Neural subpopulations in marmoset area MT/MTC detect and discount saccade-related retinal motion

우리가 세상을 바라볼 때 세상은 움직이지 않지만, 우리의 눈은 끊임없이 하나의 관심 지점에서 다른 지점으로 도약합니다. 사카드(saccades)라고 불리는 이러한 급격한 도약은 초당 여러 번 발생하며, 초당 700도에 달하는 속도로 우리의 시야를 풍경 전역으로 휩쓸고 지나갑니다. 만약 뇌가 망막에 맺히는 이미지의 모든 변화를 단순히 기록한다면, 세상은 움직임이 뒤섞인 혼란스러운 잔상으로 보일 것입니다. 대신, 우리는 안정적이고 연속적인 장면을 인지합니다. 이를 달성하기 위해 시각 체계는 우리 눈에 의해 발생하는 움직임을 능동적으로 걸러내야 합니다. 사카드 억제(saccadic suppression)라고 알려진 이 필터링 과정은 우리가 자신의 움직임으로 인한 흐릿함에 압도되지 않고 항해할 수 있게 해주는 인지의 근본적인 기술입니다.

과학자들은 뇌가 어떻게 이러한 안정성을 확보하는지에 대해 오랫동안 논쟁해 왔습니다. 한 이론은 뇌가 눈의 움직임 명령의 '복사본', 즉 모터 계획 센터에서 시각 영역으로 보내는 신호를 사용하여 들어오는 흐릿함을 무시하도록 지시한다고 제안합니다. 또 다른 이론은 시각 체계가 눈의 도약 중에 발생하는 거대하고 넓은 시야의 움직임에 단순히 반응하며, 그 시각적 혼돈 자체를 사용하여 억제 메커니즘을 트리거한다고 제안합니다. 마모셋 원숭이를 대상으로 한 새로운 연구는 이제 이 두 가지 가능성이 움직임을 감지하는 영역에서 어떻게 전개되는지 보기 위해 뇌 내부를 들여다보았습니다. 연구진은 동물들이 자연스러운 장면, 빈 화면, 심지어 완전한 어둠 속에서 볼 때 수백 개의 개별 신경 세포의 활동을 기록함으로써, 뇌가 두 전략을 모두 결합하여 사용하되 서로 다른 유형의 뉴런들 사이에 놀라운 역할 분담을 하고 있다는 사실을 발견했습니다.

연구진은 움직임을 감지하는 데 전문성을 가진 영역으로 알려진 마모셋 뇌의 두 특정 부위에 집중했습니다. 그들은 동물이 화면상의 이미지를 자유롭게 바라보는 간단한 과제를 수행하는 동안 개별 뉴런의 전기 신호를 듣기 위해 아주 작은 기록 장치를 삽상했습니다. 뉴록의 무엇이 뉴런을 구동하는지 이해하기 위해 팀은 조건을 변화시켰습니다. 때때로 동물들은 풍부하고 자연스러운 사진을 보았습니다. 다른 경우에는 눈의 도약 중에도 시각적 움직임이 발생할 수 없는 빈 회색 화면을 보았습니다. 세 번째 조건에서는 불이 완전히 꺼졌고, 동물들은 완전한 어둠 속에서 눈의 움직임을 만들었습니다. 마지막으로, 연구진은 동물의 눈은 완벽하게 고정된 상태에서 화면의 이미지를 움직여 사카드의 시각적 효과를 시뮬레이션함으로써, 실제 눈의 움직임과 시각적 움직임을 분리해 냈습니다.

기록 결과, 각각의 눈의 도약에 다르게 반응하는 다양한 뉴런 집단이 드러났습니다. 약 39%의 세포는 눈의 움직임이 시작되자마자 거의 즉시 활동의 폭발(burst)을 일으켰습니다. 이 "조기 반응" 뉴런들은 눈이 정확히 어느 방향으로 움직였는지 아는 것처럼 보였기에 특히 흥미로웠습니다. 이러한 방향성 튜닝은 동물이 복잡한 이미지를 보든, 빈 화면을 보든, 혹은 어둠 속에서 보든 동일하게 유지되었습니다. 이는 이 세포들이 뇌의 모터 명령 센터로부터 직접적인 신호, 즉 "우리는 오른쪽으로 눈을 움직이고 있다"라는 일종의 내부 메모를 전달받고 있음을 시사하며, 이를 통해 세포가 시각적 흐려짐이 도착하기도 전에 움직임을 예측할 수 있게 합니다.

