Bats’ brains predict their next move during flight

비행 중 다음 행로를 예측하는 박쥐의 뇌

이 연구는 박쥐가 진로를 파악하기 위해 과거, 현재, 미래의 위치에 대한 인식을 지속한다고 주장한다.

지구상 1천여 종이 음파로 거리와 방향 등을 감지하는 반향 위치 결정법(echolocation)을 사용하지만, 그중에서도 박쥐의 뇌는 오랜기간 진화의 결과 특히 항법(navigation)에 최적화되어 있다.

오늘 사이언스(Science)지에 발표된 이 연구는, 박쥐가 날 때 ‘장소 세포(place cells)’라고 알려진 특수 뉴런이 현재 순간뿐 아니라 과거 및 미래의 자기 위치에 대한 주요 항행 정보를 처리하는 데 기여한다고 주장한다. 여기서 장소 세포는 기억을 조절하는 뇌의 일부인 ‘해마’에 위치한다.

솔크 연구소(Salk Institute)의 프로젝트 과학자이자 이 연구의 주저자인 니콜라스 도트슨(Nicholas Dotson)은 “이 발견은 직관적이다. 왜냐하면 적어도 인간인 우리는 우리가 어디에 있을지 혹은 어디에 있었는지에 대하여 생각할 수 있기 때문이다.”라고 말한다.

도트슨, 그리고 공저자인 UC버클리 대학교 신경생물학 및 공학 교수 마이클 야르체프(Michael Yartsev)는 무선 신경 데이터 기록 장치, 16대의 카메라로 만든 동작 추적 시스템을 이용하여 이집트과일박쥐를 관찰했다. 두 번의 실험에서 이들은 박쥐 6마리의 신경 활동의 패턴을 기록했다.

연구진은 음향 반향을 최소화하기 위해 검은색 방음벽으로 둘러싸인 방에서 박쥐들이 무작위로 탐색하게 했다. 반면 일부 다른 박쥐에는 실내에서 먹잇감을 찾는 과제를 부여했으며, 운 좋은 녀석 하나는 두 환경 모두에서 테스트를 받게 했다.

박쥐 머리에 부착한 마커 몇 가지와 박쥐의 뇌에 심은 마이크로드라이브(microdrive)를 통해, 연구진은 신경 활동의 미세한 시간 변이를 관찰하고 박쥐가 어떻게 새로운 공간 정보와 상호 작용하는지 기록할 수 있었다.

그 결과 그들은 무작위 탐색과 사냥 과제와 같은 사냥 목표 지향적 항행 모두에서 박쥐들이 주변 환경과 이동 경로 모두에 대한 상세한 공간 기억을 지속한다는 것을 발견했다. 또한 박쥐들이 미래 위치에 대한 공간적 인식을 할 수 있다는 사실 역시 밝혀졌다.

“동시에 활성화되지만 각기 다른 구성요소를 표상하는 뉴런들이 있다.” 도트슨은 말한다. “따라서 이는 단지 지금 이 순간뿐만이 아니라 과거, 현재, 미래를 나타낸다.”

박쥐가 먹이를 찾고 포식자를 피할 수 있는 것은 타고난 GPS를 통해 시간에 따른 위치를 파악할 수 있는 능력 덕택이다. 이는 박쥐의 가장 중요한 생존 도구라고 할 수 있다.

이 연구는 다른 종들이 다른 방식으로 과거, 현재, 미래의 경험에 대한 관련성을 평가할 수 있다는 데 주목한다. ‘나뭇가지 사이로 뛰어다니는 원숭이, 또는 스키나 차를 타고 고속으로 내리막길을 주행하는 인간’과 같은 생존 시나리오에서는 미래 정보가 생존에 가장 중요할 수 있다.

“박쥐는 사냥에 성공하기 위해 현재 순간과 미래의 위치 모두에 대한 계획을 세워야 한다.” 애리조나 대학 박쥐연구실의 연구자인 멜빌 볼게무트(Melville Wohlgemuth)의 말이다. “이는 우리 삶과도 관련이 있는 두뇌 처리 과정이다.”

신경과학 분야는 오래전부터 우리 자신 외 다른 종을 비교 연구해왔다. 그 일환으로 과학자들은 박쥐의 해마를 연구함으로써 특정 질병이 우리 뇌에 어떤 영향을 미치는지에 대해 더 많은 통찰을 얻을 수 있을 것이다.

예컨대 박쥐에 대한 지식이 축적됨에 따라 우리는 알츠하이머를 보는 관점을 바꿀 수 있다. 인지 능력과 기억이 서서히 퇴화하는 알츠하이머 환자들은 새로운 경로나 새로운 장소를 직관적으로 탐색하는 데 어려움을 겪는다. 심지어 이를 반복적으로 맞닥뜨리는 경우에도 그렇다.

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