Neuronal avalanches in awake macaque V1 and V4
이 연구는 깨어 있는 마카크 원숭이의 초기 시각 피질(V1 및 V4)에서 나타나는 신경원 폭포 현상이 강한 구조적 구심성 입력의 존재에도 불구하고, 이전에 운동 영역에서 관찰되었던 것과 유사하게 견고한 멱법칙 스케일링과 임계 역학을 보인다는 것을 입증한다.
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뇌는 정적인 기계가 아니라 결코 진정으로 휴식하지 않는 살아있는 네트워크입니다. 우리가 특별히 무언가를 생각하고 있지 않을 때조차도, 수십억 개의 뉴런은 복잡하고 변화하는 패턴을 그리며 발화합니다. 수십 년 동안 과학자들은 이 배경 소음이 무작위적인 혼돈인지, 아니면 숨겨진 질서를 따르는지 궁금해해 왔습니다. 한 가지 강력한 가설은 뇌가 '임계점(critical point)', 즉 정보가 가장 효율적으로 흐를 수 있는 질서와 혼돈 사이의 섬세한 균형 상태에서 작동한다는 것입니다. 이 상태에서 작은 활동의 불꽃은 때때로 빠르게 사라지기도 하지만, 다른 때에는 작은 눈송이가 거대한 눈사태를 일으키는 것처럼 대규모의 동기화된 발화 파도로 이어지기도 합니다. '뉴런 아발란체(neuronal avalanches)'라고 알려진 이 폭포 현상은 작은 사건의 빈도는 높지만, 큰 사건은 비록 드물더라도 예측 가능한 곡선에 부합할 만큼 자주 발생하는 특정한 수학적 패턴을 따르는 것으로 보입니다. 만약 뇌가 진정으로 이 임계점에서 존재한다면, 이는 뇌 네트워크가 변화하기에 너무 경직되어 있지도, 생각을 유지하기에 너무 혼란스럽지도 않은, 정보를 처리하기에 완벽하게 조율된 상태임을 의미합니다.
최근까지 이 현상은 깨어 있는 원숭이의 운동 영역(움직임을 제어하는 곳)과 마취된 동물의 뇌 절편에서 명확하게 관찰되었습니다. 그러나 결정적인 질문 하나가 해결되지 않은 채 남아 있었습니다. 바로 깨어 있는 동물의 시각 피질에서도 이와 동일한 임계 조직이 존재하는가 하는 점이었습니다. 시각 체계는 눈으로부터 오는 강하고 구조화된 신호에 끊임없이 노출되기 때문에 매우 독특합니다. 과학자들은 이 강력한 외부 입력이 아발란체의 섬세한 균형을 깨뜨릴 것인지, 아니면 동물이 세상을 보고 있는 동안에도 뇌의 내부적인 조직 규칙이 지속될 만큼 강력한지를 알아내야 했습니다.
이를 확인하기 위해 연구진은 성체 마카크 원숭이 두 마리로부터 기록된 방대한 데이터 세트를 활용했습니다. 이 동물들에게는 시각 뇌의 두 핵심 영역, 즉 눈으로부터 첫 번째 신호를 받는 일차 시각 피질과 더 복잡한 시각적 세부 사항을 처리하는 상위 영역에 걸쳐 천 개 이상의 미세 전극이 포함된 어레이가 삽착되어 있었습니다. 원숭이들은 어두운 방에 조용히 앉아 있었으며, 특정 과제를 수행하지 않았기에 과학자들이 뇌의 자발적인 활동을 관찰할 수 있었습니다. 연구진은 동물이 깨어 있는 순간에 집중하여 수면이나 졸음 상태를 주의 깊게 걸러냈으며, 원숭이의 눈이 떠져 있는지 혹은 감겨 있는지에도 주목했습니다. 전극에서 나오는 전기 신호를 분석함으로써, 연구진은 아발란체의 징후, 즉 작게 시작하여 커지는 활동의 군집이 특정 통계적 패턴을 따르는지를 조사했습니다.
