- 다중감각 VR로 유도된 환각에 의한 인간 격자 세포 활성 변화 관측

- 유체 이탈 등 환각 증상에 대한 객관적 진단이나 치료의 새로운 방향 제시

KIST 문혁준 선임연구원

우리 뇌에는 자신이 위치한 장소를 인지하는 GPS(위치정보시스템) 기능을 수행하는 격자 세포(grid cell)와 장소세포(place cell)가 존재하는 것으로 알려져 있다. 특정 장소로 이동하는 동안 그 경로에 있는 GPS 세포들이 위치에 따라 차례로 반응하게 되는데, 이들 세포는 우리의 위치를 좌표 형태로 인식하고 공간 내 사건들을 기억하는 데 중요한 역할을 담당한다.

한국과학기술연구원(KIST) 바이오닉스연구센터 문혁준 박사 연구팀은 스위스 로잔연방공과대학(이하 EPFL) 블랑캐(Olaf Blanke) 교수 연구팀과 함께 다중감각 가상현실(VR)을 이용해 자기 위치 환각을 유도하고, 이로 인한 뇌 속 격자 세포 활성의 변화 관측에 성공했다고 밝혔다.

인간은 상상이나 환각을 통해 실제로 몸을 움직이지 않아도 자신이 다른 공간에 있는 것처럼 인식하는 이른바 순수인지적 위치 이동이 가능한 존재다. 하지만, 이 같은 순수인지 과정에서 일어나는 뇌 속 GPS 세포의 반응은 이러한 인지를 유도하거나 확인할 수 없는 쥐 등의 동물실험으로는 관찰할 수 없었다. 더욱이 기존에 GPS 세포 연구를 위해서는 두개골을 열고 침습적 전극으로 개별 세포의 활성을 측정해야 했기 때문에 순수인지 과정의 인간 GPS 세포 활성에 관한 연구와 이해는 제한적일 수밖에 없었다.

연구팀은 순수인지적 환각에서 격자 세포의 활성을 관측하기 위해 MRI 호환 VR 기술과 다중감각 신체 신호 자극을 결합해 다양한 위치와 방향으로 자기 위치 변화 환각을 유도했다. 이 과정에서 측정된 MRI 신호를 통해 격자 세포의 변화를 분석했으며, 각 피험자의 환각 경험은 실험 후 질문지와 그들이 경험한 자기 위치를 확인할 수 있도록 고안된 행동 지표를 통해 확인했다. 그 결과, 연구팀은 환각에 의해 유도된 자기 위치에 대한 순수인지적 변화가 그에 상응하는 격자 세포의 활성을 일으킨다는 것을 최초로 증명했다.

이번 연구는 실제 위치의 이동 없이 다중 신체 감각 자극만으로 자기 위치 환각과 격자 세포 활성을 유도할 수 있다는 사실을 처음으로 입증한 임상시험 결과다. 이것은 인간 뇌 속 GPS 좌표가 신체의 물리적 위치뿐만 아니라 다양한 인지 활동과 경험에 따른 위치 정보에 반응한다는 것을 보여준 것으로 뇌 영상 분석을 통한 환각 증상의 객관적인 진단 가능성을 높였다. 또한, 이번 연구 성과가 유체 이탈 등의 환각 증상을 겪고 있는 환자들의 치료를 위한 표적을 제시해 새로운 치료법 개발에도 기여할 것으로 기대된다.

KIST 문혁준 박사는 “1인칭 시점의 시각적 환경 단서의 변화에 의존해 왔던 기존 인간 격자 세포 연구와 달리 다중 신체 감각의 통합이라는 주요 연구 요소를 새롭게 제시했다”라며, “다양한 정신질환이나 신경 질환으로 인한 환각 증상의 뇌 기능적 메커니즘 이해를 통해 해당 증상을 억제할 수 있는 비침습적 신경 자극 치료를 개발하기 위한 후속 국제협력연구를 진행할 예정”이라고 밝혔다.

다감각 VR을 통한 통제된 자기 환각 유도와 이에 따른 격자 세포 활성 관찰

이 연구는 국내에서는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원으로 KIST 주요사업과 스위스 국립과학재단의 지원(320030_188798)으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 「PNAS」 (IF: 11.1)에 3월 게재됐다.

논문명은 Changes in spatial self-consciousness elicit grid cell-like representation in the entorhinal cortex이다.

저자는 문혁준 선임연구원(제1저자/KIST 바이오닉스연구센터), Louis Albert 박사과정 학생 (공저자/EPFL), Emanuela De Falco 박사후 연구원 (공저자/EPFL), Corentin Tasu 인턴 연구원 (공저자/EPFL), Baptiste Gautheir 박사후 연구원 (공저자/스위스 느샤텔 병원), 박형동 (공저자/KAIST), Olaf Blanke (교신저자/EPFL)이다.

