뇌가 복잡한 손동작을 제어하는 방식
- 건강의학 / 문광주 기자 / 2025-08-20 10:49:49
4분 읽기
- 우리 뇌의 특정 영역이 이러한 동작들을 결합해 다양한 동작 시퀀스를 형성
- 왼쪽 하두정엽, 즉 왼쪽 귀의 약간 위쪽과 뒤쪽은 이 과제에 중요
- 뇌의 자연스러운 모듈 원리는 이제 로봇의 동작 순서를 프로그래밍하는 데에도 사용 가능.
어른들에게는 어느 순간 일상적으로 일어나는 일이지만, 아이들은 생각하고 연습해야 한다. 그렇다면 인간의 뇌는 이러한 협응된 움직임 시퀀스, 소위 "운동학적 시너지"를 어떻게 처리하고 제어할까?
피츠버그 카네기 멜론 대학교의 레일라 카글라(Leyla Caglar)가 이끄는 연구팀은 이 문제를 더 자세히 조사했다. 신경과학자들은 기능적 자기공명영상(fMRI)을 사용하여 얻은 뇌 스캔을 평가했다. MRI 스캔 동안 피험자들은 도구 이미지나 도구 사용 영상을 시청했다. 그런 다음 컴퓨터 모델을 사용하여 어떤 뇌 활동이 어떤 상상적 또는 관찰된 움직임에 기인하는지 분석했다.
왼쪽 귀 뒤의 움직임 중심
분석의 초점은 상변연회(SMG;Gyrus suoramarginalis)였다. 이 뇌 영역은 이전 연구에서 밝혀진 바와 같이 물체와 관련된 움직임을 조정하는 역할을 한다. 이 회선의 중심 위치인 왼쪽 하두정엽, 즉 왼쪽 귀의 약간 위쪽과 뒤쪽은 이 과제에 중요하다. 시각, 촉각, 운동, 그리고 자신의 신체 위치와 사용 도구에 대한 기타 정보를 포함한 여러 뇌 영역의 정보가 수렴되는 곳이다.
분석 결과, 상측 변연회는 예상대로 복잡한 손동작에서 운동학적 시너지 효과를 위한 중앙 제어 장치임이 밝혀졌다. 놀랍게도 이 뇌 영역은 몇 가지 기본적인 동작만으로 손의 안무를 구성한다. 이러한 동작들은 어떤 방식으로든 결합될 수 있는 일종의 동작 구성 요소 알파벳을 형성한다.
동작 구성 요소의 알파벳
우리의 뇌가 글자에서 글을, 소리에서 말을 만들어내는 것처럼, 뇌는 개별 구성 요소로부터 동작을 구성한다. "뇌는 이러한 기본 구성 요소들로부터 인간의 손으로 수행할 수 있는 모든 동작 레퍼토리를 구성한다"며 “이는 상측 변연회가 기본적인 동작 요소들을 더욱 복잡하고 기능적인 시퀀스로 결합하는 조립 센터 역할을 한다는 것을 시사한다"고 카글러는 말했다.
모든 사람이 손놀림에 똑같이 능숙한 것은 아니지만, 연구팀은 모든 사람이 손을 사용하여 다양한 동작 안무를 배우고 수행할 수 있는 동일한 신경적 소질을 가지고 있다는 결론을 내렸다. "이 연구는 인간의 도구 사용을 가능하게 하는 뇌 조직의 기본 원리를 이해하는 데 한 걸음 더 다가가게 해 준다"고 Caglar는 설명했다.
가위와 펜치의 공통적인 기본 동작
예를 들어, 가위와 펜치를 사용할 때 사용되는 기본적인 손 자세가 있다. 관련된 팔과 손가락 움직임은 세부적으로 다르지만, 쥐어짜는 손동작은 공통적으로 사용된다. 드라이버와 코르크스크류를 사용할 때 손목을 돌리는 것도 마찬가지다.
연구진은 손 움직임이 사용하는 물체의 기능이 아니라 물체의 종류에 따라 달라진다는 것을 발견했다. 예를 들어, 가위로 자르는 것은 칼로 자르는 것과 완전히 다른 손 자세가 필요하고, 고전적인 스핀들 코르크 스크류를 돌리는 것은 병따개를 사용하는 것과 다르다.
