Neuronal processing of facial expressions in the primate superior colliculus
이 연구는 영장류의 상구(superior colliculus)에서 얼굴 표정을 차별적으로 처리하는 두 개의 뚜렷한 뉴런 집단을 식별하였는데, 한 집단은 위협에 대해 빠른 선호도를 보이고 다른 집단은 공포에 대해 지연된 선호도를 보임으로써 정서적 현저성을 위한 피질하 회로의 구체적인 단계들을 명확히 하였다.
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영장류에게 얼굴은 단순한 형태 그 이상입니다. 그것은 위험, 의도, 그리고 사회적 연결에 대한 신속한 정보의 흐름입니다. 생존하고 번성하기 위해 동물은 자신이 보고 있는 것의 세부 사항을 완전히 처리하기도 전에, 즉 순식간에 위협을 포착할 수 있어야 합니다. 과학자들은 뇌가 이 긴급한 과업을 수행하기 위해 대뇌 피질의 느리고 상세한 처리 센터를 우회하여, 뇌 심부에 있는 더 빠르고 오래된 경로에 의존하는 지름길을 사용한다고 오랫동안 의심해 왔습니다. 이 경로는 시각적 주의의 관문 역할을 하는 상구(superior colculus)라는 작은 구조체를 포함하며, 이를 감정 조절로 알려진 편도체와 연결합니다. 우리는 편도체가 공포스럽거나 화난 얼굴에 강하게 반응한다는 것은 알고 있지만, 상구가 정확히 어느 시점에 어떤 방식으로 위협적인 으르렁거림과 두려움 섞인 미소를 구별하기 시작하는지는 미스터리로 남아 있었습니다.
이 수수께끼를 풀기 위해, 연구진은 두 마리의 성체 붉은털원숭이의 상구에 있는 개별 신경 세포의 전기적 활동을 기록했습니다. 원숭이들은 화면에 얼굴 이미지와 함께 손 및 일상적인 사물의 이미지가 나타나는 동안 조용히 앉아 있었습니다. 연구진은 뇌의 반응이 단순히 밝기나 대비의 차이 때문이 아니라 표정 자체 때문임을 보장하기 위해 정교하게 균형 잡힌 사진 세트를 사용했습니다. 이미지에는 네 가지 유형의 표현이 포함되었습니다: 위협적인 표정, 두려움의 미소, 즐거운 미소, 그리고 무표정입니다. 이미지가 나타난 후 몇 밀리초 동안 뉴런이 어떻게 발화하는지를 관찰함으로써, 연구팀은 뇌가 이러한 감정 신호를 정확히 언제, 어떻게 분류하기 시작하는지 지도화할 수 있었습니다.
연구 결과, 뇌는 모든 감정적인 얼굴을 동일하게 취급하지 않으며, 그 모든 것을 동시에 처리하는 것도 아니라는 사실이 밝혀졌습니다. 대신, 상구에는 각자의 타이밍과 초점을 가진 전문화된 파수꾼처럼 작동하는 두 개의 별개 뉴런 집단이 존재합니다. 한 그룹의 세포는 이미지를 본 지 약 60밀리초 이내에 매우 빠르게 반응합니다. 이 빠른 응답자들은 특히 위협을 탐지하도록 조정되어 있습니다. 원숭이가 이빨을 드러내는 위협적인 표정의 얼굴을 볼 때, 이 뉴로들은 거의 즉시 발화하여 위험한 것이 존재함을 알립니다. 이 신속한 반응은 너무나 빨라서 동물이 무엇을 보고 있는지 완전히 이해하기도 전에 자신의 시선과 몸을 잠재적 위험 쪽으로 향하게 하는 데 도움을 줄 가능성이 높습니다.
두 번째 뉴런 집단은 다른 일정에 따라 작동합니다. 이 세포들은 위협에 즉각적으로 반응하는 대신, 이미지가 나타난 후 약 150밀리초가 될 때까지 기다립니다. 이들이 발화할 때, 그들은 위협 표정에 반응하는 것이 아니라 두려움의 표정에 반응합니다. 이러한 지연은 두려움을 인식하는 것이 초기 경보 다음에 따르는 약간 더 복잡한 단계임을 시사합니다. 연구진은 이 두 그룹의 뉴런이 대체로 분리되어 있다는 것을 발견했습니다. 초기에 "위협"을 외치는 세포는 나중에 "두려움"을 알리는 세포와 동일한 세포가 아닙니다. 이러한 분리는 뇌가 이 두 가지 중요한 감정을 매우 초기 시각 처리 단계에서부터 서로 다른 채널을 통해 처리한다는 것을 암시합니다.
연구는 또한 이 신호들이 시야의 어디에서 오는지를 조사했습니다. 중심 시야 바로 바깥쪽 영역인 파포비아(parafoveal) 영역을 모니터링하는 뉴런들이 가장 강력하고 일관된 패턴을 보였습니다. 이 세포들은 위협을 탐지하는 능력을 더 오랜 기간 유지했으며, 나중에 두려움 신호를 보내는 주요 원천이었습니다. 이는 진화론적 관점에서 타당합니다. 우리의 직접적인 시선 바로 바깥쪽 영역은 포식자나 경쟁자가 옆에서 접근하는 것을 포착할 가능성이 가장 높은 곳이기 때문입니다. 시야 중심에 집중된 세포들도 이러한 표정에 대한 민감성을 보였지만, 그 패턴은 덜 일관적이었고 개체 간의 차이가 더 컸습니다.
수백 개의 뉴런의 집단적 활동을 분석함으로써, 연구진은 뇌가 이 초기 활동을 바탕으로 서로 다른 감정적 얼굴을 정확하게 구별할 수 있음을 확인했습니다. 첫 1초도 안 되는 짧은 시간 동안, 뇌의 활동은 위협적인 얼굴과 중립적이거나 즐거운 얼굴 사이의 차이를 구별하는 데 가장 탁월합니다. 잠시 후, 활동은 변화하여 두려운 얼굴을 다른 얼굴들과 구별하는 데 가장 효과적이 됩니다. 이러한 시간적 변화는 뇌가 단순히 "무서운 얼굴"을 하나의 범주로 보는 것이 아니라, 위협의 신속한 탐지와 그 뒤를 잇는 약간 더 느린 두려움의 인식으로 경험을 세분화한다는 것을 의미합니다.
이러한 발견은 감정적인 얼굴을 읽는 능력이 정보가 대뇌 피질의 고차 처리 센터에 도달하기 훨씬 전인 중뇌에서 시작된다는 직접적인 증거를 처음으로 제공합니다. 상구는 단순히 수동적인 중계 스테이션이 아닙니다. 그것은 감정적 중요성의 타임라인을 능동적으로 구축합니다. 상구는 먼저 폭발적인 활동으로 즉각적인 위험을 표시한 다음, 두려움에 대한 더 미묘한 신호를 이어갑니다. 서로 다른 속도를 가진 서로 다른 세포 집단에 의해 처리되는 이 이단계 과정은, 영장류(인간 포함)가 사회적, 감정적 단서가 가득한 세상을 항해하도록 어떻게 설계되어 있는지에 대한 새로운 이해를 제공합니다. 결과는 우리의 복잡한 사회적 상호작용의 토대가 우리가 얼굴을 보는 첫 순간부터 생존과 사회적 인식을 우선시하는 이 오래되고 신속한 신경 회로 위에 구축되어 있음을 시사합니다.
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