어떻게 눈은 움직임을 감지하는가?

실험쥐의 망막에서 신경연결에 관한 지도를 작성하는 광범위한 프로젝트는 어떻게 움직이는 물체를 눈이 감지하는지에 대한 오래된 문제를 해결해줄 수 있게 되었다. 실험에 참여하여 온라인 뇌-지도작성 게임을 수행한 참여자들의 도움으로 연구자들은 주어진 방향을 따라 위치한 한 쌍의 뉴런이 함께 세 번째 뉴런이 동일한 방향으로 움직이는 이미지에 반응하는 전기신호를 발사하게 된다.때로는 우리가 본다는 것은 눈을 가지고 보는 것이라기 보다는 뇌를 가지고 본다는 것을 의미한다. 하지만 이것은 완전히 진실이 아니다. 사람들은 시각적 정보가 일단 뇌를 통해서 해석되었을 때 이해가 가능할 뿐 아니라 망막에서 뉴런에 의해 부분적으로 처리되는 정보의 일부를 이해할 수 있다. 특히 50년 전에 연구자들은 포유류의 망막은 방향성에 민감하며 움직이는 이미지의 속도에 민감하다는 사실을 발견했다. 이를 통해서 운동지각 (motion perception)은 망막에서 시작한다. 하지만 연구자들은 어떻게 이러한 현상이 일어나는지 설명하지 못했다.

빛이 눈을 통해 들어갈 때 이 정보를 전기파동으로 전환시키고 망막의 좀 더 깊은 막으로 전달하는 광수용기 세포 (photoreceptor cells)에 의해 포획된다. 개별 광수용기는 물체가 움직이는 방향에 민감하지 않다. 그래서 긴경과학자인 매사추세츠 공대 (MIT)의 신경과학자인 김진섭 (Jinseop Kim)의 연구팀은 망막에 존재하는 다양한 형태의 세포들이 연결되는 방식을 통해서 퍼즐을 풀어나갈 수 있는지 여부를 조사했다. 광수용기는 이 세포의 몸체에서 반대방향으로 두 개의 가지 형태로 나와있는 뉴런인 양극성 뉴런 ( bipolar neurons)을 통해 그 신호를 전달한다. 이 신호는 다시 필라멘트 또는 수상돌기를 갖고 있는 별빛 모양의 아마크린 세포 (starburst amacrine cells)를 통해서 전달하여 별에서 빛이 나오는 것처럼 모든 방향으로 확산되어 시신경을 형성하는 세포에 도달하여 다시 뇌로 전달된다.

어떻게 양극성 세포 또는 별빛모양세포가 함께 연결되는지를 이해하기 위해서 김진섭의 연구팀은 고해상 전자현미경을 이용해서 실험쥐의 망막의 이미지를 사용한 뇌의 지도작성 시도를 도울 수 있는 온라인 ‘시민-과학’ 게임인 거의 2,200명의 아이와이어 (EyeWire)의 회원들의 도움을 받았다. 온라인 게이머들은 망막의 일부분의 고화상으로 연결된 다이어그램을 만들기 위해서 세포층위들을 통한 경로를 추적했다.

학술지 <네이처>지에 발표된 재구성된 지도를 통해서 양극성 세포의 한 형태는 세포의 몸체와 가까운 곳에 있는 아마크린 세포의 필라민트와 연결되어 있지만 다른 한 형태는 필라멘트의 길이를 따라 먼곳과 연결된다. 그리고 좀 더 중요하게 별빛모양의 아마크린 세포 몸체에 가깝게 연결된 양극성 세포는 메시지를 전달하는데 시간차이가 나타난다는 사실이 밝혀졌다. 하지만 다른 세포는 즉시 메시지를 전달했다. 이 첫 번째 경우의 시간지연 현상으로 인해 망막에 있는 가까운 두 개의 지점에서 하나의 물체가 시각 장 (visual field)을 가로지를 때 일어나는 것처럼 동시에 동일한 아마크린 세포 필라멘트에 도달할 수 있을 것이다. 이것은 망막이 운동을 감지하는지를 설명할 수 있다고 연구저자들은 주장한다: 즉, 아마크린 세포는 이렇게 결합된 정보를 얻었을 때에만 신호를 발사할 수 있으며 이러한 신호는 필라멘트의 방향에서 움직이게 된다. 필라멘트의 방향에서 움직이지 않는 자극물은 각기 다른 시간에 따라 아마크린 세포에 도달하는 파동을 생산하며 그래서 이 신호는 발사되지 않는다.

MIT의 컴퓨터 신경과학자이며 이번 연구의 수석저자인 세바스쳔 승 (Sebastian Seung)은 이번 연구결과는 조심스럽게 해석되어야 한다고 주장했다. 비록 그의 연구팀은 망막의 해부학적인 연구를 도울 수 있지만 이 시스템이 모델처럼 작동하는지를 증명할 수 있는 방법은 실험뿐이라고 주장했다. 그는 “우리는 생리학자들에게 배턴을 넘겼다. 그들은 이 가설을 쉽게 테스트할 수 있을 것”이라고 말했다. 스위스 바젤의 프리드리히 미셰어 생의학 연구소 (Friedrich Miescher Institute for Biomedical Research)의 신경과학자인 보톤 로스카 (Botond Roska)는 “이번 연구는 매우 훌륭하며 망막에서 방향선택 입력에 대한 테스트 가능한 예측을 제시하고 있다. 이것은 놀라운 아이디어이며 이 가설을 테스트하려는 많은 실험자들로부터 연구가 이어질 것”이라고 말했다. 세바스쳔 승은 이 연결 다이어그램은 망막의 전체 연결성에 대해 미세한 부분만을 보여주고 있다고 주장했다. 그는 “이러한 운동-방향 회로의 한 부분인 다른 뉴런이 존재할 수 있다. 우리는 이에 대한 지도를 작성해야 할 필요가 있으며 궁극적으로 전체 망막 커넥텀 (connectome)을 재구성할 수 있을 것”이라고 말했다.

출처: <네이처> 2014년 5월 3일 (Nature doi:10.1038/nature.2014.15147)
원문참조:

Barlow, H. B. et al. J. Physiol. 173, 377?407 (1964).
Kim, J. S. et al. Nature http://dx.doi.org/10.1038/nature13240 (2014).
Euler, T., Detwiler, P. B. & Denk, W. Nature 418, 845?852 (2002). 

http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?record_no=246137&cont_cd=GT

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