환각 유발과 VR 이동에 의한 격자세포 활성의 유사성

내후각피질에서 관찰된 격자세포 활성

□ 연구개요

○ 연구배경

격자세포는 자기 위치를 나타내는 뇌속의 GPS 같은 역할을 하는 것으로 알려져 있지만, 주로 동물에서 연구되어왔고 인간 격자 세포에 대한 연구는 제한적으로 이루어져왔음. 이전 연구에서 VR과 다중감각 신체 신호 자극을 결합하여 환각을 유도하고 피험자가 느끼는 자기 위치(self-location)를 변화시킬 수 있음이 밝혀져 있음. 하지만 실제 물리적 몸의 위치가 변하지 않을 때 유도된 환각만으로 격자 세포가 나타내는 뇌속의 GPS 좌표가 변화하는 지는 아직 연구되지 않았음. 따라서 fMRI 기반의 인간 격자 세포 활성 추정 기술을 보유한 KIST 문혁준 박사 연구팀이 환각 유도와 관련 임상 질환 연구의 세계적 권위자인 스위스 EPFL 올라프 블랑캐(Olaf Blanke) 교수 연구팀과 협력하여 이를 밝힐 연구를 계획하게 됨.

○ 연구내용

MRI-호환 VR 기술과 다중감각 신체신호 자극 패러다임을 접목하여 fMRI 스캔 중에 다양한 위치, 방향으로 자기 위치 변화 환각 유도에 성공함. 환각 유도 중 측정한 fMRI 신호를 분석하여 환각에 의한 인식된 자기 위치의 변화에 의한 격차 세포의 활성을 확인함. 이는 흔히 가상 탐색 (Virtual navigation)에서 사용되는 1인칭 시점의 변화 없이 다중 신체 감각 자극만으로 자기 위치 환각과 격차 세포 활성을 유도할 수 있다는 첫 번째 인간 연구 결과이며, 인간 뇌 속 GPS 좌표가 단순히 신체의 물리적 위치가 아니라 다양한 인지활동에 의해 인식, 경험되는 자기 위치를 나타냄을 밝힌 결과임.

○ 기대효과

본 연구는 시각 자극에 주로 의존해온 격자 세포나 장소 세포 연구 분야의 기존 연구에 다중 신체 감각이라는 새로운 중요 연구 요소를 제안함. 또한 다양한 정신질환이나 신경질환으로 인한 환각 증상의 대뇌 메커니즘을 보다 더 이해하고 치료할 수 있는 기반을 제공할 것으로 기대됨. 즉, 유체 이탈 경험 등의 환각 증상을 객관적으로 측정하거나 진단할 수 있는 방법으로 활용될 수 있고, 관련 매커니즘에 대한 후속 연구를 통해, 해당 증상을 억제할 수 있는 약물이나 신경 자극 치료를 개발하는 기반을 제공할 수 있음. 해당 연구는 활발한 국제 협력을 통해 수행되었으며, 양국 연구팀 간에 해당 연구 결과의 임상 질환으로의 적용을 위한 후속 연구가 계획 중에 있음.

□ 용어해설 

1. 격자 세포 (grid cells)

해마 옆 내후각피질 (Entorhinal Cortex)에 다수 존재하는 GPS 세포로서, 해당 개체가 특정 장소에 위치할 때만 신경 활성을 보이는 세포. 해마에 존재하는 또 다른 GPS 세포인 장소 세포 (place cells)와 달리 반응하는 특정 장소가 육각형 벌집 모양의 격자 (grid)를 이루고 있어서 격자 세포로 불림.

2. 장소 세포 (place cell)

장소 세포는 뇌 내에서 특정 장소나 위치를 나타내는 세포로서 이러한 세포들은 동물의 뇌에서 발견되며, 특정 장소에서 활성화되어 해당 위치에 대한 정보를 기억하고 인지하며 환경 탐색과 공간 인식에 중요한 역할을 함

3. MRI 호환 VR 기술

MRI(Magnetic Resonance Imaging) 호환 VR(Virtual Reality) 기술은 실시간으로 MRI 스캔을 하면서 환자나 피험자가 가상 현실 환경을 체험할 수 있도록 하는 기술로, 이를 통해 실제 뇌 활동을 관찰하면서 환자의 인지 기능이나 행동을 평가하는 등 다양한 연구 및 임상 응용이 가능함

4. 다감각 신체신호 자극 패러다임

최근 연구 결과에 따르면, 우리가 신체를 자신의 몸으로 인식하게 되는 것은 몸에 대한 다감각 신체신호의 통합에 기인함. 일례로 어떤 손을 막대로 자극하는 것을 ‘시각’으로 봄과 동시에 그 자극이 ‘촉각’으로 느껴질 때, 우리의 뇌는 내가 지금 보고 있는 손이 내 손이라고 인식하게 됨. 다감각 신체신호 자극 패러다임은 다양한 형태의 감각 자극의 통합을 통하여 이러한 인간의 신체에 관한 자의식 (신체 소유감, 자기위치 인식 등)과 관련 지각 및 인지 체계를 연구하는 접근 방법임. 다감각 자극은 시각, 청각, 촉각 등의 다양한 감각을 포함할 수 있으며, 환경이나 실험 조건에 따라 변형될 수 있음. 이 방법은 인지과학, 신경과학 뿐 아니라 자의식과 관련한 철학 연구 분야에서도 널리 사용되고 있음.

KIST 홍보실 제공