Comparison of cortical auditory evoked potentials in anesthetized versus awake Jamaican fruit bats

당신의 뇌를 소리가 교통량인 북적이는 도시라고 상상해 보세요. 자동차가 경적을 울리거나, 사이렌이 울부짖거나, 새가 지저귀면, 그 소리는 공기를 통해 이동하여 귀에 부딪히고 전기 신호로 변환됩니다. 이 신호들은 뇌의 "소리 처리 구역"인 청각 피질이라는 고속도로를 따라 질주합니다. 과학자들은 이 구역이 소음을 어떻게 처리하는지 관찰하기 위해 오랫동안 이곳을 엿듣고 싶어 했습니다. 보통 그들은 뇌 표면에 아주 작은 마이크(전극)를 붙여서 수행하는데, 이는 수술이 필요하며 종종 동물을 잠들게 해야 한다는 것을 의미합니다.

하지만 잠을 자는 것은 게임의 판도를 바꿉니다. 그것은 마치 모두가 잠든 새벽 3시에만 도시를 관찰함으로써 어떻게 러시 아워(출퇴근 시간) 동안 도시가 기능하는지 이해하려는 것과 같습니다. 교통량은 존재하지만, 에너지와 주의력, 그리고 복잡한 상호작용은 빠져 있습니다. 인간의 세계에서 우리는 이 "교통량"을 들을 수 있는 비침습적인 방법인 피질 청각 유발 전위(CAEPs)를 가지고 있습니다. CAEP를 소리에 대한 뇌의 "메아리" 또는 반응을 듣는 방법이라고 생각하세요. 이는 두개골을 열지 않고도 소리를 듣는 것과 비슷합니다. 마치 협곡 벽에 부딪혀 돌아오는 외침을 듣는 것과 같습니다. 메아리의 모양은 협곡의 모양에 대해 알려줍니다. 우리는 이것이 인간과 생쥐에게 어떻게 작동하는지는 알고 있지만, 박쥐에게서는 특히 그들이 가장 잘하는 일인 비행하고 대화하는 동안 어떻게 작동하는지에 대한 명확한 그림을 놓치고 있었습니다. 이것이 바로 이 연구가 해결하고자 하는 퍼즐입니다.

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박쥐 도시의 사운드 체크: 깨어 있을 때 vs 잠들어 있을 때

이 연구에서 연구팀은 자메이카 과일박쥐의 "소리 메아리"(CA렴)를 확인하기로 결정했는데, 한 가지 반전이 있었습니다. 바로 박쥐가 마취 상태로 낮잠을 자고 있을 때와 완전히 깨어서 시간을 보낼 때를 비교하고 싶었던 것입니다. 왜 과일박쥐일까요? 음, 이들은 박쥐 세계의 "대형 SUV"와 같아서, 몸무게가 약 45~55그램이며 두꺼운 두개골을 가지고 있어, 두개골이 종잇장처럼 얇은 작은 곤충 식성 친척들보다 미세한 기록 장비를 장착하기가 훨씬 쉽기 때문입니다.

연구진은 박쥐에게 다양한 소리를 들려줄 수 있는 사운드 실험실을 설정했습니다: 큰 정적의 폭발(소음), 음조가 올라가거나 내려가는 스윕 톤(슬라이드 휘슬 같은 소리), 그리고 박쥐들이 서로 대화하는 방식을 모방한 특정 소리들 말이죠. 그들은 두 가지 시나리오에서 박쥐의 뇌파를 기록했습니다. 첫째, 인간 수술에 사용되는 것과 같은 가스인 이소플루란(isoflurane)을 사용하여 박쥐를 잠들게 했습니다. 둘째, 박쥐가 케이지 안에서 조용히 매달려 깨어 있는 동안 기록하기 위해 특수한 아주 작은 삽입형 마이크 시스템을 사용했습니다.

거대한 놀라움: "볼륨" 조절기

가장 충격적인 발견은 박쥐가 깨어 있을 때 뇌의 "메아리"가 얼마나 더 컸는가 하는 점이었습니다. 박쥐가 잠들어 있을 때 뇌파는 존재했지만, 그것은 아주 작은 속삭임에 불과했습니다. 하지만 박쥐가 깨어 있을 때, 그 동일한 뇌파는 17배나 더 컸습니다! 그것은 마치 마취제가 뇌의 볼륨 조절기를 겨우 들릴 듯한 웅얼거림으로 낮춰 놓았다가, 깨어 있는 상태에서는 이를 록 콘서트 수준으로 확 올려버린 것과 같습니다.

