Human single-neuron correlates of somatosensation
사지마비 환자의 단일 뉴런 기록을 분석함으로써, 본 연구는 일차 체성감각 피질(S1)이 촉각 자극의 물리적 진폭을 인코딩하는 반면 후두정피질(PPC) 활동은 의식적 지각 및 확신과 더 강하게 상관되어 있음을 밝혀냈으며, 이는 PPC가 물리적 입력을 주관적 인식으로 변환한다는 상호 보완적인 역할 분담을 시사한다.
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촉각은 우리가 가진 가장 즉각적인 감각으로, 따뜻한 컵을 쥐고 있거나 거친 벽에 스치는 것과 같은 정보를 끊임없이 전달하는 정보의 흐름이다. 그러나 우리는 피부의 신경이 이러한 감각에 어떻게 반응하는지는 정확히 알고 있음에도 불구하고, 물리적 접촉이 의식적인 경험이 되는 순간은 여전히 신경과학의 가장 깊은 미스터리 중 하나로 남아 있다. 과학자들은 이 변환이 뇌의 어디에서 일어나는지를 두고 오랫동안 논쟁해 왔다. 이것이 피부로부터 신호를 처음 받는 영역인 일차 체성감각 피질에서 일어나는 것일까, 아니면 세상에 대한 온전한 그림을 만들기 위해 정보를 통합하는 더 높은 단계의 뇌 영역에서 일어나는 것일까? 이 구분을 이해하는 것은 인간의 마음을 지도로 그리는 것뿐만 아니라, 언젠가 촉각을 잃은 사람들에게 촉각을 복구해 줄 수 있는 기술을 개발하는 데 있어서도 매우 중요하다.
이 수수께끼를 풀기 위해 연구진은 살아있는 인간의 개별 뇌세포가 내는 생각을 직접 듣는다는 드물고 강력한 기회에 주목했다. 연구팀은 사지마비 환자 세 명과 함께 연구를 진행했는데, 사지마비는 척수 손상으로 인해 몸의 특정 수준 아래의 움직임과 감각이 차단되는 상태를 말한다. 이 참가자들은 이전에 생각만으로 컴퓨터 커서를 제어할 수 있도록 돕기 위해 설계된 절차인, 뇌에 미세한 전극 그리드를 이식하는 수술을 받은 적이 있었다. 연구진은 이 기존의 임플란트를 사용하여 참가자들이 간단한 과제를 수행하는 동안 수천 개의 단일 뉴런의 전기적 활동을 기록했다. 과학자들은 팔꿈치나 손가락처럼 여전히 약간의 감각이 남아 있는 참가자의 팔 부위에 부드러운 진동을 전달했다. 진동은 느낄 수 있는 경계선에 걸칠 정도로 매우 특정한 강도로 설정되었다. 때때로 참가자들은 촉각을 느꼈다고 보고했다. 반면, 정확히 동일한 물리적 진동에도 불구하고 어떤 경우에는 아무것도 느끼지 못했다고 보고하기도 했다.
연구진은 두 가지 특정 영역에 대한 '경청'에 집중했다. 첫 번째는 신체의 촉각 신호가 뇌로 들어오는 첫 번째 정거장 역할을 하는 일차 체성감각 피질이었다. 두 번째는 물체가 공간의 어디에 있는지 이해하고 그것과 상호작용하는 것을 돕는, 더 뒤쪽에 위치한 후두정엽 피질이었다. 촉각을 느꼈을 때와 놓쳤을 때의 두 영역 내 뉴런 활동을 비교함으로써, 연구팀은 명확한 분업 체계를 발견했다. 일차 감각 피질의 뉴들은 정밀한 센서처럼 작동했다. 이들은 참가자가 인지하든 그렇지 않든, 진동이 발생할 때마다 강하게 반응했다. 참가자가 아무것도 느끼지 못한다고 보고했을 때조차, 이 세포들은 물리적 진동의 힘에 여전히 반응하고 있었다. 이는 이 초기 뇌 영역이 자극의 가공되지 않은 강도를 측정하는 데는 탁월하지만, 촉각이라는 의식적인 느낌이 생성되는 장소는 아님을 시사한다.
대조적으로, 후두정엽 피질의 뉴런들은 다른 이야기를 들려주었다. 이 세포들은 단순히 물리적 진동의 강도를 추적하지 않았다. 대신, 이들의 활동은 참가자의 주관적인 경험과 밀접하게 일치했다. 사람이 촉각을 느꼈을 때, 이 뉴런들은 뚜렷한 패턴으로 발화했다. 물리적 진동이 동일했음에도 불구하고 사람이 촉각을 놓쳤을 때, 이 영역의 활동은 훨씬 약하거나 나타나지 않았다. 연구진은 이 더 높은 단계의 뇌 영역에서의 신호가 참가자가 자신의 지각에 대해 느끼는 확신도를 더 잘 예측한다는 사실도 발견했다. 만약 어떤 사람이 진동을 느꼈다고 매우 확신한다면, 후두정엽 피질의 뉴런들은 확신이 없을 때보다 더 강하고 뚜렷한 신호를 보였다. 이러한 패턴은 참가자들이 자신의 느낌을 보고하도록 요청받지 않았을 때도 유효했으며, 이는 이 활동이 단순히 말하거나 움직이는 행위에 대한 반응이 아니라 진정한 의식적 경험의 일부임을 나타냈다.
또한 이 연구는 의식적인 인지가 뇌의 단일 고립된 지점의 작업이 아님을 밝혔다. 촉각이 느껴질 때, 연구진은 움켜쥐기와 움직임에 관여하는 뇌 네트워크, 즉 운동 피질과 두정엽의 다른 부분들을 가로지르는 조화로운 활동의 파동을 관찰했다. 그러나 각 영역의 구체적인 역할은 여전히 뚜렷했다. 일차 감각 피질은 물리적 세계에 대한 가공되지 않은 데이터를 제공했고, 후두정엽 피질과 그 연결된 네트워크는 그 데이터를 의식적인 지각으로 변환했다. 연구진은 이러한 차이가 참가자들의 척수 손상이나 진동의 특정 위치로 인한 오류가 아님을 확인했는데, 이 패턴은 서로 다른 신체 부위와 서로 다른 개인들에게서도 일관되게 나타났기 때문이다.
이러한 발견은 뇌가 어떻게 촉각을 구성하는지에 대한 명확한 지도를 제공한다. 이는 진동이라는 물리적 감각은 뇌의 초기에 측정되지만, 그 감각에 대한 의식적인 인지는 후두정엽 피질을 중심으로 한 더 넓은 네트워크의 조화로운 활동을 통해 나타난다는 점을 시사한다. 이러한 구분은 왜 어떤 사람들이 일차 감각 영역에 손상을 입고도 여전히 어느 정도의 인지를 유지할 수 있는지, 또는 왜 특정 뇌 손상이 신경이 온전함에도 불구하고 촉각 인지의 상실을 초래할 수 있는지를 설명하는 데 도움을 준다. 미래의 뇌-컴퓨터 인터페이스를 위해, 이 연구는 공학자들이 단순히 초기 감각 영역만을 자극하는 것이 아니라, 그 신호에 의미와 인식을 부여하는 고차원적 네트워크를 자극해야 할 것임을 알려주는 중요한 길잡이가 된다.
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