착시의 원인 밝혀졌다.
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2025-09-17 12:41:33
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- 특수 뇌 세포와 피드백이 착시를 유발하는 방식
- 광유전학 기술을 사용하여 생쥐의 뇌세포를 조작하여 활발하게 활성화될 때 빛을 내게 해
- 새롭게 발견된 IC 인코더 뉴런이 시각적 자극 없이도 발생하는 시각적 인상인 실제 환각을 유발할 수 있다는 것이 밝혀졌다.
우리의 시각은 카메라가 아니다. 현실의 실제 이미지를 보여주지 않는다. 대신, 감각 자극, 필터, 그리고 후속 처리 단계의 복잡한 상호작용이 우리가 보는 것을 결정한다. 이를 통해 우리는 반쯤 가려진 물체를 인식하거나 시야의 빈틈을 메운다. 동시에 우리의 뇌는 착시와 환각을 만들어낸다. 즉, 우리는 존재하지 않는 것을 보는 것이다.
착시의 전형적인 예로는 카니자 삼각형과 같은 겉보기 윤곽선이 있다. 검은색 배경에 팩맨처럼 생긴 흰색 도형 세 개만 그려져 있는데, 우리는 그사이에 검은색 삼각형이 있는 것을 본다. 우리의 뇌는 이러한 기하학적 도형을 자동적으로 완성한다. 왜 그럴까요?
특수 뉴런, "범죄자"
캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스의 신혜영(Hyeyoung Shin) 교수 연구팀은 이 질문에 대한 답을 찾았다. 연구팀은 착시 현상 동안 생쥐의 뇌에서 일어나는 과정을 실시간으로 관찰했다. 이를 위해 연구진은 광유전학 기술을 사용하여 생쥐의 뇌세포를 조작하여 활발하게 활성화될 때 빛을 내도록 했다. 그런 다음 생쥐에게 겉보기 윤곽선이 있거나 없는 이미지를 보여주었다. 이러한 착시는 설치류에서도 동일하게 작동한다.
실험 결과 생쥐가 착시 현상을 볼 때마다 시각 피질에 있는 특수 뇌세포 그룹이 활성화되는 것으로 나타났다. "IC 인코더"라고 불리는 이 뉴런들은 생쥐가 실제 윤곽선을 볼 때는 비활성화 상태를 유지했다. 신 교수와 동료들은 "이는 IC 인코더가 겉보기 윤곽선의 착시를 만들어낸다는 것을 시사한다"고 설명했다. 일차 시각 중추에 있는 이러한 뇌세포들은 우리 뇌가 인지된 패턴을 자동으로 완성하도록 하여, 눈에 보이는 윤곽선을 만들어낸다.
환각의 근원이기도 하다.
"1차 시각 중추의 이러한 패턴 완성은 특정 기대에 부합하는 시각 신호만 선택적으로 증폭되고 전달되도록 하는 것으로 보인다"고 연구진은 설명했다. 또 다른 실험에서는 새롭게 발견된 IC 인코더 뉴런이 시각적 자극 없이도 발생하는 시각적 인상인 실제 환각을 유발할 수 있다는 것이 밝혀졌다.
신 교수팀이 생쥐의 IC 인코더 세포를 인위적으로 자극했을 때 이러한 사실이 입증되었다. 자극된 IC 인코더는 1차 시각 중추의 다른 뉴런에서 반응을 유발했다. 이러한 활동 패턴은 일반적으로 착시 현상을 관찰했을 때 생쥐 뇌에서 일어나는 현상과 일치했다. IC 인코더 뉴런은 착시 현상에만 반응하는 것이 아니라, 주변 뉴런들도 착시에 굴복하게 만든다.
명령은 위에서 온다.
하지만 그게 전부가 아니다. 신 교수팀이 발견했듯이, IC 인코더 뉴런은 일반적인 자극 처리 방향과는 반대로 "위에서" 제어된다. 이러한 특수 뇌세포는 상위 뇌 중추에서 보내는 신호에 반응하기 때문이다. 신 박사는 "이 세포들은 상위 뇌 중추에서 하향식 입력을 받는다"며 "착시는 먼저 상위 처리 중추에서 발생한 후 일차 시각 피질로 다시 전달된다"고 설명했다.
과학자들은 이를 상사의 지시를 받아 동료에게 전달하는 직원에 비유한다. 우리의 뇌는 카니자 삼각형의 흰색 영역을 삼각형으로 해석하여 시각 중추 하위 단계에 있는 IC 인코더 세포로 전달한다. 이 세포들은 들어오는 시각 자극을 그에 따라 처리한다.
