Distinct subtypes of the negative hemodynamic response function across cortical distance and depth in human visual cortex
본 연구는 인간 시각 피질에서 음성 혈역학적 반응 함수(일시적 및 완전히 발달된 형태)의 시간적으로 구별되는 두 가지 하위 유형을 식별하였으며, 이들의 공간적 분포와 깊이 의존적 특성이 자극 표상으로부터의 피질 거리 및 피질 깊이에 따라 체계적으로 변화함을 밝힘으로써 서로 다른 기저 메커니즘을 시사한다.
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인간의 뇌는 거대하고 복잡한 전기 신호의 네트워크이지만, 과학자들은 뇌가 작동하는 모습을 보기 위해 훨씬 더 느린 현상인 혈류를 관찰하곤 합니다. 뇌의 특정 부위가 활성화되면 더 많은 산소를 요구하게 되고, 신체는 그 부위로 혈액을 급히 보냅니다. 이러한 혈중 산소 농도의 변화는 강력한 자기 스캐너에 의해 감지될 수 있는 신호를 만들어내며, 이를 통해 연구자들은 특정 과업을 수행하는 동안 뇌의 어느 부분이 밝게 빛나는지를 지도화할 수 있습니다. 기능적 자기공명영상(fMRI)이라고 알려진 이 방법은 우리의 정신에 대한 이해를 혁신적으로 변화시켰습니다. 그러나 뇌 활동의 이야기는 단순히 혈류가 증가하는 밝은 점들에 관한 것만은 아닙니다. 과학자들은 혈류가 실제로 감소하는 영역인 어두운 점들도 오랫동안 관찰해 왔습니다. 이러한 "음성(negative)" 신호는 활성화된 영역 근처나 자극의 반대편 뇌 영역에서 나타나는데, 지난 10년이 넘는 시간 동안 연구자들은 무엇이 이들을 유발하는지에 대해 논쟁해 왔습니다. 이것이 단순히 한 영역의 혈액을 다른 곳을 채우기 위해 빼앗아 온 결과인지, 아니면 뇌세포의 진정한 침묵을 나타내는 것인지 말입니다. 이 질문에 대한 답은 여전히 파악하기 어려운데, 부분적으로는 이러한 음성 신호들이 하나의 균일한 현상으로 취급되어 왔기 때문입니다.
휴스턴에 위치한 텍사스 대학교 헬스 사이언스 센터의 연구팀은 이러한 어두운 점들, 특히 우리가 보는 것을 처리하는 부분인 시각 피질을 자세히 조사하기로 했습니다. 연구진은 음성 신호를 단일 사건으로 취급하는 대신, 그것이 뇌의 정확히 어디에 위치하는지, 그리고 뇌 조직 내에서 얼마나 깊은지에 따라 어떻게 변하는지를 조사했습니다. 그들은 간단한 시각 과업을 사용했습니다. 건강한 피험자들에게 측면 시야의 작은 구역에 짧게 깜빡이는 빛의 패턴을 보여주는 것이었습니다. 빛을 직접 처리하는 뇌 영역은 예상대로 활동의 급증을 보였지만, 연구진은 활성 지점에서 멀어짐에 따라, 그리고 뇌 표면의 서로 다른 층을 살펴봄에 따라 음성 신호가 어떻게 행동하는지 확인하기 위해 주변 조직을 지도화했습니다.
그들이 발견한 것은 음성 신호가 결코 단일한 것이 아니라는 사실이었습니다. 그것은 두 가지 뚜렷한 유형으로 나뉘며, 각기 다른 개성과 행동 양식을 가지고 있었습니다. 연구진이 "일시적(transient)" 반응이라고 부르는 첫 번째 유형은 마치 희미한 그림자가 빠르게 밝은 섬광으로 변하는 것과 비슷해 보입니다. 이는 작은 혈류 저하로 시작하여 거의 즉시 강한 양(+)의 급증으로 이어집니다. 이 유형의 반응은 빛이 제시된 영역 바로 옆에서 가장 흔하게 나타납니다. 두 번째로 연구진이 "완전 발달된(fully developed)" 반응이라고 부르는 것은 훨씬 더 어둡고 느립니다. 이는 깊고 지연된 혈류 저하로 시작하며, 이후에 밝은 섬광을 거의 보여주지 않습니다. 이 어두운 신호는 시각 피질의 바깥쪽 가장자리에서 지배적으로 나타나며, 심지어 자극의 반대편 뇌에서도 나타납니다.
연구진은 이 두 종류의 신호가 서로 분리된 구역에 머물러 있는 것이 아니라, 시각 피질 전체에 걸쳐 공존하지만 활동 중심에서 멀어짐에 따라 그 비율이 변화한다는 것을 발견했습니다. 빛이 제시된 지점 근처에서는 일시적 유형이 주도합니다. 더 멀리 이동할수록 완전 발달된 유형이 주도권을 잡습니다. 이러한 전이는 개인에 따라 다르지만, 활성 지점에서 대략 3~6밀리미터 정도 떨어진 특정 거리에서 일어납니다. 또한 연구는 뇌 조직의 깊이가 중요하다는 것을 밝혔습니다. 일시적 유형의 경우, 뇌 표면 쪽으로 이동할수록 양의 섬광이 더 강해집니다. 완전 발달된 유형의 경우, 뇌 표면 근처에서 깊고 어두운 혈류 저하가 더 뚜렷해집니다. 이는 두 신호가 서로 다른 물리적 기제에 의해 구동된다는 점을 시사합니다. 일시적 신호는 아마도 인접한 영역으로부터 혈액을 돌리는 과정, 즉 뇌의 표면 정맥에 의해 크게 영향을 받는 과정에서 비롯될 것입니다. 깊고 지속적인 저하를 보이는 완전 발달된 신호는 뇌 활동의 진정한 억제, 즉 뉴런 자체의 침묵을 나타낼 가능성이 높습니다.
이 두 신호를 분리함으로써 연구진은 해당 분야를 혼란에 빠뜨렸던 퍼즐을 풀었습니다. 이전의 연구들은 종종 모든 음성 신호를 함께 평균화하여, 뚜렷한 패턴을 흐릿하게 만들고 결과를 일관성이 없거나 약해 보이게 만들었습니다. 신호들이 섞이면, 한 유형의 깊은 저하가 다른 유형의 밝은 섬광을 상쇄하여 아무런 유의미한 일이 일어나지 않는 것처럼 보이게 할 수 있습니다. 이러한 새로운 이해는 뇌가 자원과 활동 수준을 관리하기 위해 두 가지 다른 전략을 사용한다는 점을 시사합니다. 하나는 혈액을 재배치하는 국소적인 혈관 조정이며, 다른 하나는 먼 곳이나 반대편 영역을 조용하게 만드는 더 넓은 신경 억제입니다. 연구 결과가 각 신호의 정확한 생물학적 원인을 결정적으로 증명하지는 않지만, 음성 반응이 공간과 깊이 속에서 어떻게 조직되어 있는지에 대한 명확한 틀을 제공합니다. 이러한 명확성은 과학자들이 뇌의 음성 신호를 미스터리로 취급하는 것을 멈추고, 그것을 우리 마음이 작동하는 방식의 복잡하고 구조적인 일부로 이해하기 시작할 수 있게 해줍니다.
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