[신경과학] 13.2 : 운동피질(motor cortex)

 

 

 

이번 포스트에서는 descending input의 major source인 운동피질(motor cortex)에 대해 알아보자.

 

 

 

 

위 그림과 같이 cerebral cortex 부분을 보면 central sulcus를 중심으로 앞쪽에는 M1(area 4)이라 불리는 primary motor cortex가 존재하며, 그보다 앞에는 area 6로 불리는 다른 motor cortex들이 존재함. 한편 central sulcus보다 뒤에는 S1으로도 불리는 primary sensory cortex를 포함해 다양한 sensory cortex들이 존재함.

 

 

 

이 중 area 4의 경우 이곳을 자극할 시 특정 muscle이 움직인다는 것을 확인했음. 따라서 area 4에 somatotopic organization, 혹은 somatotopic map이 존재한다는 것을 알아냄. 한편 area 6의 경우 크게 두 가지 region으로 구성되어 있는데, premotor area(PMA)의 경우 proximal motor unit을 control하고있는 reticulospinal neuron들을 targeting하고 있으며 supplemental area(SMA)의 경우 직접적으로 spinal cord에 projection해서 distal motor neuron을 targeting하는 것으로 알려져 있음.

 

 

 

 

 

위 그림은 실제로 M1에서의 motor map을 보여주고 있음. 이 때 손, 얼굴에 해당하는 부분이 다른 부분과 비교했을 때도 상당히 넓은 영역에 걸쳐 분포하고 있다는 것을 알 수 있음.

 

 

 

 

brain에서는 크게 움직임을 decision하는 부분, motor planning을 하는 부분, execution(실행)하는 부분이 존재함. 이 중 decision making을 하는 부분에는 posterior parietal cortex와 prefrontal cortex가 있음. posterior parietal cortex의 경우 여러 sensory를 종합적으로 받아서 우리가 어떤 환경에 있는지를 인지한 후 decision을 내려주는 곳이고 prefrontal cortex의 경우 추상적인 생각과 상당히 많이 관련되어 있음. (즉, 우리가 어떤 행동을 했을 때 이에 대한 결과를 추측하는데 매우 중요한 역할을 함)

 

실제로 사람에서 어떤 행동을 할 때 뇌에서 일어나는 신호를 PET을 이용해 관찰해봄. 그랬더니 특정한 행동을 할 때 somatosensory, posterior parietal areas, part of prefrontal cortex(area 8), area 6, area 4가 활성화된다는 것을 확인함. 이 때 area 6는 planning에, area 4는 execution에 중요한 영역임.

 

 

그런데 흥미롭게도 mentally rehearse를 하는 것 만으로도 area 6가 활성화된다는 것을 알게됨. 다만 실제로 행동을 하는 것은 아니므로 execution과 관련된 area 4는 활성화되지 않았음.

 

 

 

 

 

한편 motor cortex에서 어떻게 motor planning이 일어나는지에 대해 알아보기 위해 원숭이를 대상으로 위와 같은 실험을 수행함. 이 실험의 경우 매우 흥미로운데, 원숭이를 training시켜서 4개의 자리 중 red light이 나온 자리의 경우 버튼이 눌릴 것을 미리 알려주는 alert로 작용해서, red light이 비춰질 경우 원숭이는 다음에 그 위치의 버튼에 파란불이 들어올 것을 알고 있는 상황임. 그러다가 실제로 파란불이 들어오면 원숭이가 파란버튼을 누르게 되고, 그 결과 보상을 받는 식임. (일명 ready-set-go 실험)

 

 

이 때 각 과정에서 area 6 내부에 있는, planning과 관련되어 있을 것으로 생각되던 PMA region에 있는 neuron의 activity를 조사해봄. 그랬더니 정말로 (b)와 같이 빨간불이 들어와 다음에 그 쪽 버튼을 눌러야겠다고 생각할 때 PMA neuron이 활성화되는 것을 알 수 있음. 그러다가 실제로 단추에 파란불이 들어오면 손을 움직이게 되고, 이런 movement initiation이 일어나면 바로 이후 PMA region의 neuronal activity가 멈추게 된다는 것도 확인함.

 

 

이 밖에 SMA neuron의 경우에도 hand, wrist movement가 있기 몇초 전에 activity가 증가하게 되며, 만약 SMA에 문제가 생길 경우 정교한 motor coordination에 문제가 생긴다는 것도 확인함.

 

 

 

 

한편 Giacomo Rizzolatti 등의 과학자들은 PMA 내부의 neuron들이 mirror neuron으로도 기능할 것으로 생각함. 즉, 흥미롭게도 다른 대상이 비슷한 종류의 행동을 할 때도 PMA neuron 일부가 activation됨.

 

 

 

 

보면 일단 위 그림과 같이 특정한 motor action을 취할 때도 mirror neuron(거울뉴런)들이 활성화되지만 그 밖에 위 그림과 같이 원숭이, 혹은 사람이 특정 motor action을 취할 때도 활성화됨. 한편 위 그림 맨 아래와 같이 집게 등으로 물건을 집는 것을 볼 때는 활성화가 일어나지 않음.

 

 

흥미롭게도 PMA 내부에 있는 mirror neuron의 경우 각 cell별로 specific한 movement preference를 가진다는 특징이 있음. 그리고 sight뿐만 아니라 motor action에 의한 sound 등에 의해서도 이들이 활성화될 수 있음. 결론적으로 mirror neuron은 motor act의 목적을 encoding하고 있다 볼 수 있음.

 

 

한편 fMRI로 볼 때 human에서도 mirror neuron이 존재할 것으로 추정하고 있고, 이 mirror neuron들은 상대방 행동의 의도 등을 추정하는데 관련되어 있을 것으로 생각됨. 그리고 더 나아가서, mirror neuron은 상대방의 감정까지도 인식하는데 도움을 줄 것으로 생각하고 있음. 예를 들어 autism 환자들은 상대방의 감정을 잘 캐치하지 못하는데, 이런 특성이 mirror neuron의 이상에 의해 생기는 것은 아닐지 추정하고 있음.

 

 

 

다음 포스트에서는 이어서 basal ganglia에 대해 중점적으로 알아보도록 하자.