결과는 놀라웠습니다. 두 마리의 원숭이 모두에서 자발적인 전기 활동은 예측된 대로 이러한 폭포 현상을 형성했습니다. 아발란체의 크기는 가장 작은 사건보다 10배가 넘는 범위에 걸쳐 예상된 패턴을 따랐으며, 이는 시각 피질이 강력한 시각 신호를 받는 중에도 운동 피질과 동일한 방식으로 조직되어 있음을 확인시켜 주었습니다. 연구진은 분석 규칙을 변경하여 이 발견의 견고함을 테스트했습니다. 그들은 서로 다른 시간 창(time window)을 적용해 데이터를 살펴보았고, 무엇을 하나의 사건으로 간격할지에 대한 임계값을 높였으며, 심지어 많은 수의 전극을 제거하여 패턴이 유지되는지 확인했습니다. 모든 경우에 멱법칙(power-law) 관계는 온전하게 유지되었습니다. 신호의 타이밍을 뒤섞어 서로 다른 전극의 사건들이 더 이상 함께 일어나지 않도록 했을 때 패턴이 사라졌다는 점은, 이 조직화가 실제적인 것이지 단순한 통계적 착시가 아님을 증명했습니다. 또한 연구진은 가장 큰 아발란체가 멈추는 차단 지점이 관찰 중인 전극의 수에 따라 완벽하게 비례한다는 것을 발견했는데, 이는 가장 큰 사건의 크기가 뇌의 내부 역학이 아니라 얼마나 넓은 뇌 영역을 관찰하느냐에 의해 제한됨을 시사합니다.
연구에서 가장 흥미로운 부분 중 하나는 원숭이의 눈 상태와 관련되었습니다. 연구진은 동물의 눈이 떠져 있을 때와 감겨 있을 때의 뇌 활동을 비교했습니다. 직관적으로는 시각적 입력의 홍수가 차단될 때 뇌가 매우 다르게 행동할 것이라고 예상할 수 있습니다. 그러나 연구 결과, 아발란체의 근본적인 통계는 거의 변하지 않은 것으로 나타났습니다. 눈을 뜨고 있든 감고 있든, 폭포 현상의 크기, 성장 속도, 그리고 네트워크 내의 활동 균형은 동일하게 유지되었습니다. 관찰된 차이는 동일한 뇌 내의 서로 다른 기록 지점들 사이에서 나타나는 자연적인 변동보다 훨씬 작았습니다. 이는 뇌의 내부 조직이 매우 안정적이고 견고하며, 외부 세계가 급격하게 변하더라도 임계 상태를 유지할 수 있음을 시사합니다.
연구진은 전체적인 패턴은 일관되었지만, 두 마리의 원숭이 사이, 그리고 뇌 내의 서로 다른 기록 위치 사이에는 미묘한 차이가 있다는 점에도 주목했습니다. 이러한 변동은 눈을 뜨거나 감았을 때 발생하는 변화보다 컸으며, 이는 조직의 특정 구조나 기록의 기술적 세부 사항이 정확한 수치를 형성할 수 있음을 암시합니다. 이 연구는 뇌가 완벽하고 변하지 않는 임계 상태에서 작동한다는 증거를 찾은 것이 아니라, 오히려 외부 감각 입력의 변화에도 회복력을 가진 안정적인 '임계 유사(critical-like)' 조직을 유지하고 있음을 보여주었습니다. 이 작업은 뇌가 어떻게 작동하는지에 대한 우리의 이해를 확장하며, 뉴런 아발란체의 우아하고 척도가 없는(scale-free) 조직화가 운동 제어나 조용한 마취 상태에만 국한된 것이 아니라, 깨어 있는 감각 처리 뇌의 근본적인 특징임을 보여줍니다.
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