뇌의 구조를 설명한 그림에는 일반적으로 시각, 청각, 촉각 등을 담당하는 부위가 각각 배정되어 있다. 뇌 속 시각피질(visual cortex)에 문제가 생기면 앞을 볼 수가 없고, 청각 담당부위를 다치면 뇌가 소리정보를 처리할 수 없다는 식이다.
뇌의 각 부위가 특정 감각만을 담당한다는 기존의 학설이 폐기되고 전체 뇌가 분업과 협업을 통해 업무를 배분한다는 새로운 학설이 인정될 가능성이 높다.
이번 성과는 학술지 ‘대뇌피질(Cerebral Cortex)’ 최근호에 ‘시각적 경험 없이도 시각경로의 대단위 구조가 생겨난다(The large-Scale Organization of Visual Streams Emerges Without Visual Experience)’는 제목의 논문으로 게재되었다.


감각대체장치가 시각을 청각으로 전환해 전달

이스라엘 히브리대학교 내 이스라엘-캐나다 공동 의학연구소(IMRIC)에는 시각장애인들이 선글라스와 헤드폰을 끼고 실험실 내부를 돌아다니며 주변의 물체를 만지는 훈련이 진행되고 있다.
겉보기에는 그저 헤드폰을 쓰고 선글라스를 착용한 보통 사람이지만, 이들이 착용한 것은 감각대체장치(SSD)다. 하나의 감각정보를 다른 감각정보로 전환시키는 역할을 한다.
원리는 이렇다. 선글라스 앞면에 부착된 소형 영상카메라가 물체나 풍경을 촬영하면 영상이미지가 미니 컴퓨터 또는 스마트폰으로 전달된다. 특수 알고리즘을 탑재한 프로그램이 시각정보를 청각정보로 바꾼다. 시각장애인은 헤드폰을 통해 이른바 ‘소리풍경(soundscape)’을 듣고 주변 상황을 인식한다.
모두 소리만 듣고도 해낸 일들이다. 외과수술을 할 필요도 없이 그저 헤드폰과 선글라스만 착용하면 된다.


뇌의 분업원리 밝혀내 기존 학설 뒤집어

연구진이 개발한 감각대체장치는 학술적인 면에서도 큰 반향을 불러일으켰다. 뇌 속 시각피질에 시각이 아닌 청각정보를 전달해 ‘앞을 보는’ 효과를 만들어냈기 때문이다. 시각피질이 활성화된 적이 없는 선천적 시각장애인들도 청각으로 시각을 대체해 일상생활을 할 수 있다.
연구의 비밀은 ‘시각경로의 분업 원리’를 밝혀낸 데 있다. 지난 30년 동안 뇌과학이 밝힌 바에 따르면, 눈에서 받아들인 시각정보가 뇌에 도착하면 2개의 경로로 나뉘어 시각피질까지 평행하게 전달된다.
하나는 ‘배쪽 경로(ventral stream)’라 불린다. 뇌는 크게 안쪽의 배와 바깥쪽의 등으로 나뉘는데, 배쪽 경로는 안쪽의 후두측두(occipito-temporal)를 통과한다. 물체의 형태와 색깔 등 6하원칙 중 ‘무엇(what)’에 관한 시각정보를 담당한다.
다른 하나는 ‘등쪽 경로(dorsal stream)’다. 뇌 바깥쪽의 후두두정(occipito-parietal)을 통과한다. 물체의 위치 등 공간정보를 분석해 움직임을 계산하는 등 6하원칙 중 ‘언제(when)’와 ‘어떻게(how)’를 담당한다.
아메디 박사 연구진은 감각대체장치와 기능성자기공명영상(fMRI)를 이용해 시각경로의 원리를 밝혀냈다. 시각장애인이 시각정보를 담은 소리를 들으면 일반인과 유사한 방식으로 시각경로가 활성화된다.
장치를 부착한 시각장애인에게 물체의 형태나 위치를 설명해보라고 요구하면 ‘무엇’을 담당하는 배쪽 경로와 ‘어떻게’를 담당하는 등쪽 경로가 분업을 시작한다. 태어나서 한 번도 앞을 보지 못해 시각경험이 전혀 없는 시각장애인들도 시각정보를 2개로 나누어 처리하는 것이다.
기존 학설처럼 뇌의 각 구역이 특정 감각만을 담당하는 것이 아니라, 처리해야 할 과업에 따라서 뇌 전체의 각 부위가 서로 돕는다는 의미다. 아메디 박사는 논문에서 “하나의 기계처럼 보이는 뇌는 감각이 아닌 과업에 따라 분업을 진행한다”고 설명했다.
앞으로 의술이 더욱 발달하면 선천적 시각장애인도 수술을 통해 뇌와 안구에 특수장치를 부탁해서 시각피질을 자극하고 시력을 회복할 가능성이 높아졌다.


시각장애인 돕는 다양한 기술 개발 중

전 세계 인구 중 시각장애에 시달리는 사람은 2억 명에 달한다. 그중에서 법적으로 시각장애인 판정을 받은 사람도 4천만 명이나 된다.
아메디 박사 연구진은 시각장애인을 돕는 다양한 장치를 개발해 이들에게 희망을 주고 있다. 지난해 7월에는 시각장애인의 지팡이에 집속광선(focused beam) 기능을 탑재해 주변 물체의 위치와 방향을 가르쳐주는 진동장치를 개발하기도 했다. 박쥐가 초음파를 발사하고 다시 받아들이며 동굴 내부를 자유롭게 날아다니는 원리와 비슷하다.
참고로 히브리대는 이스라엘 내 연구개발 건수 중 40퍼센트를 담당할 정도로 신기술 발명이 활성화된 곳이다.