이 글은 신경학자 에드바르 모세르(Edvard Moser) 팀의 「Place Cells, Grid Cells, and the Brain’s Spatial Representation System」을 바탕으로, ‘뇌의 공간인식’을 쉽게 이해할 수 있도록 풀어 쓴 글이다. 에드바르 모세르는 노르웨이의 신경과학자로 2014년 자신의 아내인 마이브리트 모세르(May-Britt Moser), 장소세포를 발견한 존 오키프(John O'Keefe)와 함께 노벨 생리학.의학상을 공동 수상했다 .
뇌 안의 ‘나침반’: 장소 세포와 격자 세포
우리가 산책을 하거나 집 앞 카페에 갈 때, 혹은 차를 운전할 때 “아, 여기가 어디쯤이지” 하고 자연스럽게 위치를 인지하게 된다. 익숙한 장소라면 별다른 노력을 들이지 않아도 현재 위치와 방향을 대략적으로 파악할 수 있다. 뇌는 어떻게 이러한 위치 정보를 측정하는 걸까? 과학자들은 이 신비를 해마(hippocampus)라는 뇌 부위에서 활동하는 특별한 신경 세포들— 장소 세포(place cells)와 격자 세포(grid cells)—를 통해 설명하고 있다. 이 세포들은 뇌 속에 보이지 않는 지도를 형성하고, 우리가 주변 환경을 인식하고 기억하는 데 핵심적인 역할을 한다. 우리가 공간을 기억하고 길을 찾을 수 있는 능력은, 뇌 안의 이 정교한 내비게이션 시스템 덕분이다.
장소 세포: 특정 장소를 담당
어떻게 발견되었을까?
장소 세포(place cell)는 1971년, 존 오키프(John O'Keefe)와 조너선 도스트로브스키(Jonathan Dostrovsky)가 쥐의 해마(hippocampus)를 연구하던 중 처음 발견했다. 이들은 해마에 손상을 입힌 쥐가 공간 관련 과제를 수행하는 데 어려움을 겪는 것을 관찰하고, 해마가 환경의 공간 정보를 담당하는 부위일 수 있다는 가설을 세웠다. 이를 확인하기 위해 전극 이식 기술을 활용해 해마의 신경세포 활동을 측정했고 그 결과 쥐가 특정 위치에서 특정 방향을 바라볼 때만 활성화되는 세포를 발견했다. 이 세포들이 바로 ‘장소 세포’다.
장소 세포가 하는 일
장소 세포는 주변의 랜드마크(landmark) 같은 외부 단서뿐 아니라, 스스로 이동하면서 얻는 내부 단서—즉, ‘경로 통합(path integration)’을 통해 뇌가 현재 위치를 계산하도록 돕는다. 예를 들어, 쥐가 방 한가운데에 있을 때는 A라는 장소 세포가 활발히 발화하고, 문 근처에 있을 때는 B라는 장소 세포가 반응한다. 각 장소 세포는 특정 공간을 담당하며, 시각, 후각, 전정 기관 등 다양한 감각 자극에 따라 발화 패턴이 조절된다. 만약 환경이 바뀌면, 장소 세포는 ‘재인식(remapping)’이라는 과정을 통해 기존의 발화 패턴을 수정하고 새로운 공간에 빠르게 적응한다. 이 과정은 일부 장소 세포에서만 일어나기도 하고, 모든 세포에서 동시에 일어나기도 한다.
또한 장소 세포는 단순히 현재 위치를 파악하는 데 그치지 않고, 과거에 경험한 공간 정보를 저장하고 재활성화(replay)함으로써 ‘일화기억(episodic memory)’ 형성에도 깊이 관여한다. 즉, 장소 세포는 우리가 공간을 인식하고 기억하며, 경험을 정리해 저장하는 데 핵심적인 역할을 한다.
경로 통합(path integration): 이동 중 위치를 계산하는 과정
재인식(remapping): 새로운 환경에 맞춰 발화 패턴을 조정하는 과정
일화기억(episodic memory): 특정 시간과 장소에서 일어난 개인적인 경험에 대한 기억
왜 중요할까?
장소 세포는 뇌 속에 형성는 ‘인지 지도(cognitive map)’의 핵심 구성 요소다. 이 인지 지도는 마치 스마트폰의 내비게이션처럼, 우리가 주변 환경에서 자신의 위치를 파악하고 이동 경로를 계획할 수 있도록 돕는다. 예를 들어, 낯선 도시에 있을 때 시계탑이나 높은 건물 같은 주요 랜드마크를 활용해 길을 찾듯이, 장소 세포는 시각적 단서와 내부 신호를 통합해 우리가 현재 어디에 있는지 파악하도록 지원한다.
