Functional dissociation of place and spatial view codes in primate hippocampus

당신의 뇌가 초고성밀 GPS라고 상상해 보세요. 하지만 단순히 "당신은 여기에 있습니다"라고 말하는 대신, 당신이 그곳에 있을 때 정확히 무엇을 보고 있는지 알아내려고 노력하는 그런 GPS 말입니다. 수십 년 동안 과학자들은 서로 다른 동물들이 이 GPS를 어떻게 작동시키는지에 대해 논쟁해 왔습니다. 쥐의 경우, 시스템은 전적으로 "장소"에 관한 것처럼 보입니다. 쥐가 미로의 특정 지점으로 걸어가면, 아주 작은 뇌세포 집단이 마치 가로등처럼 불을 밝히며 "우리는 메인 스트리트와 엘름 스트리트의 코너에 있다!"라고 외치는 것과 같습니다. 이것이 바로 그 유명한 "장소 세포(place cell)"입니다. 하지만 과학자들이 원숭이와 인간을 관찰했을 때, 이야기는 다르게 흘러갔습니다. 영장류는 놀라운 눈을 가지고 있고 주변을 둘러보는 것을 좋아하기 때문에, 많은 연구자들은 우리 뇌의 GPS가 사실 "시야 세포(view cell)"라고 생각했습니다. 이 관점에서는 뇌가 당신의 발이 어디에 있는지는 상관하지 않고, 오직 당신의 눈이 무엇을 보고 있는지만을 신경 씁니다. 만약 당신이 가만히 서서 나무를 바라본다면, 당신이 그 나무를 향해 걸어가고 있을 때와 동일한 세포들이 반응하게 됩니다. 이는 큰 논쟁을 불러일으켰습니다: 쥐와 원숭이는 완전히 다른 지도를 사용하는 것일까요, 아니면 원숭이의 뇌가 그 모든 '보는 행위' 뒤에 '장소' 신호를 숨기고 있는 것일까요?

이 논문은 더 나은 뇌 카메라를 구축함으로써 이 미스터리를 마침내 해결하는 탐정 소설과 같습니다. 이나 리(Inah Lee)와 주열 리(Joonyeol Lee)가 이끄는 연구진은 원숭이가 실제로 그 고전적인 "장소 세포"를 가지고 있는지, 아니면 단지 시야 세포로 변장하고 있는 것인지를 알고 싶어 했습니다. 이를 위해 그들은 단순히 원숭이가 걷는 것을 관찰하는 데 그치지 않고, 두 마리의 붉은털원숭이를 가상 현실 비디오 게임 속에 넣었습니다. 원숭이들은 의자에 앉아 머리를 고정한 채, 조이스틱을 사용하여 매우 다른 두 세계인 울창한 '숲'과 북적이는 '도시'를 따라 직선 경로를 따라 내려갔습니다. 이동하는 동안 원숭이들은 물 보상을 받기 위해 적절한 물체를 선택하기 위해 멈춰야 했으며, 이는 주변 환경에 세심한 주의를 기울이도록 강제했습니다. 과학자들은 원숭이의 눈이 정확히 어디를 보고 있는지 추적하는 동시에, 해마(뇌의 기억 및 항법 센터)에서 개별 뇌세포의 전기적 스파크를 기록했습니다.

여기 반전이 있습니다. 과학자들은 "내가 어디에 있는가"라는 신호와 "내가 무엇을 보는가"라는 신호를 분리하기 위해 정교한 수학적 기법(일반화 선형 모델, Generalized Linear Model)을 사용했습니다. 이전에는 이동할 때 위치와 시야가 보통 함께 변했기 때문에 이 둘을 구분하기 어려웠습니다. 하지만 수학적으로 이 둘을 풀어냄으로써, 그들은 놀라운 사실을 발견했습니다. 원숭이의 뇌는 단지 한 가지 방식만 가진 것이 아니라, 세 가지 다른 종류의 동네가 있는 북적이는 도시와 같았습니다.

첫째, 그들은 **위치 세포(Position Cells)**를 발견했습니다. 이것은 우리가 쥐에게서 알고 있는 고전적인 "장소 세포"입니다. 연구된 뉴런의 약 42%가 이처럼 작동했습니다. 이 세포들은 원숭이가 무엇을 보고 있든 상관없이 트랙의 특정 지점에 있을 때 반응했습니다. 이 세포들은 안정적이었는데, 즉 원숭이가 트랙을 달릴 때마다 매번 같은 지점에서 반응했다는 뜻입니다. 또한 이들은 '재매핑(remapping)'을 보여주었는데, 이는 원숭이가 숲에서 도시로 환경을 바꿀 때 마치 동네의 거리 이름을 바꾸는 것과 같습니다. 만약 어떤 세포가 숲에서의 "트랙 시작점"에서 반응했다면, 도시에서는 "트랙 끝점"에서 반응할 수 있습니다. 이는 원숭이의 뇌가 쥐와 마찬가지로 견고한 위치 기반 지도를 가지고 있음을 증명합니다.

둘째, 그들은 **시야 세포(View Cells)**를 발견했습니다. 이들은 약 50%의 뉴런을 차지했습니다. 이 세포들은 원숭이의 몸이 어디에 있는지는 상관하지 않았고, 오로ci 원숭이의 눈이 가상 세계의 특정 부분을 보고 있을 때만 반응했습니다. 만약 원숭이가 왼쪽의 나무를 본다면, 이 세포들은 원숭이가 트랙 중간에 서 있더라도 불을 밝혔습니다. 이 세포들은 시각적 세계를 매핑하는 데 탁ある 능력을 갖추어, 원숭이가 보고 있는 것에 대한 안정적인 이미지를 만들어냈습니다.

셋째, 아마도 가장 흥미로운 점은 그들이 **결합 세포(Conjunctive Cells)**를 발견했다는 것입니다. 이들은 "멀티태스커"였으며, 전체의 25%를 차지했습니다. 이 세포들은 하이브리드 모델로, 원숭이가 특정 장소에 있으면서 동시에 특정 시야를 보고 있을 때만 반응했습니다. 이들은 "어디인지"와 "무엇인지"를 하나의 복잡한 신호로 결합했습니다.

이 논문은 오랫동안 과학자들이 원숭이의 "장소 세포"를 놓쳤던 이유가, "어디인지"와 "무엇을 보는지"를 분리하여 관찰하는 데 정밀함이 부족했기 때문이라고 시사합니다. 원숭이에게 장소 세포가 없는 것이 아니라, 이전 연구들의 과업과 환경이 "시야" 신호를 너무 크게 만들어 "장소" 신호를 덮어버렸을 가능성이 높습니다. 풍부하고 상세한 가상 현실 게임과 두 신호를 격리할 수 있는 수학 모델을 사용함으로써, 연구진은 영장류의 해마가 실제로는 하이브리드 시스템임을 보여주었습니다. 해마는 당신이 어디에 있는지에 대한 견고한 지도, 당신이 무엇을 보고 있는지에 대한 명확한 그림, 그리고 이 두 가지를 결합하는 특별한 세포 집단을 모두 보유하고 있습니다. 따라서 다음에 당신이 거리를 걷다가 건물을 알아볼 때, 당신의 뇌는 이 두 가지를 모두 수행하고 있는 것입니다. 당신의 뇌는 발이 정확히 어디에 있는지 알고 있으며, 동시에 눈이 무엇을 보고 있는지도 알고 있습니다. 이 논쟁은 어느 쪽이 옳은가의 문제가 아니라, 뇌가 복잡한 세상을 항해하기 위해 어떻게 두 가지를 모두 사용하는가에 대한 문제입니다.