원숭이·고양이·나무두더지는 왜 뇌지도가 다를까?
                            뉴런의 상호경쟁 정도에 따라 차이점 나타나

                  포항공대 김승환교수-조명원박사 연구팀, PRL 18일자에 발표

  원숭이·고양이·나무두더지 등에서 관찰되는 다양한 시각지도의 차이를 자성체의 물리현상으 로 설명하는 연구결과가 발표돼, 뇌지도에 대한 수수께끼 중 하나가 풀린 것으로 평가받고 있다.

  과기부가 지원하는 국가지정연구실인 포항공대 물리학과 비선형 및 컴플렉스 시스템 연구실의 김승환(金昇煥 45세) 교수와 조명원(曺明元 33세) 박사 연구팀은 포유류 뇌의 시각 피질 지도에 서 관찰되는 다양한 패턴에 대한 연구결과를 물리학 최고 저널인 ‘피지컬 리뷰 레터(Physical Review Letters)’ 18일자에 발표한다.

  주어진 정보에 반응하는 뉴런(신경소자)들의 분포를 파악해 뇌의 기능성 지도(functional map) 를 그려내는 것은 뇌의 신비를 풀 수 있는 매우 중요한 과제로, 특히 후두엽(뇌의 뒷부분)에 위 치한 1차 시각 피질은 자극에 대한 반응이 명확해 많은 실험적·이론적 연구가 집중되고 있다.

  뇌의 1차 시각 피질에는 양쪽 눈 중 하나에서 오는 정보에 더 잘 반응하는 안우(眼優)성(ocular dominancen) 뉴런과 특정 방향의 막대 형상에 더 잘 반응하는 방향성(orientation column) 뉴런이 각기 다른 층으로 존재한다.

  ‘방향성 지도’는 특정 방향의 시각 자극에 더 잘 반응하는 뉴런을 각기 다른 색깔로 나타낸 칼라지도이고, ‘안우성 지도’는 왼쪽 눈 또는 오른쪽 눈의 자극을 선호하는 기둥들을 흰색과 검은 색으로 나타낸 흑백지도이다. 두 지도는 자극에 대한 반응이 명확하고, 오래 전(70년대)부 터 많은 연구가 이루어져 시각지도 중 대표적인 것으로 알려져 잇다.

  지금까지의 연구들은 포유류에는 짧은꼬리 원숭이, 고양이(또는 족제비) 그리고 나무두더지로 대표되는 적어도 세 가지의 다른 시각지도의 형태가 있음을 보여주었다. 짧은꼬리 원숭이에서 발견되는 안우성 지도는 전반적으로 얼룩말 문양과 같은 줄무늬 형태를 이루는데 비해 고양이와 족제비의 경우 주로 표범과 같은 물방울 모양의  안우성 지도지도를 가지고 있으며, 짧은꼬리 원 숭이에 비해 발달된 방향성 지도를 가지고 있다. 나무두더지의 경우 안우성 지도의 발달은 매우 약한 반면 가장 발달된 방향성 지도를 가지고 있다.

  연구팀은 이번 연구에서 세 동물들의 다른 시각지도가 자성체에서 나타나는 자성들의 다른 분 포 타입들과 동일하다는 것을 밝혀냈다.

  이미 자성체 연구에서는 방향성과 스칼라(안우성) 성질을 가진 성분들로 이루어져 있고, 이들 성분끼리 상호경쟁을 하는 시스템의 경우 그 경쟁 정도에 따라 세 가지 다른 형태의 자성분포가 발달할 수 있다는 것이 알려져 있었다.

  포유류에서도 이와 같이 안우성 뉴런들이 방향성 뉴런들에 비해 강하게 작용할 때 나타나는 짧 은꼬리 원숭이형, 중간 정도일 때의 고양이(족제비) 형, 그리고 가장 약하게 작용할 때 나타나는 나무두더쥐 형의 세 가지 타입을 가지게 된다는 것이다.

  연구팀은 또 포유류들이 세 가지 중 어느 타입에 속하는지 여부를 결정하는 방향성 뉴런과 안 우성 뉴런의 상호경쟁의 정도를 수치화했으며, 동물 실험 데이터들이 여기에 일치하는 것을 확인 했다.

  이번 연구는 뇌가 매우 복잡한 시스템으로 이루어져 있지만, 물리학적 방법론을 응용하여 거시 적 수준의 뇌 현상의 보편적 이해가 가능하다는 것을 보여주고 있다.