더 놀라운 점은, 감각 정보가 일시적으로 끊기거나 왜곡될 때도 장소 세포는 내부 신호(예: 경로 통합)를 기반으로 공간 인식을 유지한다. 예를 들어, 갑작스러운 정전으로 방 안이 완전히 어두워졌다고 상상해보자. 외부 감각 단서가 사라졌더라도, 우리는 방의 크기와 구조에 대한 기억과 자신의 움직임에 대한 내부 감각을 활용해 현재 위치를 대략적으로 파악할 수 있다.
이처럼 장소 세포는 단순한 감각 반응을 넘어, 공간 기억과 예측, 행동 조절에 이르기까지 광범위한 인지 기능에 관여한다는 사실을 보여준다. 즉, 장소 세포는 우리가 공간 속에서 안전하게 움직이고, 목적지에 도달하며, 일상적인 환경에 적응할 수 있게 해주는 핵심적인 뇌 메커니즘인 것이다.
격자 세포: 매트릭스같은 현실 인식
어떻게 발견되었을까?
격자 세포(grid cell)는 2005년, 에드바르 모세르(Edvard Moser)와 마이브리트 모세르(May-Britt Moser) 부부, 그리고 그들의 연구팀에 의해 발견된 신경세포다. 이들은 해마와 연결된 내측 내후각 피질(MEC, medial entorhinal cortex)을 조사하는 과정에서, 공간을 삼각형 격자 형태로 부호화하는 독특한 세포를 발견했다.
특히 격자 세포의 인상적인 부분은 외부 자극이나 단서 없는 어두운 환경에서도 안정적인 격자 구조를 형성한다는 점이다. 이러한 결과는, 공간에 대한 이해가 경험에 의해 형성된 것이 아니라 뇌 속에 선천적으로 내재되어 있다는 ‘칸트의 선험적 인식론’과도 연결된다. 즉, 유클리드 공간과 같은 구조는 우리가 배우기 전에 이미 뇌의 구조 속에 포함되어 있다는 철학적 시사점도 담고 있는 것이다.
격자 세포가 하는 일
격자 세포는 동물이 어떤 공간을 자유롭게 움직일 때, 바둑판처럼 일정한 간격으로 공간을 나누어 특정 위치에서 활성화 된다. 쥐의 내측 내후각 피질(MEC)에 전극을 삽입해 실험한 결과, 쥐가 움직일 때 삼각형 꼭짓점 형태의 활동 클러스터가 나타났는데, 매우 정확하고 반복적인 패턴으로 유지되었다.
이처럼 격자 세포는 공간의 구조를 내부적으로 암호화하는 신경 메커니즘을 제공한다. 외부 자극이 없어도 작동하며, 시각 신호가 존재할 경우 더 정교한 격자 조정이 가능하다. 새로운 환경에 들어갔을 때도 격자 구조는 쉽게 붕괴되지 않고 안정적으로 유지되며, 뇌가 스스로 환경의 공간 규칙성을 생성한다는 점을 보여준다.
또한, 격자 세포는 모두 동일하게 작동하지 않는다.깊은 층에 위치한 격자 세포는 방향성을 띠거나, 다른 격자 세포들과 상호작용하여 더 복잡한 공간 정보를 처리하기도 한다.
장소 세포와 다른 점
장소 세포(place cell)가 하나의 특정 위치를 ‘대표’하는 세포라면, 격자 세포(grid cell)는 공간 전체를 일정한 패턴의 점들로 나누어 표현한다. 해마에 있는 장소 세포는 “여기가 어디다”를 알려주는 역할을 하지만, 격자 세포는 “이 공간이 어떤 구조를 가지고 있는가”를 전반적으로 지도화한다. 또한, 격자 세포는 내측 내후각 피질(MEC)의 위치에 따라 격자의 간격이나 크기가 달라진다.
- 배측 쪽에 위치한 세포는 조밀한 격자,
- 복측 쪽에 위치한 세포는 더 넓은 간격의 격자를 만든다.
이 차이는 우리가 넓은 공간에서는 큰 격자로, 좁은 공간에서는 작고 정밀한 격자로 공간을 인식할 수 있도록 해준다. 결국 격자 세포는 공간 전체의 기하학적 구조를 조직하고, 방향과 거리 감각을 계산하는 데 필수적인 뇌 회로로 작동한다.