우리 지각의 근본적인 메커니즘
이러한 결과는 착시와 환각이 하향식으로 작용한다는 일반적인 이론을 뒷받침한다. 우리의 이전 경험과 기대는 우리가 환경을 인식하는 방식을 형성하며, 실제 시각적 인상에 근본적인 영향을 미치고 변화시킬 수 있다. 이는 외견상의 윤곽이나 다른 착시 현상에만 적용되는 것이 아니다.
신 교수와 그의 동료들은 "환상적 윤곽 착시의 메커니즘은 일반적으로 외부 세계에 대한 우리의 능동적 지각에도 작용한다고 추정한다"고 기술했다. "우리의 감각 체계는 끊임없이 불완전하거나 모호한 정보에 직면하기 때문이다. 이러한 상황에서 성공적인 지각은 해석에 달려 있다."
참고: Nature Neuroscience, 2025; doi: 10.1038/s41593-025-02055-5
출처: Allen Institute
- 특수 뇌 세포와 피드백이 착시를 유발하는 방식
- 광유전학 기술을 사용하여 생쥐의 뇌세포를 조작하여 활발하게 활성화될 때 빛을 내게 해
- 새롭게 발견된 IC 인코더 뉴런이 시각적 자극 없이도 발생하는 시각적 인상인 실제 환각을 유발할 수 있다는 것이 밝혀졌다.
착시의 원인 밝혀져
특수 뇌 세포와 피드백이 착시를 유발하는 방식
순수 착시:
이 착시에서 우리는 실제로 존재하지 않는 모양, 즉 검은색 삼각형과 사각형을 봅니다. 왜 그럴까? 한 연구에 따르면 우리 뇌의 특수 세포 집단이 그 원인인 것으로 보인다. 이 IC 인코더 뉴런은 우리의 주 시각 중추가 잘못된 자극을 생성하도록 한다. 그 명령은 우리 지각의 상위 중추, 즉 상위에서 온다. 따라서 착시에서는 정상적인 자극 처리 순서가 반대로 작동한다.
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| ▲ 윤곽선: 이 이미지에서 우리는 흰색 "팩맨" 사이에 있는 검은색 삼각형과 검은색 사각형을 인식한다. 우리의 뇌는 자동으로 누락된 경계를 채운다. © Mabit1/ CC-by-sa 4.0 |
우리의 시각은 카메라가 아니다. 현실의 실제 이미지를 보여주지 않는다. 대신, 감각 자극, 필터, 그리고 후속 처리 단계의 복잡한 상호작용이 우리가 보는 것을 결정한다. 이를 통해 우리는 반쯤 가려진 물체를 인식하거나 시야의 빈틈을 메운다. 동시에 우리의 뇌는 착시와 환각을 만들어낸다. 즉, 우리는 존재하지 않는 것을 보는 것이다.
착시의 전형적인 예로는 카니자 삼각형과 같은 겉보기 윤곽선이 있다. 검은색 배경에 팩맨처럼 생긴 흰색 도형 세 개만 그려져 있는데, 우리는 그사이에 검은색 삼각형이 있는 것을 본다. 우리의 뇌는 이러한 기하학적 도형을 자동적으로 완성한다. 왜 그럴까요?
특수 뉴런, "범죄자"
캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스의 신혜영(Hyeyoung Shin) 교수 연구팀은 이 질문에 대한 답을 찾았다. 연구팀은 착시 현상 동안 생쥐의 뇌에서 일어나는 과정을 실시간으로 관찰했다. 이를 위해 연구진은 광유전학 기술을 사용하여 생쥐의 뇌세포를 조작하여 활발하게 활성화될 때 빛을 내도록 했다. 그런 다음 생쥐에게 겉보기 윤곽선이 있거나 없는 이미지를 보여주었다. 이러한 착시는 설치류에서도 동일하게 작동한다.
실험 결과 생쥐가 착시 현상을 볼 때마다 시각 피질에 있는 특수 뇌세포 그룹이 활성화되는 것으로 나타났다. "IC 인코더"라고 불리는 이 뉴런들은 생쥐가 실제 윤곽선을 볼 때는 비활성화 상태를 유지했다. 신 교수와 동료들은 "이는 IC 인코더가 겉보기 윤곽선의 착시를 만들어낸다는 것을 시사한다"고 설명했다. 일차 시각 중추에 있는 이러한 뇌세포들은 우리 뇌가 인지된 패턴을 자동으로 완성하도록 하여, 눈에 보이는 윤곽선을 만들어낸다.