연구진은 또한 잠든 박쥐가 깨어 있는 박쥐에 비해 소리를 듣기 위해 약 10dB 더 큰 소리가 필요하다는 것을 발견했습니다. 이것은 마치 잠든 박쥐는 무거운 귀마개를 착용하고 있는 것 같았고, 깨어 있는 박쥐는 귀를 활짝 열고 있는 것과 같았습니다.

메아리의 모양

마취제를 사용하는 과학자들에게는 좋은 소식입니다. 비록 볼륨은 크게 낮아졌지만, 소리 메아리의 모양은 거의 똑같았습니다. 박쥐가 잠들어 있든 깨어 있든, 뇌는 소리에 반응하여 동일한 패턴의 정점(peaks)과 골(valleys)을 만들어냈습니다. 즉, 잠든 동물에서 완전한 "록 콘서트"를 들을 수는 없더라도, 어떤 종류의 음악이 연주되고 있는지는 여전히 알 수 있다는 뜻입니다. 소음 폭발, 하향 스윕, 또는 상향 스윕에 대한 뇌의 기본적인 반응은 두 상태 모두에서 질적으로 유사했습니다.

그러나 한 가지 작은 차이점이 있었습니다. 박쥐가 깨어났을 때, 소음이 시작된 후 약 10~12밀리초(ms) 후에 작은 추가 돌출부가 나타났습니다. 연구진이 "P0"라고 부르는 이 돌출부는 뇌의 깊은 부분인 시상(thalamus)에서 오는 것으로 생각됩니다. 마취가 뇌를 조용하게 만드는 데 너무 효과적이어서 이 작은 돌출부를 완전히 숨겨버린 것으로 보입니다. 따라서 주요 이야기는 동일했지만, 깨어 있는 박쥐는 잠든 박쥐가 숨기고 있던 작은 세부 사항을 드러냈습니다.

"교통 체증" 테스트

연구팀은 또한 박쥐가 목표물을 향해 날아가며 빠르게 연속적인 클릭음을 내보내는 것처럼, 빠른 일련의 소리들을 뇌가 어떻게 처리하는지도 테스트했습니다. 단일 클릭을 재생했을 때 뇌는 명확한 메아리를 만들었습니다. 하지만 다섯 번의 클릭을 매우 빠르게 재생했을 때, 뇌는 다섯 개의 별개 메아리를 만드는 대신, 그것들을 모두 하나의 크고 복잡한 파동으로 섞어버렸습니다. 이는 박쥐의 뇌가 "시간적 통합(temporal integration)"에 탁월하다는 것을 시사합니다. 즉, 모든 개별 클릭에 혼란을 느끼기보다는 더 큰 그림을 이해하기 위해 빠른 소리들을 하나로 뭉쳐버리는 것입니다. 이 현상은 박쥐가 잠들어 있든 깨어 있든 발생했지만, 깨어 있는 박쥐의 반응이 훨씬 더 강력했습니다.

이것이 중요한 이유

이 연구는 마취제가 뇌의 반응을 억제하고 일부 미세한 세부 사항을 숨기는 무거운 담요 역할을 하지만, 전체적인 그림을 왜곡하지는 않는다는 것을 확인해 줍니다. 만약 당신이 박쥐의 뇌가 소리를 어떻게 처리하는지 알고 싶다면, 잠든 박쥐를 연구하는 것은 신뢰할 수 있는, 비록 더 조용하긴 하지만 유용한 지도를 제공합니다. 하지만 만약 당신이 모든 주의력과 에너지가 담긴, 더 활기차고 생생한 도시를 보고 싶다면, 박쥐가 깨어 있을 때를 포착해야 합니다.

연구진은 또한 이 과일박쥐를 이전에 연구했던 곤충을 먹는 멕시코 자유꼬리박쥐(Mexican free-tailed bats)와 비교했습니다. 놀랍게도, 과일박쥐가 훨씬 더 크고 다른 음식을 먹음에도 불구하고, 그들의 뇌가 만드는 소리 메아리는 작은 곤충 식성 박쥐와 거의 동일하게 보였습니다. 이는 박쥐가 소리를 처리하는 방식이, 곤충을 사냥하든 과일을 먹든 상관없이 매우 오래되고 공유된 가족적 특성임을 시사합니다.

요약하자면, 이 논문은 우리가 청각의 기초를 이해하기 위해 잠든 박쥐의 데이터를 신뢰할 수 있지만, 박쥐의 뇌가 실제 세상에서 어떻게 작동하는지에 대한 더 크고, 크며, 상세한 이야기를 듣고 싶다면, 그들이 깨어 있을 때 들어야 한다는 것을 알려줍니다. 그리고 처음으로, 우리는 17배 더 큰, 깨어 있는 뇌가 어떤 모습인지에 대한 명확한 지도를 갖게 되었습니다.