신호의 다양성을 낮추면 극심한 신경 정보 손실 발생

[기계신문] 인간은 외부 환경으로부터 오감을 통해 정보를 얻는다. 그 중 70~80% 달하는 정보를 시각을 통해 얻는 것으로 알려져 있다. 노인성 황반 변성 또는 망막 색소 변성 등 망막 변성 질환은 환자의 광수용체를 손상시켜 결국 실명에까지 이르게 하는 무서운 질병이지만 아직까지 치료방법이 없는 실정이다.

특히, 노인성 황반 변성은 인구의 노령화로 인해 그 환자 수가 급격히 증가하고 있으며, 그에 따른 시각 장애의 사회 비용도 급증할 것으로 예상된다. 따라서 초고령화 시대에 선제적으로 대응할 수 있는 맞춤형 의공학 기술로 전기자극으로 시각 정보를 재구성하는 인공 망막 장치가 큰 주목을 받고 있다.

그러나 인공 망막 장치로 복원된 시력은 아직 정상 수준에 크게 미치지 못하고 있다. 수많은 전문가들은 인공 망막 장치 성능 향상을 위해 신경과학적⋅구조적으로 매우 복잡한 구조를 갖는 망막이 외부 전기자극에 대해 어떻게 반응하는지 체계적⋅복합적인 이해가 필요하다.

우수 연구결과들이 계속 보고되고 있으나, 인공 망막 장치의 전기 자극에 의해 생성된 신경 신호가 얼마나 시각 정보를 전달하는지에 대한 연구는 제한적이었다.

그런데 최근 전기 자극으로 높은 신경 신호 다양성을 구현해야 고품질 인공 시각이 가능하다는 게 밝혀졌다. 한국과학기술연구원(KIST) 뇌과학연구소 임매순 박사 연구팀이 서로 다른 시신경 세포의 높은 신호 다양성이 고효율 시각 정보 전달을 위한 핵심 요소임을 확인했다.

▲ 망막 신경 신호 다양성과 뇌의 시각 피질 활성화 개념도. 단조로운 (다양성 낮은 균일한) 신경신호는 전달할 수 있는 정보가 제한적이기에 시각 피질의 활성화가 적은 반면, 다양한 신경 신호는 보다 많은 정보를 전달하여 시각 피질의 활성화를 증가시킨다.

KIST 연구팀은 토끼 망막 신경 세포에서 얻어진 신경 신호에 계산신경과학 및 정보이론을 적용하여 시각 정보 전달을 정량화하였다. 특히, 신경 신호의 여러 특징 중 다양성을 주목한 연구팀은 서로 다른 세포들 간의 정보 패턴의 다양성이 높을수록 정보량이 증가하는 것을 확인하였다.

이와 동시에 정보 전달 과정에서 오류를 방지하기 위해 다양성을 일정 수준 낮추고 어느 정도의 중복성을 허용한다는 사실도 확인하였다.

연구팀은 전기 자극 실험을 통해 정상 망막과 인공 망막 장치의 시각 정보 전달 방식을 비교한 결과, 놀랍게도 임상 시험에서 인공 망막 사용자들이 보다 쉽게 인지하는 반응에 관여한 세포들이 더 높은 신경 신호 다양성을 보여주었다.

반면에 임상 시험에서 잘 인지되지 않던 반응을 담당하는 세포들은 정상적인 빛 자극에서 보였던 세포 간 신호의 다양성이 사라지고, 전기 자극에 대해 매우 균일한 신경 신호를 생성하였다.

이러한 신경 신호 다양성 상실은 전달되는 시각 정보의 극심한 감소로 이어졌으며, 정보 부족으로 인해 인공 망막 장치 사용자의 뇌에서 해석하기 어려운 것으로 이해된다.

▲ 빛 자극(위)과 전기 자극(아래) 후 신경 신호 일관성 변화 및 정보 전달 분석결과

한편, 임매순 박사는 망막 변성이 진행된 생쥐들을 연구한 결과, 각 시신경 세포가 전달하는 신호의 일관성이 안정적인 시각 인지에 중요한 요소임을 밝힌 바 있다.

강준호 박사는 “신경 세포들을 단순히 자극하는 것만으로는 매우 복잡한 시각 정보를 성공적으로 구현하기 어렵다는 것을 의미한다”며 “서로 다른 세포들이 각기 다른 신경 신호를 만들면 고품질 인공 시각 구현이 가능할 것으로 보인다”고 언급했다.

임매순 박사는 “작년 연구 내용과 종합하면, 서로 다른 시신경 세포들이 다양한 신경 신호를 일관되게 전달해야 우리의 머릿속에서 생생한 시각 정보를 안정적으로 인지하게 되는 것으로 보인다”며 “이번 연구를 통해 인공 시각뿐 아니라 다양한 분야에서 뇌 기능을 제어하기 위해서는 단순히 신경 신호를 형성하는 것에 머무르지 않고 복잡한 신경 네트워크의 신호 다양성을 모사할 수 있도록 노력해야 한다는 것을 알게 됐다”고 밝혔다.

과학기술정보통신부 지원 아래 KIST 주요사업과 한국연구재단 신진연구자지원사업으로 수행된 이번 연구 결과는 ‘IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering’ 최신호에 게재되었다.

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