Tree shrews combine panoramic vision with an expanded oculomotor repertoire
이 연구는 나무땃쥐가 측면에 위치한 눈을 가지고 있음에도 불구하고 정밀한 안구 주도 시선 제어와 중심 시야의 과표집을 포함하는 확장된 안구 운동 레퍼토리를 보유하고 있음을 입증하며, 이는 파노라마 시야와 독립적인 안구 운동이 상호 배타적인 적응 형질이 아니라 분리 가능한 형질임을 증명한다.
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대부분의 포유류는 머리 옆면에 위치한 눈을 통해 세상을 보는데, 이러한 구조는 포식자를 발견하기 위한 넓은 파노라마 시야를 제공하지만, 머리 전체를 돌리지 않고는 하나의 물체에 집중하는 것을 어렵게 만든다. 이와 대조적으로, 영장류를 비롯한 전방 주시형 동물들은 눈이 앞을 향하고 있어, 머리의 움직임과는 독립적으로 눈만을 사용하여 새로운 목표물을 향해 시선을 빠르고 정밀하게 옮길 수 있다. 오랫동안 과학자들은 이 두 가지 특성이 서로 묶여 있다고 믿어 왔다. 즉, 동물이 옆을 향한 눈을 가졌다면 머리를 돌려 주변을 살펴야 하며, 이 과정에서 눈을 자유롭게 움직이는 능력은 희생되어야 한다는 것이다. 이러한 상충 관계는 넓은 시야를 얻는 대신 정밀한 안구 제어 능력을 잃게 된다는 자연의 근본적인 법칙처럼 보였다.
코넬 대학교의 연구진은 이 규칙이 정말로 깨뜨릴 수 없는 것인지 테스트하기 위해 나섰다. 그들은 나무에 살며 민첩하게 움직이는 작은 포유류인 나무쥐(tree shrew)에 주목했는데, 나무쥐는 눈이 머리 옆면에 위치해 있다. 나무쥐는 진화론적으로 영장류와 가까운 친척이지만, 이들의 측면 눈 배치는 쥐(rat)나 생쥐(mouse)와 같은 다른 측면 눈을 가진 동물들이 따르는 엄격한 규칙을 따를 것이라는 인상을 준다. 과학자들은 측면 눈을 가진 동물이 실제로 틀을 깨고 전방 주시형 동물과 같은 독립성과 정밀함을 가지고 시선을 제어할 수 있는지 알고 싶었다. 이를 알아내기 위해 그들은 나무쥐의 머리를 고정시킨 상태에서 눈을 관찰하는 시스템을 구축하였고, 동물이 머리를 움직이려 하지 않고도 주변을 둘러볼 수 있는지 확인하기 위해 아주 미세한 움직임까지 측정하였다.
연구팀은 나무쥐가 기존의 규칙을 따르지 않는다는 사실을 발견했다. 머리가 고정되었을 때, 나무쥐는 눈을 빈번하고 매우 빠르게 움직이며 방 안의 서로 다른 부분들을 훑었다. 결정적으로, 이러한 안구 운동은 동물이 머리를 움직이려는 시도를 전혀 하지 않은 상태에서 일어났다. 실제로 안구 운동의 거의 90%가 감지 가능한 머리 움직임 없이 발생했다. 이는 연구진이 함께 테스트한 쥐(rat)와 극명한 대조를 이루었는데, 쥐는 머리가 고정되어 있을 때 눈을 매우 드물게 움직였으며, 눈을 움직일 때도 거의 항상 눈과 함께 머리를 움직이려 했다. 그러나 나무쥐는 영장류처럼 수평 및 수직으로 시선을 옮길 수 있었으며, 이는 옆에 위치한 눈을 가졌다고 해서 반드시 머리에 의존하여 주변을 보아야 하는 것은 아님을 입증했다.
연구진은 이 안구 운동이 단순히 무작위적인 것인지, 아니면 동물이 실제로 특정 대상을 겨냥할 수 있는 것인지 질문을 던졌다. 그들은 화면에 나타나는 시각적 목표물을 바라보도록 나무쥐를 훈련시켰다. 나무쥐들은 목표물을 향해 시선을 돌리는 법을 빠르게 익혔으며, 빠르고 정확한 움직임으로 목표를 포착했다. 더욱 놀라운 점은, 나무쥐가 몇 초 동안 목표물에 시선을 고정할 수 있다는 것이었는데, 이는 미세한 세부 사항을 보는 데 필수적인 '주시(fixation)' 기술이다. 이처럼 시선을 빠르게 옮기는 능력과 안정적으로 유지하는 능력을 모두 갖춘 것은 전방 주시형 동물의 특징이지만, 나무쥐는 명백히 파노라마 시야를 위해 배치된 눈을 가지고도 이를 수행해 냈다.
이것이 어떻게 가능한지 이해하기 위해 과학자들은 나무쥐의 생물학적 구조를 더 깊이 조사했다. 그들은 동물이 목표물을 볼 때 집중하는 영역인 시야의 중심부를 뇌가 어떻게 처리하는지, 즉 시각 피질을 조사했다. 그 결과, 나무쥐의 뇌는 영장류가 가진 특수한 중심점(fovea)은 없지만, 목표물을 볼 때 집중하는 시야의 중심부에 불균형적으로 많은 공간을 할애하고 있다는 것을 발견했다. 이는 영장류의 뇌가 조직된 방식과 유사하다. 나아가 연구팀은 눈을 움직이는 근육을 연구했다. 그들은 나무쥐가 이 근육들에 '팔리세이드 엔딩(palisade endings)'이라 불리는 복잡한 형태의 신경 말단을 가지고 있음을 발견했는데, 이는 정밀한 안구 제어를 가진 동물들에게서 주로 발견되는 구조다. 머리 움직임에 더 의존하는 쥐는 훨씬 단순한 형태의 신경 말단을 가진 반면, 나무쥐는 전방 주시형 종들에게서 보이는 정교하고 상세한 구조를 가지고 있었다.
이 연구는 눈의 배치와 시선 제어 사이의 연결 고리가 생각만큼 경직되어 있지 않음을 시사한다. 나무쥐는 파노라마 시야와 전방 주시형 동물에게서나 볼 수 있는 정교하고 독립적인 안구 제어 능력을 결합하는 데 성공했다. 연구진은 이러한 독특한 조합이 나무라는 복잡한 3차원 세계를 항해하는 데 도움을 주기 위해 진화했을 것이라고 제안한다. 나뭇가지 사이를 뛰어넘을 때, 나무쥐는 균형과 이동을 위해 머리의 방향을 유지하면서 동시에 다음 착지 지점을 스캔해야 한다. 머리와 독립적으로 눈을 움직일 수 있는 능력은 신체의 움직임을 방해하지 않으면서도 미래의 목표물을 검사할 수 있게 해준다. 이 발견은 시각 체계의 설계가 이전에 믿어왔던 것보다 훨씬 유연하며, 자연이 특정 생존 과제를 해결하기 위해 여러 특징을 혼합하고 조합할 수 있음을 보여준다.
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