과학자들은 뇌의 동작-소스 분리 문제를 해결합니다

신경과학자들은 뇌가 외부 세계에서 발생하는 시각적 움직임과 관찰자가 그 안에서 움직이는 것으로 인해 발생하는 움직임을 어떻게 구별하는지 발견했습니다. "움직임-소스 분리 문제"로 알려진 연구자들은 뇌가 이 중요한 감각적 구별을 어떻게 달성하는지 오랫동안 궁금해했습니다. 과학자들이 정확한 메커니즘을 정확히 파악한 것은 이번이 처음입니다.

Cell 에 오늘 게재된 연구에서는 UCL의 Sainsbury Wellcome Centre(SWC) 과학자들이 운동의 기본 요소를 분리하기 위해 새로운 실험적 설정을 개발한 방법을 설명합니다. 그들은 생쥐의 1차 시각 피질에 있는 개별 세포가 운동 및 전정 신호를 사용하여 망막의 시각 흐름이 외부 세계의 시각 운동 때문인지 또는 동물의 움직임으로 인해 발생하는지 여부를 판단한다는 것을 발견했습니다.

"우리는 매일 우리가 움직이는지, 아니면 우리 주변에서 무언가가 움직이는지 아는 것을 당연하게 여깁니다. 하지만 아무도 뇌가 어떻게 이를 하는지 모릅니다. 우리는 이 동작 분리 문제를 해결할 수 있는 실험을 설계하고 싶었습니다." SWC의 부소장이자 연구의 주 저자인 트로이 마그리 교수가 말했습니다.

SWC의 FabLab 엔지니어와 함께 팀은 Translocator라는 독특한 새로운 시스템을 개발했습니다. 이 실험적 설정은 마우스가 가상 이동 복도를 표시하는 화면을 보면서 달리기를 선택할 수 있는 수동 트레드밀로 구성되어 있습니다. 전체 트레드밀 장치는 마우스가 달리기로 선택한 속도와 동기화되어 레일을 따라 물리적으로 앞으로 이동합니다.

"우리는 동물이 러닝머신에서 달리는 동안 그 움직임과 결합된 시각적 흐름을 보여주는 가상 현실 설정의 원리를 기반으로 구축했습니다. 하지만 추가로, 우리는 동물이 실제로 자신의 달리기 속도에 따라 이동(즉, A에서 B로 이동)을 경험할 수 있도록 앞으로의 이동을 추가했습니다. 이것이 우리가 그것을 Translocator라고 부르는 이유입니다." SWC의 Margrie Lab의 수석 연구원이자 논문의 첫 번째 저자인 Mateo Velez-Fort 박사가 설명했습니다.

이 실험적 설정은 팀이 운동의 기본 요소를 분리할 수 있게 했습니다. 예를 들어, 연구자들은 1.2m를 활발하게 달리는 쥐의 속도 프로필을 기록했습니다. 그런 다음 그들은 동물을 다시 시작 지점으로 되돌리고 트레드밀을 차단하면서 같은 속도를 재생하여 쥐가 활발하게 움직이는 것이 아니라 수동적으로 움직이도록 했습니다. 이를 통해 팀은 달리기와 전정 신호를 합친 것과 동일한 순수한 전정 신호를 얻을 수 있었습니다.

과학자들은 전체 장치는 고정한 채 쥐를 러닝머신에서 달리게 하여 순수한 운동 신호를 얻었기 때문에 쥐가 움직이지 않았습니다.

"Translocator 설정 덕분에 순수한 운동 신호, 순수한 전정 신호, 그리고 운동 신호와 전정 신호를 합친 신호를 얻을 수 있었습니다. 이는 처음으로 이런 것들을 분리할 수 있었다는 것을 의미합니다."라고 Margrie 교수는 설명했습니다.

동시 신경 기록을 위한 최첨단 전극인 Neuropixels 프로브를 사용하여 연구진은 1차 시각 피질에서 기록한 결과, 약 50%의 세포, 특히 깊은 층 5/6의 세포가 시각 흐름, 달리기, 이동에 반응하는 것을 관찰했습니다.

"우리는 이러한 입력의 수렴이 피질에서 일반적인 규칙인지 알고 싶었고, 그래서 우리는 또한 어둠 속에서 체성감각 피질과 후두엽 피질을 포함한 다른 영역에서도 기록했습니다. 우리는 운동 신호와 전정 신호가 뇌의 여러 곳에서 수렴한다는 것을 발견했고, 이는 많은 피질 영역의 조직의 근본적인 특성인 듯합니다."라고 벨레스-포트 박사는 설명했습니다.

이전에는 감각 표현이 항해에 사용되는 내부 신호와 통합되기 위해 뇌의 다른 부분으로 전송되어야 한다고 생각했습니다. 반면 SWC의 연구자들은 피질의 주요 감각 영역이 동물의 내부 운동 상태에 즉시 접근할 수 있다는 것을 발견했습니다.

놀랍게도, 연구팀은 또한 1차 시각 피질의 뉴런에서 기록된 활동이 자연적 시나리오와 비자연적 시나리오에서 매우 유사하다는 것을 발견했습니다. 동물이 달리고 전위될 때와 쥐가 달리지만 앞으로 평행이동되지 않을 때의 동일한 양의 신경 활동이 관찰되었습니다. 이를 통해 연구자들은 달리기가 평행이동 입력을 억제해야 한다고 제안했습니다.

그들은 클라우디아 클로패스 교수와 협력하여 개발한 수학적 모델을 사용하여 이 이론을 테스트했고, 이 모델을 통해 이 현상을 뒷받침하는 것으로 나타났습니다. 이 모델은 또한 달리기 속도가 머리의 실제 속도와 일치하지 않으면 전정 경로에서 오류가 신호될 것이라고 예측했습니다. 이 예측은 추가 실험을 통해 검증되었습니다.

이 연구는 1차 감각 영역을 포함한 많은 피질 영역이 지속적으로 업데이트되고 다른 모달리티로부터 피드백을 받고 있음을 보여줍니다. 전정계의 경우 관찰자의 운동 상태에 대한 맥락을 제공하기 위해 온라인 내부 참조 프레임을 생성하는 데 사용됩니다.

이 연구는 Gatsby Charity Foundation(GAT3361)과 Wellcome(219627/Z/19/Z)의 Sainsbury Wellcome Centre 핵심 보조금과 Wellcome Trust Discovery 보조금(214333/Z/18/Z)으로 자금 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/02/250219111500.htm