Pupil size and pupil change correlate with distinct cortical neurochemical systems across the adult lifespan

인간의 동공은 단순히 방의 밝기를 조절하는 것 이상의 역할을 수행한다. 동공은 강한 빛에서는 수축하고 어두운 곳에서는 확장하여 시각을 조절하기도 하지만, 마음의 내부 상태에도 반응한다. 사람이 놀라거나, 집중하거나, 정신적으로 몰입할 때, 빛이 일정하더라도 동공은 종종 확장된다. 수십 년 동안 과학자들은 이러한 자발적인 변화가 뇌의 '청색반점(locus coeruleus)'에 대한 창이라고 의심해 왔다. 청색반점은 각성도와 주의력에 중요한 화학적 전달 물질인 노르에피네프린의 주요 공급원 역할을 하는 아주 작고 깊숙이 자리 잡은 신경 세포 집단이다. 이 뇌 영역은 직접 영상화하기 어렵기 때문에, 연구자들은 동공을 측정하는 것이 이 영역의 활동을 나타내는 신뢰할 수 있는 비침습적 대리 지표가 되기를 오랫동안 희망해 왔다. 그러나 사람이 나이가 들면서 뇌의 생물학적 구조가 변하기 때문에, 이 연결의 신뢰성은 여전히 불분명한 상태로 남아 있다. 만약 동공과 뇌의 각성 시스템 사이의 연결이 연령에 따라 약해지거나 변화한다면, 노화하는 뇌를 연구하기 위해 동공 측정을 사용하는 것은 오해를 불러일으키는 결론으로 이어질 수 있다.

이를 조사하기 위해 코넬 대학교의 연구팀은 19세에서 78세 사이의 성인 89명을 모아 자기공명영상(MRI) 스캐너 내부에서 시각 과제를 수행하게 했다. 참가자들은 무작위 간격으로 다양한 크기와 밝기의 원들이 나타나는 화면을 지켜보았다. 대부분의 원은 표준적인 크기였지만, 가끔 '오드볼(oddball)'이라 불리는 더 큰 원이 나타나 참가자가 버튼을 누르도록 유도했다. 연구진은 매우 빠른 속도로 참가자들의 동공 크기를 지속적으로 기록하는 동시에, 신경 활동의 대리 지표 역할을 하는 혈류량을 측정하기 위해 뇌를 스캔했다. 그들은 특히 동공의 크기와 변화 속도가 뇌의 노르아드레날린계 활동과 연관되어 있는지, 그리고 이러한 연결이 성인 전 생애에 걸쳐 유효한지를 확인하고자 했다.

연구 결과, 동공의 행동은 단일하고 통일된 신호가 아니라 서로 다른 시간대에서 작동하며 뇌의 서로 다른 부분과 연결되는 두 가지 뚜렷한 유형의 정보를 전달한다는 사실이 밝혀졌다. 연구진은 특정 순간의 동공의 순수한 '크기'가 특정 패턴을 가진 뇌 활동과 상관관계가 있는 반면, 동공 크기의 급격한 '변화'—즉, 얼마나 빨리 확장하거나 수축하는가—는 완전히 다른 패턴의 뇌 활동과 상관관계가 있다는 것을 발견했다. 이 두 신호는 단순히 동시에 발생하는 것이 아니라, 뇌 내부의 서로 다른 화학 체계와 연결되어 있다. 동공 크기의 급격한 변화는 뇌의 각성 화학 물질을 관리하는 단백질인 노르에피네프린 수송체가 풍부한 뇌 영역들과 강력하게 연결되어 있었다. 이는 동공이 갑자기 넓어지거나 좁아질 때, 실제로 뇌의 각성 시스템의 활동을 추적하고 있음을 확인해 준다. 반면, 동공의 일정한 크기는 오피오이드 및 카나비노이드 수용체가 밀집된 뇌 영역과 연결되어 있었는데, 이는 동공의 기저 크기가 즉각적인 각성보다는 통증 조절이나 기분과 관련된, 더 느리게 작용하는 다른 화학적 상태를 반영함을 시사한다.

결정적으로, 이 연구는 이러한 연결이 사람들이 나이가 들어감에 따라 어떻게 유지되는지를 조사했다. 연구진은 급격한 동공 변화와 뇌의 각성 시스템 사이의 관계가 평생 동안 유의미하게 유지되지만, 고령층에서는 약간 약해진다는 것을 발견했다. 구체적으로, 동공 변화와 강력한 연결을 보이는 뇌 영역의 수가 가장 나이가 많은 참가자들에게서 감소했으며, 노르에피네프린 시스템과의 연결 강도 또한 젊은 층에 비해 고령층에서 더 낮았다. 그러나 일정한 동공 크기와 오피오이드 관련 뇌 영역 사이의 연결은 연령에 따라 전혀 변하지 않았으며, 70세에게나 20세에게나 똑같이 강력하게 유지되었다. 이러한 차이는 매우 중요한데, 이는 뇌의 각성 시스템이 나이가 들면서 동공 움직임과의 동기화가 다소 약해질 수는 있지만, 동공에 반영된 뇌 화학의 다른 측면들은 안정적이라는 것을 시사하기 때문이다.

연구진은 또한 각성을 담당하는 뇌 영역인 청색반점을 직접 조사했으나, 표준적인 스캐닝 기술로는 개별 참가자에게서 이 작은 구조의 신호를 신뢰할 수 있을 만큼 측정하기에는 너무 미약하다는 것을 발견했다. 대신, 그들은 동공의 영향력을 뇌 전체에 걸쳐 지도화했다. 그들은 동공 크기의 급격한 변화가 뇌 뒷부분에서 뇌간에 이르기까지 주의력 및 감각 처리와 관련된 광범 l한 뇌 영역 네트워크와 가장 강력하게 연관되어 있다는 것을 발견했다. 동공은 단일한 지점의 신호가 아니라 바로 이 광범위한 패턴을 추적하는 것이다. 또한 연구진은 이러한 뇌-동공 간의 연결이 단순히 심박수나 호흡의 변화에 의해 발생하는 것이 아님을 입증했는데, 데이터에서 이러한 요인들을 정밀하게 제거한 후에도 패턴이 그대로 유지되었기 때문이다.

궁극적으로, 이 연구는 동공이 두 가지 서로 다른 이야기를 들려주는 복잡한 도구임을 명확히 한다. 한 이야기는 변화의 속도에 관한 것으로, 뇌의 각성 시스템을 추적하며 나이가 들면서 그 조율 능력이 완만하게 감소함을 보여준다. 다른 이야기는 일정한 상태에 관한 것으로, 다른 화학 체계를 추적하며 평생 동안 일관되게 유지된다. 이는 과학자들이 동공 측정을 통해 노화하는 뇌를 이해하고자 한다면, 동공의 크기와 변화 속도를 반드시 구분해야 함을 의미한다. 이 두 신호를 분리함으로써, 연구자들은 뇌의 어떤 부분이 노화하고 어떤 부분이 그대로 유지되는지를 더 잘 이해할 수 있으며, 침습적인 절차 없이도 뇌 건강을 모니터링할 수 있는 더 정밀한 방법을 제공할 수 있다. 이 연구 결과는 뇌의 각성 기제와 눈 사이의 조율이 나이가 들면서 다소 느려질 수는 있지만, 뇌의 근본적인 화학적 지형은 동공의 미세하고 측정 가능한 변화를 통해 여전히 접근 가능하다는 점을 시사한다.