Early visual cortex is not functionally necessary for temporal attention: A TMS study

인간의 뇌는 효율성의 경이로움이지만, 동시에 결핍의 생물체이기도 합니다. 뇌는 에너지 예비량을 모두 소진하지 않고는 주변 환경의 모든 시각, 청각, 감각을 동시에 처리할 수 없습니다. 생존을 위해 뇌는 '주의(attention)'라고 불리는 전략을 채택하는데, 이는 특정 정보의 선명도는 높이고 나머지 모든 것은 흐릿하게 만드는 조명 역할을 수행합니다. 과학자들은 우리가 시야의 특정 지점에 어떻게 집중하는지는 오랫동안 이해해 왔지만, 시간의 특정 순간에 어떻게 집중하는지에 대한 문제는 여전히 풀리지 않은 숙제로 남아 있었습니다. 우리는 특정 순간에 대비하기 위해 스스로 의도적으로 준비할 수 있다는 것을 알고 있지만, 이 능력 뒤에 숨겨진 생물학적 기제는 미스터리였습니다. 이전 연구들은 우리가 특정 시간에 집중할 때, 눈으로부터 오는 이미지를 처음으로 받아들이는 머리 뒷부분의 영역인 초기 시각 피질에서 활동이 증가한다는 것을 뇌 스캐너를 통해 보여주었습니다. 그러나 이러한 스캐너들은 상관관계만을 보여줄 뿐입니다. 즉, 두 가지 일이 동시에 일어난다는 사실은 밝혀내지만, 하나가 다른 하나를 유발한다는 인과관계는 증명하지 못합니다. 이 초기 시각 영역이 실제 타이밍 작업을 수행하는 다른 뇌 부위 때문에 단순히 불이 켜진 구경꾼일 가능성이 남아 있었던 것입니다.

이 수수께끼를 풀기 위해 뉴욕 대학교의 연구진은 초기 시각 피질이 이러한 시간 기반 주의력에 실제로 필요한지를 테스트하기 위한 실험을 설계했습니다. 연구진은 경두개 자기 자극(transcranial magnetic stimulation)이라는 기술을 사용했는데, 이는 두피에 자기 코일을 대고 짧고 무해한 펄스를 전달하여 그 아래에 있는 뇌세포의 전기적 활동을 일시적으로 방해하는 방식입니다. 시각적 표적이 나타나는 정확한 순간에 이 펄스를 적용함으로써, 연구팀은 초기 시각 피질을 방해했을 때 특정 순간에 집중하는 뇌의 능력이 깨지는지를 확인할 수 있었습니다. 만약 초기 시각 피질이 시간적 주의의 엔진이라면, 이를 방해했을 때 사람들의 수행 능력이 느려지거나 정확도가 떨어져야 했습니다. 반면, 만약 뇌가 시간을 관리하기 위해 더 높은 수준의 다른 시스템에 의존한다면, 초기 시각 영역을 방해하더라도 수행 능력에 아무런 영향이 없어야 했습니다.

연구진은 자원봉사자들에게 화면의 오른쪽 하단에 차례로 나타나는 두 개의 도형, 즉 가보 패치(Gabor patches)라고 불리는 모양을 관찰하는 과제를 요청했습니다. 도형이 나타나기 전, 소리가 자원봉사자들에게 어떤 모양을 식별해야 하는지에 대한 힌트를 주었습니다. 때때로 이 힌트는 정확하여 어떤 모양을 주시해야 하는지 정확히 알려주었지만, 다른 경우에는 소리가 중립적이고 도움이 되지 않았습니다. 자원봉사자들은 주어진 도형이 왼쪽이나 오른쪽으로 약간 기울어져 있는지 판단해야 했습니다. 실험은 네 가지 서로 다른 조건 하에 진행되었습니다. 어떤 시행에서는 자기 펄스가 첫 번째 도형이 나타날 때 전달되었고, 다른 경우에는 두 번째 도형이 나타날 때 전달되었으며, 어떤 경우에는 두 번 모두 전달되었고, 대조군에서는 펄스가 전혀 전달되지 않았습니다. 결정적으로, 자원봉사자들은 펄스가 언제 발생할지 예측할 수 없었기에 자극과 관계없이 뇌 상태가 일정하게 유지되도록 했습니다. 자기 펄스가 실제로 뇌에 영향을 미치고 있는지 확인하기 위해, 연구진은 또한 시각 피질이 자극될 때 자연스럽게 동공이 확장되는 현상을 이용하여 자원봉사자들의 동공 크기를 모니터링했습니다.

결과는 명확하고 놀라웠습니다. 자원봉사자들이 어떤 모양을 주시해야 하는지에 대한 유용한 힌트를 받았을 때, 그들은 기울기를 더 정확하게 식별하고 더 빠르게 반응하며 훨씬 더 나은 성과를 보였습니다. '시간적 주의의 이점'이라고 알려진 이 향상은 모든 조건에서 일관되게 나타났습니다. 가장 중요한 점은, 초기 시각 피질에 전달된 자기 펄스가 이 이점을 감소시키지 않았다는 것입니다. 펄스가 첫 번째 도형에 맞았든, 두 번째 도형에 맞았든, 둘 다에 맞았든, 혹은 둘 다 아니었든 간에, 올바른 순간에 집중하는 자원봉사자들의 능력은 온전하게 유지되었습니다. 데이터는 뇌의 특정 순간을 우선시하는 능력이 초기 시각 피질에 의존하지 않는다는 것을 보여주었습니다. 연구진은 펄스가 전달될 때 자원봉사자들의 동공이 크게 확장됨으로써 자극이 의도한 대로 작동하고 있음을 확인하여, 뇌 조직이 영향을 받고 있음을 입증했습니다. 그러나 이러한 생리적 방해는 행동적 실패로 이어지지 않았습니다.

이러한 발견은 특정 순간에 자발적으로 집중하는 뇌의 능력이 일차적인 시각 처리 센터와 독립적으로 작동함을 시사합니다. 뇌는 시간적 주의를 관리하기 위해 초기 시각 피질에 의존하는 대신, 과업 관련 정보를 선택하고 보호하기 위해 전두엽 및 대상회 영역과 같은 고차원 영역을 사용하는 것으로 보입니다. 이 연구는 초기 시각 피질이 보는 것에는 필수적이지만, 우리의 주의력을 조절하는 내부 시계의 엔진은 아니라는 최초의 인과적 증거를 제공합니다. 뇌는 초기 시각 처리 영역이 일시적으로 침묵하더라도 시간적 초점을 유지할 수 있으며, 이는 우리가 언제 주의를 기울일지를 관리하는 데 있어 더 복잡하고 분산된 시스템이 존재함을 가리킵니다.