습적인 수술 없이 이를 수행하는 것은 큰 장애물이었습니다. 이전의 원숭이 대상 연구들은 혈류량을 보여주는 뇌 스캔에 의존했으나, 뇌가 패턴을 처리하는 찰나의 전기적 타이밍을 포착할 수는 없었습니다.

한 연구팀은 인간과 뉴월드 원숭이의 일종인 작은 마모셋이 시각적 대칭에 어떻게 반응하는지를 비교함으로써 이 간극을 메웠습니다. 그들은 두 가지 뚜렷한 유형의 패턴에 집중했습니다. 하나는 거울 이미지와 같은 반사(reflection)이고, 다른 하나는 형태가 회전하며 반복되는 회전(rotation)입니다. 두피에서 전기 신호를 기록하는 비침습적 방법을 사용하여, 연구진은 두 종 모두 거울 대칭을 감지하는 빠르고 자동적인 능력을 공유하고 있음을 발견했습니다. 그러나 회전에 관해서는 두 종이 갈라졌습니다. 인간은 회전하는 패턴에 대해 꾸준하고 지속적인 전기적 반응을 유지한 반면, 마모셋의 뇌는 잠시 동안만 반응한 뒤 진정되었습니다. 이 발견은 대칭을 포착하는 기본적이고 빠른 기제는 고대부터 존재하며 영장류 간에 공유되는 것이지만, 인간이 이러한 패턴을 완전히 정교화하기 위해 사용하는 더 복잡하고 지속적인 처리는 나중에 발달한 것일 수 있음을 시사합니다.

이 비교를 수행하기 위해 과학자들은 뇌를 손상시키거나 매일 전극을 배치할 필요가 없는 방법으로 원숭이의 명확한 뇌 신호를 기록해야 하는 중요한 기술적 과제를 극복해야 했습니다. 그들은 성체 수컷 마모셋 3마리의 두개골에 직접 수술로 부착되는 32개의 미세한 센서로 구성된 맞춤형 유연 그리드를 설계했습니다. 단 6그램밖에 되지 않는 이 장치는 뇌의 전기적 활동을 들여다보는 영구적인 창 역할을 하여, 동물들이 여러 세션에 걸쳐 반복적으로 테스트될 수 있게 했습니다. 마모셋들은 화면을 보며 차분하게 앉도록 훈련되었으며, 가만히 있는 대가로 주스 한 방울을 보상으로 받았습니다. 동시에, 13명의 인간 자원봉사자 그룹은 표준 센서 캡을 착용한 채 동일한 이미지를 화면으로 시청했습니다.

두 집단에게 보여준 이미지들은 대칭의 수학적 규칙을 기반으로 정교하게 제작되었습니다. 어떤 패턴은 선을 기준으로 자신을 거울처럼 투영하는 이중 반사(double reflection)로 반복됩니다. 다른 패턴은 중심점을 기준으로 회전하는 4회 회전(four-fold rotation)으로 반복됩니다. 뇌가 단순히 그림의 무작위한 변화가 아니라 대칭 자체에 반응하고 있는지 확인하기 위해, 연구진은 대칭적인 이미지와 유사해 보이지만 패턴이 결여된 무작위화된 버전을 번갈아 제시했습니다. 연구진은 이미지가 깜빡이는 속도와 일치하는 리드미컬한 전기 펄스를 살펴봄으로써 뇌의 반응을 측정했습니다. 뇌는 이미지의 단순한 변화와 대칭 부분에 대해 다르게 반응하기 때문에, 연구진은 두 신호를 분리할 수 있었습니다.

결과는 두 종이 거울 대칭을 다루는 방식에서 놀라운 유사성을 보여주었습니다. 마모셋과 인간 모두에서, 뇌는 거울 패턴이 화면에 떠 있는 동안 지속되는 강하고 꾸준한 전기 신호를 생성했습니다. 이 신호는 머리 뒷부분의 시각 처리 영역에서 가장 강하게 나타났으며, 그 타이밍과 강도는 종 간에 거의 동일했습니다. 이는 반사를 감지하는 능력이 보존된 형질임을 시사하며, 영장류가 환경 속에서 얼굴, 신체, 그리고 다른 생명체를 인식하는 데 도움이 되기 위해 수억 년 전에 진화했을 가능성이 높습니다.

그러나 연구진이 회전 패턴을 살펴보았을 때 이야기는 달라졌습니다. 인간의 뇌는 회전하는 패턴이 보이는 동안 꾸준한 전기적 리듬과 함께 계속 작동했지만, 마모셋의 뇌는 다르게 반응했습니다. 원숭이의 뇌는 회전하는 패턴이 처음 나타났을 때 빠르고 날카로운 신호를 보냈지만, 이 신호는 빠르게 사라져 이미지가 화면에 있는 남은 시간 동안 뇌를 조용하게 만들었습니다. 이러한 차이는 회전 패턴에 국한된 것이었습니다. 거울 패턴은 여전히 마모셋에게서도 길고 꾸ền한 반응을 끌어냈습니다. 연구진은 이것이 원숭이가 주의를 기울이지 않거나 눈을 움직였기 때문이 아님을 확인했는데, 패턴이 매우 컸고 안구 운동은 추적 및 제어되었기 때문입니다.

이 연구는 영장류의 뇌가 시각 정보를 처리하는 방식에서의 구체적인 분기점을 지목합니다. 초기 단계의 빠른 대칭 감지는 두 종 모두에서 동일하게 작동하는 공유된 순방향(feedforward) 기제로 보입니다. 그러나 더 복합적인 회전에 대해 대칭의 지속적인 표상을 유지하는 능력은 인간에게는 강력하지만 마모셋에게는 약한, 다른 종류의 뇌 활동에 의존하는 것으로 보입니다. 이러한 지속적인 활동은 뇌의 서로 다른 부분 사이를 신호가 앞뒤로 오가는 루프 과정을 포함할 가능성이 높으며, 이 과정은 마모셋이나 그들의 가까운 친척인 붉은털원숭이보다 인간에게서 더 발달했을 수 있습니다.

마모셋을 사용하여 인간과 동일한 정밀도로 이러한 복잡한 시각 과정을 연구할 수 있음을 입증함으로써, 이 연구는 신경과학의 새로운 문을 열었습니다. 마모셋의 뇌는 시각 영역이 깊숙이 숨겨져 있는 붉은털원숭이의 접힌 뇌와 달리 매끄럽고 접근하기 쉽습니다. 이는 향에 과학자들이 이러한 표면 기록을 뇌 내부의 직접적인 심부 측정과 결합하여 해당 회로가 정확히 어떻게 작동하는지 이해할 수 있음을 의미합니다. 이 결과는 우리가 대칭을 보는 공통되고 오래된 토대를 공유하고 있지만, 인간의 뇌는 다른 영장류가 그렇지 못한 방식으로 이러한 패턴을 붙잡고 정교화할 수 있게 해주는 지속적인 처리 과정을 추가했다는 것을 확인시켜 줍니다.