Automatic orofacial behaviors remap within cortical substrates for voluntary motor control in freely moving primates
이 연구는 자유롭게 움직이는 마카크 원숭이에서 자발적인 운동 제어와 통상적으로 연관된 피질 회로가 하품과 같은 자동적인 구강 안면 행동을 조절하고 형성하기 위해 능동적으로 동원된다는 것을 입증하며, 이는 서로 다른 인구 집단 역학이 자동적 및 자발적 안면 동작 모두를 지배하는 공유된 신경 기질이 존재함을 드러낸다.
원본 논문은 CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) 라이선스로 제공됩니다. 이것은 동료 심사를 거치지 않은 프리프린트의 AI 생성 설명입니다. 의학적 조언이 아닙니다. 이 내용을 바탕으로 건강 관련 결정을 내리지 마세요. 전체 면책 조항 읽기
수 세기 동안 과학자들은 두 종류의 움직임 사이에 명확한 선을 그어왔습니다. 한쪽에는 갑작스러운 하품이나 턱을 꽉 다물게 하는 분노의 표출처럼, 생각 없이 일어나는 자동적이고 본능적인 행동들이 있습니다. 이러한 행동들은 의식적인 의지와는 독립적으로 작동하는 고대의 회로, 즉 뇌의 아주 깊은 곳에 단단히 박혀 있는 것으로 여겨집니다. 다른 한쪽에는 물을 한 모금 마시거나 사과를 베어 무는 것처럼, 뇌의 바깥층을 이용해 정밀한 명령을 계획하고 실행하는 자발적인 행동들이 있습니다. 오랫동안 유지되어 온 관점은 이 두 시스템이 서로 다른 경로에서 작동한다는 것이었습니다. 즉, 심부 뇌는 반사 작용을 담당하고, 표면 피질은 선택을 담당한다는 것이었습니다. 하지만 이러한 분리는 하나의 미스터지를 남깁니다. 만약 원숭이가 자동으로 하품을 할 수 있다면, 왜 하품을 하면서 동시에 이빨을 숨기거나 특정 소리를 섞어서 낼 수도 있는 것일까요? 이는 의식적인 뇌가 이러한 자동적인 패턴에 도달하여 이를 미세하게 조정할 수 있음을 시사하지만, 누구도 그 연결이 어떻게 작동하는지, 혹은 어디에서 일어나는지 알지 못했습니다.
연구팀은 원숭이가 자유롭게 움직이는 동안 그 뇌의 소리를 들음으로써 이 수수께끼를 해결하고자 했습니다. 그들은 움직임을 제어하는 데 책임이 있는 뇌 표면 부위인 복측 운동 및 전운동 피질에 집중했습니다. 실험실 의자에 구속하여 자연스러운 행동을 제한하는 대신, 과학자들은 두 마리의 마카크 원숭이에 무선 기록 장치를 장착했습니다. 이 장치들을 통해 과학자들은 원숭이들이 자신의 우리와 특별 관찰실을 돌아다니는 동안 뇌의 640개 서로 다른 지점의 전기적 활동을 모니터링할 수 있었습니다. 연구진은 네 가지 특정 행동, 즉 주로 자동적인 반응인 하품과 위협 표출, 그리고 자발적인 행동인 깨물기와 마시기를 관찰했습니다. 그들은 원숭이가 즙을 마시는 데 도움을 주는 것과 동일한 뇌 세포가 하품을 할 때도 발화하는지, 만약 그렇다면 어떻게 행동을 변화시키는지 확인하고자 했습니다.
결과는 놀라운 수준의 중첩을 보여주었습니다. 원숭이가 하품을 할 때, 연구진은 169개의 특정 지점에서 하나의 주파수 대역이 조용해진 후 다른 대역이 급증하는 뚜렷한 전기적 활동 패턴을 발견했습니다. 더 중요한 것은, 401개의 개별 신경 세포를 분리해 냈고 그중 95개가 하품 중에 발화한다는 것을 발견했다는 점입니다. 이들은 무작위적인 세포가 아니었습니다. 이들은 주로 근육으로 신호를 보내는 것으로 알려진 중간 크기의 피라미드 세포였습니다. 결정적으로, 이 동일한 세포들은 원숭이가 자발적으로 깨물거나 마실 때도 활성화되었습니다. 이는 뇌가 하품을 위해 별도의 전용 세포 팀을 사용하지 않는다는 것을 의미합니다. 대신, 뇌는 자발적인 행동에 사용하는 바로 그 세포들을 동원했습니다.
그러나 이 세포들이 행동하는 방식은 행동에 따라 달라졌습니다. 원숭이가 하품을 할 때, 자발적인 깨물기 중에 입을 다물기 위해 발화하던 세포들이 때때로 입을 벌리기 위해 발화하며 자동적인 패턴에 저항하기도 했습니다. 다른 세포들은 자동적인 움직임과 동기화되어 발화하며 이를 강화했습니다. 이는 뇌가 단순히 자동적인 하품이 일어나는 것을 지켜보고 있는 것이 아니라, 자발적인 신호를 사용하여 자동적인 움직임의 속도를 높이거나 늦추거나 혹은 형태를 바꾸는 등 적극적으로 모양을 빚어내고 있음을 시사합니다. 연구진은 이러한 특정 뇌 지점을 미세한 전류로 자극함으로써 이 인과 관계를 확인했습니다. 하품 중에 발화했던 지점들을 자극했을 때 원숭이의 입과 얼굴이 움직였으며, 이는 이 세포들이 근육을 직접 제어할 수 있는 능력이 있음을 증명했습니다.
반면, 위협 표출에 대한 뇌의 반응은 달랐습니다. 일부 세포가 위협 중에 발화하기는 했지만, 하품에 관여하는 세포들에 비하면 그 수가 훨씬 적었습니다. 게다가 이 세포들은 원래의 역할을 유지했습니다. 만약 어떤 세포가 자발적인 깨물기 중에 입을 열기 위해 발화했다면, 위협 중에도 입을 열기 위해 발화했습니다. 이들은 역할을 바꾸거나 움직임에 저항하지 않았습니다. 이는 뇌가 하품을 유연하게 재형성할 수는 있지만, 급격하고 자동적인 위협 표출은 의식적인 사고에 의해 수정되기에는 너무 빠르기 때문에 거의 손대지 않은 채로 둔다는 것을 나타냅니다.
연구는 또한 이 뇌 세포들이 집단으로서 어떻게 함께 작동하는지에 대한 거시적인 관점도 살펴보았습니다. 모든 세포의 활동을 한꺼번에 매핑함으로써, 연구진은 자발적인 행동인 깨물기와 마시기가 뇌의 활동 공간에서 길고 뚜렷한 경로를 따른다는 것을 발견했습니다. 하품과 위협 표출 같은 자동적인 행동은 서로 가깝지만 여전히 구별되는 짧고 조밀한 경로를 따랐습니다. 비록 자동적인 행동들이 더 작고 공유된 그룹의 세포들을 사용했음에도 불구하고, 뇌는 그것들을 서로 다른 행동이나 자발적인 행동으로부터 구별해 낼 수 있었습니다. 이는 뇌가 서로 다른 것을 만들기 위해 자신의 도구 상자에서 동일한 도구를 꺼내 쓸 수 있는 유연한 시스템을 갖추고 있음을 의미합니다. 뇌는 자발적인 제어 센터를 사용하여 자동적인 하품을 부드럽게 조종함으로써, 각 행동의 뚜렷한 정체성을 유지하면서도 동물이 현재의 사회적 상황에 맞춰 깊이 뿌리박힌 본능을 적응시킬 수 있도록 합니다.
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