A cognitive representation in primary visual cortex modulated by vision
이 연구는 어둠 속에서 길을 찾는 쥐의 경우, 일차 시각 피질(V1) 뉴런의 상당 부분이 시각적 입력보다는 경로 불변적인 움직임의 인지 지도를 부호화하며, 이후에 시각이 이 내부 표상을 대체하기보다는 이를 조절한다는 것을 입증한다.
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수십 년 동안 우리가 보는 방식에 대한 표준적인 이야기는 단순한 릴레이 경주와 같았습니다. 빛이 눈에 부딪히고, 뇌의 뒷부분으로 이동하여, V1이라고 알려진 일차 시각 피질에서 연쇄 반응을 일으킨다는 것입니다. 이 고전적인 관점에서 V1은 수동적인 스크린, 즉 눈이 보고 있는 것을 단순히 보여주는 생물학적 프로젝터였습니다. 만약 눈이 나무를 보면 V1은 나무의 형태를 띠며 빛나고, 눈이 벽을 보면 V1은 벽을 보여줍니다. 뇌의 역할은 주로 외부 세계에 반응하는 것이라고 생각되었으며, 내부의 생각이나 기억은 부차적인 배경 역할만을 수행한다고 여겨졌습니다. 하지만 이 단순한 그림은 인간을 포함한 동물들이 실제로 어떻게 삶을 항해하는지에 대한 핵심적인 부분을 놓치고 있습니다. 우리는 단지 우리 앞에 있는 것에 반응하는 것이 아니라, 우리가 어디에 있는지, 어디에 있었는지, 그리고 어디로 가고 있는지에 대한 정신적 시뮬레이션을 끊임없이 실행합니다. 과학자들을 오랫동안 고민하게 만든 질문은, 이 내부 지도가 뇌의 깊은 기억 중심부에만 존재하는 것인지, 아니면 시각의 가장 첫 단계 또한 그 지도를 실행하는 데 관여하고 있는지 하는 점이었습니다.
캘리포니아 대학교 샌프란시스코 캠퍼스와 로체스터 대학교의 연구진은 쥐가 미로를 통과할 때의 뇌를 관찰함으로써 이 아이디어를 테스트하기로 했습니다. 그들은 보통 눈이 보는 것을 처리하는 부분인 일차 시각 피질에 주목했습니다. 눈이 볼 것이 아무것도 없을 때 어떤 일이 일지는 확인하기 위해, 그들은 쥐가 암흑 속에서 특정 경로를 달리도록 훈련했습니다. 쥐는 중심 시작점에서 두 개의 바깥쪽 팔 중 하나로 이동했다가 다시 돌아오는 W자 모양의 미로를 학습해야 했으며, 매번 갈 때마다 방향을 번갈아 가며 수행해야 했습니다. 쥐가 경로를 숙달하자, 연구진은 동물이 암흑 속에서 미로를 달리는 동안 시각 피질 내 수천 개의 뉴런의 활동을 기록했습니다.
결과는 전통적인 관점에 대한 완전한 놀라움이었습니다. 쥐는 칠흑 같은 어둠 속에 있어 단 하나의 것도 볼 수 없었음에도 불구하고, 시각 피질의 대다수 뉴런이 매우 조직적인 방식으로 발화하고 있었습니다. 이 뉴런들은 단순히 무작위로 활성화되는 것이 아니었습니다. 그들은 쥐의 진행 경로를 추적하고 있었습니다. 쥐가 앞으로 나아감에 따라, 특정 뉴록 집단이 동물의 위치와 일치하는 순서대로 빛을 냈습니다. 더욱 놀라운 점은, 이 활동이 방 안의 특정 물리적 위치와 연결되어 있지 않았다는 것입니다. 대신, 뉴런들은 경로의 '구조'에 반응했습니다. 만약 쥐가 왼쪽으로 회전하고 있다면, 쥐가 미로의 왼쪽 편에 있든 오른쪽 편에 있든 상관없이 특정 뉴런 세트가 회전의 동일한 지점에서 발화했습니다. 뇌가 시각적 입력과는 독립적으로, 여정 자체에 대한 정신적 표상을 만들어낸 것입니다.
연구진은 그 후 조명을 다시 켜서 실제 시각이 내부 지도와 어떻게 상호작용하는지 확인했습니다. 그들은 미로 벽면에 점이나 줄무늬 같은 시각적 패턴을 배치했습니다. 쥐가 이 빛들이 켜진 상태에서 미로를 달릴 때, 시각 피질은 단순히 벽의 패턴을 보여주는 방식으로 전환되지 않았습니다. 대신, 경로에 대한 내부 지도가 지배적인 신호로 남았습니다. 시각적 자극은 쥐가 무엇을 보느냐에 따라 경로 추적 뉴런의 활동을 높이거나 낮추는 볼륨 조절기처럼 작용했지만, 지도를 대체하지는 못했습니다. 뇌는 여전히 여정에 대한 내부 모델을 실행하고 있었으며, 시각적 입력은 단지 그 모델의 강도를 조절하는 역할을 할 뿐이었습니다. 이는 시각 피질의 상당 부분에 있어, 내부적인 세계의 표상이 주요한 동력이며 시각은 정보의 유일한 원천이라기보다 조절자 역할을 한다는 것을 시사합니다.
이 경로 추적 활동이 정말로 뇌의 기억 체계와 연결되어 있는지 확인하기 위해, 연구진은 공간 지도와 기억을 저장하는 것으로 유명한 뇌의 깊은 영역인 해마에서도 기록을 수행했습니다. 그들은 동물이 휴식을 취하거나 멈춰 있을 때 발생하는, 기억을 공고화하는 데 관여하는 것으로 알려진 '날카로운 파형 리플(sharp-wave ripples)'이라는 강렬한 뇌 활동의 순간을 관찰했습니다. 그들은 암흑 속에서 경로를 추적하던 시각 피질의 특정 뉴런들이 이러한 리플 동안 해마와 긴밀하게 동기화되어 있다는 것을 발견했습니다. 이러한 협응은 시각 피질과 기억 센터가 움직이지 않을 때조차도 동일한 내부 모델을 공유하며 한 팀으로서 작동하고 있음을 시사합니다.
이러한 발견은 시각 피질이 단순히 빛을 받는 수동적인 수신기라는 오랜 믿음에 도전합니다. 대신, 이 연구는 시각 피질이 과제를 수행하는 동물의 인지적 표상을 능동적으로 구축한다는 것을 보여줍니다. 시각 피질은 단순히 눈이 사진을 보내주기를 기다리는 것이 아니라, 여정에 대한 실행 중인 시뮬레이션을 보유하고 있으며, 이는 눈이 실제로 보는 것에 의해 미세 조정됩니다. 이 발견은 우리의 세계 지각이 내부적인 기대와 기억이라는 토대 위에 구축되어 있으며, 감각 입력은 그 그림을 정교하게 만드는 보조적인 역할을 한다는 점을 시사합니다. 이는 뇌가 작동하는 방식에 대한 우리의 이해를 바꾸어 놓으며, 가장 기본적인 감각 영역조차도 삶을 항해하는 복잡한 인지적 과제에 깊이 관여하고 있음을 보여줍니다.
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