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| ▲ '검은색 배경의 흰색 원' 블록과 '흰색 배경의 검은색 원' 블록으로 정의된 V1 레이어 2/3 IC 인코더를 비교한 것이다. a, 환상 막대는 흰색 원 블록에서 어두운 막대로 인식되고(5마리의 마우스에서 n=11개 세션), 검은색 원 블록에서 밝은 막대로 인식된다(6마리의 마우스에서 n=9개 세션). b, IC 인코더의 방향 조정은 전체 화면에 걸쳐 있는 단일 선을 사용하여 측정되었다. 흰색 원 블록에서 식별된 IC 인코더에는 어두운 막대를 사용하고 검은색 원 블록에는 밝은 막대를 사용했다. 흰색 원 블록과 검은색 원 블록 모두에서 IC 인코더는 선택적으로 사용되는 환상 막대의 방향에 맞춰 조정된다(뉴런 전체의 평균 ± 표준 오차; 흰색 원 블록 n = 93 IC1 인코더 및 n = 159 IC2 인코더, 검은색 원 블록 n = 409 IC1 인코더 및 n = 482 IC2 인코더; 환상 막대의 방향과 직교 방향에 대한 Wilcoxon 부호 순위 검정, 흰색 원 블록에서 p = 0.0017, 검은색 원 블록에서 p = 2.6 × 10−8). (출처: Published: 15 September 2025 / Recurrent pattern completion drives the neocortical representation of sensory inference / nature neuroscience) |
환각의 근원이기도 하다.
"1차 시각 중추의 이러한 패턴 완성은 특정 기대에 부합하는 시각 신호만 선택적으로 증폭되고 전달되도록 하는 것으로 보인다"고 연구진은 설명했다. 또 다른 실험에서는 새롭게 발견된 IC 인코더 뉴런이 시각적 자극 없이도 발생하는 시각적 인상인 실제 환각을 유발할 수 있다는 것이 밝혀졌다.
신 교수팀이 생쥐의 IC 인코더 세포를 인위적으로 자극했을 때 이러한 사실이 입증되었다. 자극된 IC 인코더는 1차 시각 중추의 다른 뉴런에서 반응을 유발했다. 이러한 활동 패턴은 일반적으로 착시 현상을 관찰했을 때 생쥐 뇌에서 일어나는 현상과 일치했다. IC 인코더 뉴런은 착시 현상에만 반응하는 것이 아니라, 주변 뉴런들도 착시에 굴복하게 만든다.
명령은 위에서 온다.
하지만 그게 전부가 아니다. 신 교수팀이 발견했듯이, IC 인코더 뉴런은 일반적인 자극 처리 방향과는 반대로 "위에서" 제어된다. 이러한 특수 뇌세포는 상위 뇌 중추에서 보내는 신호에 반응하기 때문이다. 신 박사는 "이 세포들은 상위 뇌 중추에서 하향식 입력을 받는다"며 "착시는 먼저 상위 처리 중추에서 발생한 후 일차 시각 피질로 다시 전달된다"고 설명했다.
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| ▲ 실험에서 쥐들은 다음과 같은 이미지를 보았다. 위쪽에는 중앙의 검은색 막대가 윤곽선처럼 보이고, 아래쪽에는 흰색 선으로 둘러싸여 있어 실제 막대처럼 보인다. © Shin et al./ Nature Jeuroscience, CC-by 4.0 |
과학자들은 이를 상사의 지시를 받아 동료에게 전달하는 직원에 비유한다. 우리의 뇌는 카니자 삼각형의 흰색 영역을 삼각형으로 해석하여 시각 중추 하위 단계에 있는 IC 인코더 세포로 전달한다. 이 세포들은 들어오는 시각 자극을 그에 따라 처리한다.
우리 지각의 근본적인 메커니즘
이러한 결과는 착시와 환각이 하향식으로 작용한다는 일반적인 이론을 뒷받침한다. 우리의 이전 경험과 기대는 우리가 환경을 인식하는 방식을 형성하며, 실제 시각적 인상에 근본적인 영향을 미치고 변화시킬 수 있다. 이는 외견상의 윤곽이나 다른 착시 현상에만 적용되는 것이 아니다.
신 교수와 그의 동료들은 "환상적 윤곽 착시의 메커니즘은 일반적으로 외부 세계에 대한 우리의 능동적 지각에도 작용한다고 추정한다"고 기술했다. "우리의 감각 체계는 끊임없이 불완전하거나 모호한 정보에 직면하기 때문이다. 이러한 상황에서 성공적인 지각은 해석에 달려 있다."
참고: Nature Neuroscience, 2025; doi: 10.1038/s41593-025-02055-5
출처: Allen Institute
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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