이 발견은 또한 실행증 환자들이 겉보기에 서로 관련 없어 보이는, 서로 다른 기능을 가진 물체들을 동일한 손 움직임이 필요할 때 사용하지 못하는 이유를 설명한다. 이 신경 질환에서는 상변연회(supramarginal gyrus)의 손 움직임 구성이 교란된다. 포르투갈 코임브라 대학교의 공동 저자인 호르헤 알메이다(Jorge Almeida)는 "이 뇌 영역이 손상되면 사람들이 물체를 사용하여 복잡한 동작을 계획하고 실행하는 데 어려움을 겪을 수 있다"고 설명했다.
로봇 및 의수 동작에 도움
이러한 우리 뇌의 자연스러운 모듈 원리는 이제 로봇의 동작 순서를 프로그래밍하는 데에도 사용될 수 있다. 알메이다는 "이를 통해 인간처럼 민첩하고 효율적이며 지능적으로 행동하는 인공 시스템을 만드는 목표에 한 걸음 더 다가갈 수 있다"고 말했다.
더 나아가, 이러한 지식은 더 나은 생체 의수 개발에도 활용될 수 있다. "신경 활동으로부터 이러한 운동학적 시너지 효과를 직접 매핑할 수 있다면, 사용자가 더욱 자연스럽고 정확하며 유연한 움직임으로 의수를 제어할 수 있도록 하는 더욱 효율적인 뇌-기계 인터페이스를 구축할 수 있을 것이다"고 알메이다는 설명했다.
참고: 미국 국립과학원 회보, 2025
출처: 카네기 멜론 대학교
- 우리 뇌의 특정 영역이 이러한 동작들을 결합해 다양한 동작 시퀀스를 형성
- 왼쪽 하두정엽, 즉 왼쪽 귀의 약간 위쪽과 뒤쪽은 이 과제에 중요
- 뇌의 자연스러운 모듈 원리는 이제 로봇의 동작 순서를 프로그래밍하는 데에도 사용 가능.
뇌가 복잡한 손동작을 제어하는 방식
손 안무는 몇 가지 간단한 "동작 알파벳"으로 구성된다.
손동작의 알파벳:
코르크 마개를 뽑는 병뚜껑을 열 때, 우리 손은 복잡한 안무를 따라 움직인다. 이 동작을 포함한 모든 손동작은 몇 가지 기본적인 "동작 문자"로 구성된다. 신경과학자들은 우리 뇌의 특정 영역이 이러한 동작들을 결합해 다양한 동작 시퀀스를 형성한다는 것을 발견했다. 이 지식은 의학뿐만 아니라 로봇 공학에도 유용하다.
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| ▲ 연구자들은 손의 움직임을 조정하는 뇌 영역을 식별했다. © AI 생성(Copilot) |
우리는 매일 손으로 복잡한 동작을 수행하며, 이러한 동작들은 개별 동작의 정확한 순서를 요구한다. 예를 들어, 코르크 마개를 뽑거나 라이터를 사용하거나, 펜으로 글을 쓰거나, 자물쇠에 열쇠를 돌리거나, 유리잔에 물을 부을 때, 이러한 동작 뒤에는 손가락, 손, 팔의 복잡하고 미리 연습된 안무가 있다.
우리 뇌에서는 무슨 일이 일어날까?
어른들에게는 어느 순간 일상적으로 일어나는 일이지만, 아이들은 생각하고 연습해야 한다. 그렇다면 인간의 뇌는 이러한 협응된 움직임 시퀀스, 소위 "운동학적 시너지"를 어떻게 처리하고 제어할까?
피츠버그 카네기 멜론 대학교의 레일라 카글라(Leyla Caglar)가 이끄는 연구팀은 이 문제를 더 자세히 조사했다. 신경과학자들은 기능적 자기공명영상(fMRI)을 사용하여 얻은 뇌 스캔을 평가했다. MRI 스캔 동안 피험자들은 도구 이미지나 도구 사용 영상을 시청했다. 그런 다음 컴퓨터 모델을 사용하여 어떤 뇌 활동이 어떤 상상적 또는 관찰된 움직임에 기인하는지 분석했다.
왼쪽 귀 뒤의 움직임 중심
분석의 초점은 상변연회(SMG;Gyrus suoramarginalis)였다. 이 뇌 영역은 이전 연구에서 밝혀진 바와 같이 물체와 관련된 움직임을 조정하는 역할을 한다. 이 회선의 중심 위치인 왼쪽 하두정엽, 즉 왼쪽 귀의 약간 위쪽과 뒤쪽은 이 과제에 중요하다. 시각, 촉각, 운동, 그리고 자신의 신체 위치와 사용 도구에 대한 기타 정보를 포함한 여러 뇌 영역의 정보가 수렴되는 곳이다.
