바람에 흔들리는 나뭇잎을 볼 때, 우리는 잎사귀 하나하나의 움직임을 분석하지 않아도 바람이 어느 방향으로 부는지 직관적으로 알아차린다. 이는 복잡한 시각 정보를 단순화해 핵심을 파악하는 뇌의 중요한 기능이지만, 구체적인 작동 원리는 그동안 명확히 알려지지 않았다.

기초과학연구원(IBS, 원장 직무대행 김영덕) 기억 및 교세포 연구단 인지 및 교세포과학 그룹 김이준 연구위원과 이도윤 연구위원 연구팀은 뇌가 복잡한 움직임 정보를 평균적인 방향 정보로 요약한 후 왼쪽, 오른쪽과 같이 비슷한 특징으로 묶는‘범주화된 정보’로 변환하는 메커니즘을 규명했다.

연구진은 사람의 뇌가 복잡한 감각 정보를 빠르게 요약해 판단한다는 점에 주목하고, 정보처리 과정이 단일 신경세포 수준에서 어떻게 나타나는지를 동물 실험으로 살펴봤다. 생쥐에게 수백 개의 점이 무작위로 움직이는 무작위 점 운동(random dot kinematogram, RDK)을 제시한 뒤, 점들의 평균 움직임 방향이 왼쪽인지 오른쪽인지 판단하도록 했다.

연구진은 생쥐 뇌 신경세포의 활성 변화를 형광 신호를 이용해 추적하는 칼슘 이미징 기법으로 수백에서 수천 개의 반응을 동시에 확인했다. 더하여, 시각 정보를 가장 먼저 처리하는 일차시각피질과 판단 및 행동에 관여하는 후두정피질의 신경세포 집단 활성을 비교해, 뇌 영역에 따른 움직임 정보가 어떻게 표현되는지 살펴봤다.

분석 결과, 일차시각피질에서 복잡한 움직임 정보를 평균화한 방향 정보와 분산 정보가 형성됐다. 이어, 후두정피질에서는 평균 방향 정보가 왼쪽, 오른쪽과 같이 범주화된 정보로 변환됐으며, 두 영역은 정보를 주고받으며 유연하게 상호작용하는 것으로 나타났다.

또한, 뇌의 정보처리 과정은 개별 신경세포보다 여러 신경세포의 집단 활동에서 더욱 뚜렷하게 드러났다. 개별 신경세포는 자극 조건이 달라질 때마다 반응이 크게 변했지만, 여러 신경세포 집단에서는 비슷한 패턴이 유지되며 판단에 활용될 수 있는 일관된 정보가 나타났다. 이는 뇌가 하나의 신경세포가 아니라 다수의 신경세포 활동을 종합해 판단한다는 점을 보여준다.

제1저자인 이영범 박사는 “이번 연구는 뇌가 끊임없이 변하는 감각 입력을 있는 그대로 처리하는 것이 아니라 평균과 같은 안정적인 요약 정보를 추출해 시각 환경의 구조를 빠르게 파악하고, 이를 바탕으로 행동을 효율적으로 조정한다는 점을 보여준다”고 설명했다.

공동교신저자 이도윤 연구위원은“특히 일차시각피질에서 후두정피질로 이어지는 과정에서 자세한 감각 정보가 평균, 분산 같은 요약 통계로 정리되고, 나아가 범주화된 정보로 변환된다는 사실은 뇌가 세상을 효율적으로 이해하는 기본 원리를 보여주는 중요한 단서”라고 밝혔다.

공동교신저자 김이준 연구위원은“이렇게 있는 그대로 모든 정보를 다 받아들이는 대신 그 통계적 구조를 파악하는 뇌의 정보처리 방식은 인간의 주관적 지각 경험과 의사결정 원리를 이해하는 데 중요한 단서를 제공한다”라며 “복잡하고 방대한 정보 속에서 핵심 정보를 추출해야 하는 컴퓨터 비전 시스템 개발과 인공의식¹⁾ 연구에도 새로운 영감을 줄 수 있을 것”이라고 밝혔다.

이번 연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스 (Advanced science, IF 14.1)’에 3월 23일(KST) 온라인 게재됐다.

그림 설명

[그림1] RDK 자극에 대한 시각-두정엽 계층에서의 요약 통계 및 범주 정보처리 개념도
본 모식도는 쥐가 무작위 점 운동(random dot kinematogram, RDK) 자극을 관찰할 때, 시각 정보가 계층적으로 변환되어 행동으로 연결되는 과정을 나타낸다. 일차 시각피질(V1)에서는 여러 점 운동으로부터 평균 방향과 같은 요약 통계 정보가 추출되며 이후 후두정피질(PPC)에서는 이 정보가 과제 관련 범주 방향 표현으로 재구성된다. 최종적으로 이러한 신경 표상은 의사결정 및 행동 반응으로 이어진다.

[그림 2] 평균 방향 판단 행동 과제와 자극 조건 및 수행 결과
(가) 쥐는 RDK 자극이 제시되면 자극의 평균 방향을 추정한 뒤, 해당 방향으로 휠을 돌려 반응하였다.
(나) 실험에 사용된 자극의 예시. 모든 점이 동일한 방향으로 움직이는 동형 자극과, 서로 다른 방향 성분으로 구성된 이형 자극이 포함되었으며 이형 자극은 주어진 방향의 분포에 따라 난이도가 조절되었다.
(다) 실험에서 제시된 평균 방향 조건. 범주 경계를 기준으로 동일한 간격으로 평균 방향이 구성되었다.
(라) 자극 조건에 따른 행동 수행 결과. 쥐는 직접적으로 방향이 제시되지 않은 이형 자극 조건에서도 평균 방향 정보를 바탕으로 중간 난이도까지 동형 자극에서와 비슷한 정도로 과제를 안정적으로 수행하였다.

[그림 3] 미세내시경을 이용한 칼슘 영상 기반 V1 및 PPC 집단 분석 결과
본 그림은 미세내시경을 사용하여 V1과 PPC에서 획득한 신경활동 데이터의 집단 분석 결과를 보여준다.
V1에서는 평균 방향 정보가 지배적인 표상으로 나타난 반면 PPC에서는 범주 방향 정보가 상대적으로 더 강하게 나타났다. 이는 시각 처리 계층에서 감각적 요약 정보가 상위 영역으로 갈수록 행동 관련성이 높은 추상적 범주 정보로 변환됨을 보여준다.

1) 인공의식: 기계가 단순히 지능을 모방하는 것을 넘어, 주관적인 지각 경험을 지니게 되는 아직 실현되지 않은 가설상의 상태를 구현하려는 연구 분야