하지만 이야기는 단지 메모를 받는 것만이 아닙니다. 이 동일한 조기 뉴런들은 동물의 눈이 가만히 있는 상태에서도 사카드를 시뮬레이션하기 위해 화면의 이미지가 움직일 때 격렬하게 반응했습니다. 이는 이들이 시각적 움직임 자체에도 매우 민감하다는 것을 나타냅니다. 연구진은 이 세포들이 내부의 모터 신호와 외부의 시각적 움직임을 모두 통합하여 사카드가 일어나고 있음을 감지하는 것으로 보인다고 밝혔습니다. 이들은 내부 명령을 통해 선제적으로 대응하고 시각적 움직임을 통해 사건을 확인하는 빠른 작동 감지 시스템 역할을 하는 것으로 보입니다.

이러한 조기 탐지기들과 대조적으로, 다른 그룹의 뉴런들은 다르게 행동했습니다. 이 세포들은 눈이 움직일 때 발화하는 대신, 오히려 조용해졌습니다. 이러한 억제는 미세한 디테일과 높은 대비 패턴을 보도록 튜닝된 뉴런들에서 가장 두드러졌습니다. 눈이 도약할 때 이 세포들은 작동을 멈추어, 뇌가 흐릿함을 처리하는 것을 방지하기 위해 시각 채널을 효과적으로 차단했습니다. 이 세포 그룹은 뇌의 주요 흥분성 뉴런, 즉 다른 부분으로 정보를 보내는 뉴런들과 흔히 연관되는 더 넓은 전기적 파형을 가진다는 특징을 보였습니다.

아마도 가장 놀라운 발견은 현실을 위한 필터 역할을 하는 작은 뉴-런 집단이었을 것입니다. 이 세포들은 화면의 이미지가 이동하여 사카드를 시뮬레이션할 때는 강하게 반응했지만, 동물이 실제로 사카드를 수행할 때는 완전히 침묵했습니다. 이들은 세상이 움직여서 발생하는 움직임과 눈이 움직여서 발생하는 움직임을 구분할 수 있었습니다. 연구진은 이들을 "사카드 누락(saccadic omission)" 단위라고 불렀습니다. 이들이 나머지 뇌로 정보를 전달하는 주체이기 때문에, 자기 유도적 움직임을 무시하는 능력은 우리가 안정적인 세상을 보는 핵심적인 열쇠가 될 것입니다. 만약 이 세포들이 눈의 도약으로 인한 흐릿함에 반응했다면, 우리의 지각은 우리가 눈을 돌릴 때마다 방해받았을 것입니다.

연구 또한 이 세포 유형들을 뇌 조직 내의 특정 층(layer)에 매핑했습니다. 빠르게 작동하는 조기 반응 뉴런들은 주로 깊은 층과 입력 층에서 발견되었는데, 이곳에서 이들은 활동을 빠르게 억제할 수 있는 억제성 세포인 것으로 보였습니다. 실제 사카드의 움직임을 무시하는 세포들은 주로 출력 층인 표면 층에서 발견되었으며, 이 층은 다른 뇌 영역으로 신호를 보내는 곳입니다. 이러한 배치는 특정한 회로를 시사합니다. 즉, 빠르고 억제적인 세포들이 눈의 움직임을 감지하고 억제 신호를 트리거하면, 상층부의 출력 세포들이 그 정보를 사용하여 노이즈를 걸러냄으로써, 우리의 의식적 지각으로 전달되는 최종 이미지가 안정적으로 유지되도록 하는 것입니다.

자연스러운 관찰, 빈 화면, 그리고 어둠을 결합한 기록을 통해 연구진은 우리의 안정적인 시각 경험을 만드는 복잡한 신호의 혼합을 분리해 낼 수 있었습니다. 그들은 뇌가 눈의 움직임으로 인한 흐릿함을 상쇄하기 위해 단일 메커니즘에 의존하는 것이 아님을 발견했습니다. 대신, 뇌는 조정된 뉴런 팀을 고용합니다. 어떤 세포들은 내부 명령과 시각적 단서를 결합하는 빠른 탐지기 역할을 하며, 다른 세포들은 우리의 행동으로 인해 발생하는 움직임을 구체적으로 무시하는 필터 역할을 합니다. 이러한 역할 분담 덕분에 뇌는 우리의 눈이 엄청난 속도로 움직이는 동안에도 명확하고 안정적인 세계의 모습을 유지할 수 있습니다.