[신경과학] 9.2 : central visual system - 2

 

 

이번 포스트에서는 이어서 뇌의 시각정보 인식 과정에 대해 알아보자.

 

 

 

 

위 그림은 실제로 우리가 관찰한 시각정보들이 primary visual cortex의 어느 부분에 실제로 projection되는지를 나타내주고 있음. 참고할 것. 이 때 알아둬야 할 것은 시각정보가 뇌로 전달되는 과정에서 어느 정도의 질서가 있다는 것임.

 

 

 

 

다음으로 orientation selectivity에 대해 알아보자. 일단 위 그림 왼쪽과 같이 빛을 띄 모양으로 비춰주고, 이 때 띄를 몇도로 비춰주는지에 따라서 primary visual cortex의 특정 부위에서 cell discharge pattern이 어떻게 달라지는지를 확인해봄. 그 결과가 위 그림 오른쪽과 같음. 보면 primary visual cortex의 특정 영역의 경우 특정 각도의 빛이 왔을때만 상당히 많이 firing하는, orientation selectivity를 가지고 있었음. 참고로 실제로 primary visual cortex의 특정 부위에 대해 비춰주는 빛의 각도를 달리해가면서 tuning curve를 그리고, 이로부터 어떤 부분에서 firing이 maximum하게 일어나는지를 볼 수도 있음.

 

 

 

 

한편, primary visual cortex 상에서의 인접세포로 한칸씩 이동해가며 preferred orientation을 조사해보면, 위 그림과 같이 최종적으로는 거의 한 바퀴를 다 cover하게 됨.

 

 

이 때 흥미롭게도 하나의 column에 있는 세포들의 경우 preferred orientation이 같음. 이 때의 column 단위를 cortical column이라고 함. 이 cortical column은 서로 같은 정보를 처리하며 이를 통해서 column 하나가 계산 단위임을 알 수 있음.

 

 

 

 

그리고 위와 같이 동일한 형태와 방향의 visual stimulus임에도 불구하고 위 그림과 같이 이 stimulus가 receptive field에 대해 이동하는 방향에 따라서 어떤 경우 stimulation이 잘 되는 한편 어떤 경우 stimulation이 되는듯 하다가 중단되어버림. 이러한 preference를 direction selectivity라고 함.

 

 

 

결과적으로 primary visual cortex, 즉 v1에 있는 녀석들은 시각 자극의 움직임 방향, 그리고 orientation에 모두 민감함. 이는 시각 대상의 움직임 분석에 최적화된 특성이라 할 수 있음.

 

 

 

 

위 그림의 (b)에는 실제로 어떻게 이런 orientation selectivity가 형성되는지가 나타나 있음. 보면 LGN neuron 3개가 서로 모여 center-surround receptive field를 형성하고 있음. 이 때 3개의 On-center를 모두 통과하는 방향으로 오는 신호가 가장 maximal하게 firing을 유발할 것임. 이러한 원리에 의해 orientation selectivity가 부여될 수 있음.

 

 

한편 실제로는 위 그림 아래와 같이 빛이 켜졌을 때 처음에는 반응하다가 이후에는 잘 반응을 안하는 등 다양한 식의 정보처리가 엄청나게 많이 이루어지고 있음.

 

 

 

 

그리고 위와 같이 M-type, nonM-nonP type, P-type의 ganglion cell에 따라서 v1으로 projection되는 위치도 다 다름. 이러한 model을 parallel processing model이라고 함.

 

 

 

그리고 위 그림은 primary visual cortex 이후의 정보 흐름에 대해 나타내주고 있음. 보면 정보가 전달될 때 dorsal stream으로 갈 수도, ventral stream으로 갈 수도 있음. 이 때 dorsal stream으로 간 정보는 주로 움직임과 행동 분석에 쓰이고 ventral stream으로 간 정보는 주로 시각 인지(즉, 내가 본 물질이 마이크인지 계산기인지)에 쓰임.

 

 

한편 위 그림 (a)에도 나타난 것처럼 v1에서 v2, v3, v4로 가는 식으로 정보가 계층적으로 이동되면서 보다 복잡한 computation이 일어나게 됨.

 

 

 

 

 

그리고 흥미롭게도 얼굴이 아닌 시각자극이 주어졌을 때의 경우 primary visual cortex로 projection이 이루어지는 반면 face 시각자극이 주어졌을 경우에는 위 그림 왼쪽과 같이 FFA라는 뇌의 특정 region으로 specific하게 projection되게 됨. 이 밖에 FFA 이외에도 얼굴의 identity에 반응하는 세포, 얼굴의 identity 방향에 반응하는 세포 등 뇌 안에 있는 다른 종류의 region들이 알려짐.

 

 

 

 

위 그림은 감각수용기에 의해 인식된 정보가 ganglion cell로 오면서 밝기 구분, contrast 구분이 이루어지고, 이후 v1으로 오면서 orientation, direction에 대한 computation이 이루어지며, 이후 더 세부적인 cortex로 내려가면서 face perception이 이루어지게 되는 과정을 나타내주고 있음. 이에 사람들은 특정한 누군가, 예를 들어 grandmother인지 여부를 인식하는 아주 specific한 수준의 grandmother cell도 있을까에 대해 궁금함을 가짐. 그러나 지금까지의 연구 결과에 따르면 이정도 specificity는 존재하지 않는 것으로 보임.

 

 

 

 

 

그 밖에 최근에는 두뇌 신호로부터 다시 자극을 decoding하는 것과 관련된 연구도 많이 진행되고 있음. 이를 통해서 실제로 잠을 잘 때 어떤 꿈을 꾸는지에 대해 어렴풋이나마 decoding할 수 있는 기술이 어느 정도 develop되고 있음.

 

 

 

다음 포스트부터는 청각(hearing)의 인식 과정에 대해 알아보자.