분석 결과, 상측 변연회는 예상대로 복잡한 손동작에서 운동학적 시너지 효과를 위한 중앙 제어 장치임이 밝혀졌다. 놀랍게도 이 뇌 영역은 몇 가지 기본적인 동작만으로 손의 안무를 구성한다. 이러한 동작들은 어떤 방식으로든 결합될 수 있는 일종의 동작 구성 요소 알파벳을 형성한다.
동작 구성 요소의 알파벳
우리의 뇌가 글자에서 글을, 소리에서 말을 만들어내는 것처럼, 뇌는 개별 구성 요소로부터 동작을 구성한다. "뇌는 이러한 기본 구성 요소들로부터 인간의 손으로 수행할 수 있는 모든 동작 레퍼토리를 구성한다"며 “이는 상측 변연회가 기본적인 동작 요소들을 더욱 복잡하고 기능적인 시퀀스로 결합하는 조립 센터 역할을 한다는 것을 시사한다"고 카글러는 말했다.
모든 사람이 손놀림에 똑같이 능숙한 것은 아니지만, 연구팀은 모든 사람이 손을 사용하여 다양한 동작 안무를 배우고 수행할 수 있는 동일한 신경적 소질을 가지고 있다는 결론을 내렸다. "이 연구는 인간의 도구 사용을 가능하게 하는 뇌 조직의 기본 원리를 이해하는 데 한 걸음 더 다가가게 해 준다"고 Caglar는 설명했다.
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| ▲ 가위와 펜치를 사용할 때 사용되는 기본적인 손 자세가 있다. 관련된 팔과 손가락 움직임은 세부적으로 다르지만, 쥐어짜는 손동작은 공통적으로 사용된다. 드라이버와 코르크스크류를 사용할 때 손목을 돌리는 것도 마찬가지다. |
가위와 펜치의 공통적인 기본 동작
예를 들어, 가위와 펜치를 사용할 때 사용되는 기본적인 손 자세가 있다. 관련된 팔과 손가락 움직임은 세부적으로 다르지만, 쥐어짜는 손동작은 공통적으로 사용된다. 드라이버와 코르크스크류를 사용할 때 손목을 돌리는 것도 마찬가지다.
연구진은 손 움직임이 사용하는 물체의 기능이 아니라 물체의 종류에 따라 달라진다는 것을 발견했다. 예를 들어, 가위로 자르는 것은 칼로 자르는 것과 완전히 다른 손 자세가 필요하고, 고전적인 스핀들 코르크 스크류를 돌리는 것은 병따개를 사용하는 것과 다르다.
이 발견은 또한 실행증 환자들이 겉보기에 서로 관련 없어 보이는, 서로 다른 기능을 가진 물체들을 동일한 손 움직임이 필요할 때 사용하지 못하는 이유를 설명한다. 이 신경 질환에서는 상변연회(supramarginal gyrus)의 손 움직임 구성이 교란된다. 포르투갈 코임브라 대학교의 공동 저자인 호르헤 알메이다(Jorge Almeida)는 "이 뇌 영역이 손상되면 사람들이 물체를 사용하여 복잡한 동작을 계획하고 실행하는 데 어려움을 겪을 수 있다"고 설명했다.
로봇 및 의수 동작에 도움
이러한 우리 뇌의 자연스러운 모듈 원리는 이제 로봇의 동작 순서를 프로그래밍하는 데에도 사용될 수 있다. 알메이다는 "이를 통해 인간처럼 민첩하고 효율적이며 지능적으로 행동하는 인공 시스템을 만드는 목표에 한 걸음 더 다가갈 수 있다"고 말했다.
더 나아가, 이러한 지식은 더 나은 생체 의수 개발에도 활용될 수 있다. "신경 활동으로부터 이러한 운동학적 시너지 효과를 직접 매핑할 수 있다면, 사용자가 더욱 자연스럽고 정확하며 유연한 움직임으로 의수를 제어할 수 있도록 하는 더욱 효율적인 뇌-기계 인터페이스를 구축할 수 있을 것이다"고 알메이다는 설명했다.
참고: 미국 국립과학원 회보, 2025
출처: 카네기 멜론 대학교
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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