감각 정보의 목적 지향적 처리

뇌의 다양한 영역이 우리의 감각적 경험을 처리한다. 대뇌 피질의 영역들이 감각적 정보를 서로 소통하고 처리하는 방법은 오랜 수수께끼이다. 그런데, 취히리대학교(University of Zurich)의 뇌 연구자들이 생쥐의 촉각에 대한 연구로 피질의 한 영역에서 연결 영역들로의 감각 정보 전달이 해결하고자 하는 과제와 목적 지향적 행위에 의존한다는 새로운 연구 결과를 보고했다. 이들 발견은 인식 장애를 이해하는데 도움이 될 수 있다.

포유류의 뇌에서 대뇌 피질은 감각적 입력(sensory inputs)의 처리에 있어 핵심 역할을 한다. 피질은 서로 다른 영역들로 세분될 수 있고, 그 각각은 지각(perception), 결정 또는 행동의 구별적 측면들을 처리한다. 예를 들어, 체지각 피질(somatosensory cortex)은 촉각(haptic sensations)을 일차적으로 처리하는 대뇌 피질의 일부분이다. 그리고 피질의 서로 다른 영역들은 상호 연결되어 있고 서로 소통한다. 핵심적이고 미해결된 한 가지 신경학적 의문은 `이들 뇌 영역들이 감각적 자극을 처리하여 적절한 행동을 유발시키기 위해서 정확히 어떻게 소통해야 하는가?`이다. 그런데, 헬름헨 (Fritjof Helmchen) 교수 팀이 한 가지 해답을 제시한다. 감각정보의 처리가 무엇을 달성하고자 하는가에 의존한다는 것이다. 즉, 연구팀은 감각 피질에서 다른 영역들에 연결되어 있는 신경세포들이 해결하고자 하는 과업(task)에 따라 차별적으로 활성화되는 것을 관찰했다.

<감각 정보의 목적 지향적 처리>
학술지 Nature에 실린 논문에서 이 연구자들은 생쥐가 그의 주변 환경을 탐색하는 데 있어 안면눈썹을 어떻게 사용하는지를 연구했는데, 이는 우리가 어둠 속에서 손과 손가락을 이용하는 것과 매우 흡사하다. 한 그룹의 생쥐는 보상(reward)을 받기 위해, 안면 눈썹을 이용하여 거친 사포와 고운 사포(sandpapers)를 구별하도록 훈련되었다. 또 다른 그룹은 어떤 물체 즉, 금속 막대가 생쥐의 주동이를 기준으로 어떤 모퉁이에 있는지를 알아내도록 훈련되었다. 이 연구팀은 특수 현미경 기술을 이용하여, 일차 체지각 피질 (primary somatosensory cortex )에서 뉴런의 활성을 측정했다. 또한 이 연구 팀은 동시적 조직 염색(simultaneous anatomical stainings)으로 이들 뉴런 중 어느 것이 그들의 정보(projections)를 더 멀리 떨어진 2차 체지각 영역과 운동 피질로 각각 보내는지를 확인했다.

2차 체지각 피질에 대한 정보를 가진 1차 체지각 뉴런은 생쥐가 사포의 표면 결을 구별해야 할 때 주로 활성화되었다. 한편, 운동 피질에 대한 정보를 가진 뉴런은 금속 막대의 위치를 파악해야 할 필요가 있을 때 더 활성화되었다. 이들 서로 다른 활성 패턴은 해결해야 할 과제가 없이 즉, 보상으로 동기부여가 되지 않고, 그냥 수동적으로 사포나 막대를 만질 때에는 뚜렷하지 않았다. 그래서 감각적 자극만으로는 멀리 떨어진 뇌 영역들로의 서로 다른 정보 전달 패턴이 충분하게 설명되지 않는다.

<뇌에서 손상된 소통>
헬름헨 교수에 따르면, 우리가 어떤 문제를 푸는데 있어 주변에서 얻어진 특정 정보를 추출해낼 수 있다면, 어떤 피질 영역에서 원격 영역으로 정보 전달이 표적화된 방식으로 이루어질 수 있다. 그리고 알츠하이머, 자폐, 정신분열과 같은 인식 장애의 경우에 뇌 영역들 간의 소통이 종종 붕괴되어있다. 그래서, 뇌에서 이들 긴 범위의 상호연결 네트워크가 어떻게 작동하는지에 대한 이해의 진전은 특정 피질 영역 간의 소통이 다시 이루어지게 하는 치료법 개발에 도움이 될 수 있다는 것이다.

그림 설명. 생쥐 대뇌피질의 일차체지각 영역(s1)의 신경세포들: 2차 체지각 영역(S2, 보라), 운동피질(M1, 파랑); 사포 표면 차이의 구별(왼쪽)과 위치 문제(오른쪽)를 해결할 때 정보 전달 강도의 차이

<기사출처>:http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?cn=GTB2013060535&service_code=03

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