머리 방향 세포와의 협업
우리 뇌에는 머리 방향 세포(head direction cell)라는 특별한 신경 세포가 존재합니다. 이 세포는 동물이 특정 방향으로 머리를 돌릴 때만 활성화되며, 동물의 머리가 가리키는 방향에 따라 발화 패턴이 변한다. 머리 방향 세포는 해마와 연결된 여러 뇌 영역—예를 들어 후측 피질(postsubiculum), 내후각 피질(entorhinal cortex), 시상(thalamus) 등에서 발견된다.
이 세포들은 머리가 특정 방향을 향할 때 강한 반응을 보이고, 그 방향에서 멀어질수록 반응이 점차 약해지는 특징을 갖는다.
머리 방향 세포의 주요 특징 중 하나는,주변 환경이 바뀌어도 선호 방향을 일정 수준 유지한다는 점 이다. 동물이 새로운 장소로 이동하더라도, 이 세포는 기존 환경에서 설정된 방향 정보를 보존 하려는 성향을 보인다. 그러나 새로운 시각적 단서가 제공되면, 머리 방향 세포는 이를 기반으로 방향 신호를 다시 조정한다. 이러한 조정 과정은 뇌가 내부 신호(전정 기관, 운동 등)와 외부 단서(시각 등)를 결합해, 유연하게 환경에 적응할 수 있도록 돕는다.
머리 방향 세포는 **장소 세포(place cell)**와 **격자 세포(grid cell)**와도 긴밀하게 협력한다.
- 장소 세포는 현재 위치 정보를
- 격자 세포는 공간의 구조와 거리 정보를
- 머리 방향 세포는 이동 방향에 대한 정보를 제공함으로써,
세 가지 세포가 함께 작동하여 뇌 속의 GPS 시스템을 완성하는 것이다.
예를 들어, 불빛이 거의 없는 야간에 이동하더라도, 머리 방향 세포의 신호 덕분에 우리는 자신의 방향을 정확히 유지할 수 있다. 또한 이 세포는 단순히 현재 방향을 나타내는 것에 그치지 않고, 미래에 어느 방향으로 머리를 돌릴지 예측하는 ‘예측 활동’을 보이기도 한다. 이는 공간 탐색과 이동 계획 수립에 중요한 역할을 한다. 결국 머리 방향 세포는 지속적이고 안정적인 방향 정보를 제공함으로써, 공간 인지 시스템의 정밀성과 유연성을 높이는 핵심 구성 요소라 할 수 있다.
장소 세포와 격자 세포의 협업
상호 보완과 양방향 소통
장소 세포는 “특정 지점”을, 격자 세포는 “공간의 전체 구조”를 담당한다. 이 두 세포는 각각 해마(hippocampus)와 내측 내후각 피질(MEC)에 위치하며, 서로 정보를 주고받으며 상호작용 한다. 격자 세포는 일정한 간격의 공간 정보를 장소 세포에 전달함으로써, 장소 세포가 자신의 발화 위치를 조정할 수 있도록 지원하며, 반대로 장소 세포가 특정 장소의 경험이나 맥락 정보를 전달해 격자세포의 패턴을 조절한다.
이러한 양방향 소통은 우리 뇌가 복잡하고 변화무쌍한 환경에 유연하게 적응할 수 있게 한다. 인간과 동물이 공간을 탐색하고 기억하며 적절하게 행동할 수 있는 것이, 바로 이 협업 덕분이다.
내부 신호와 외부 단서의 균형
격자 세포는 경로 통합(path integration)을 통해 동물이 스스로 이동하며 축적한 정보를 바탕으로 자신의 위치를 계산할 수 있도록 한다. 그러나 이 내부 신호만으로는 오차가 점차 누적될 수 있기 때문에, 외부에서 제공되는 다양한 감각 단서가 중요하다.
예를 들어, 어두운 공간에서 격자 세포의 내부 신호에 의존해 어느 정도 위치를 유지할 수 있지만, 이후 밝은 빛, 특정 냄새, 소리 같은 외부 단서를 획득하면 오차를 수정하고 위치를 재조정한다. 이처럼 내부 계산(격자 세포)과 외부 단서(장소 세포) 간의 정밀한 균형과 협업 덕분에 우리는 어두운 방에서 벽에 부딪히지 않고 걷거나, 낯선 곳에서도 길을 찾을 수 있는 것이다.
재인식과 끌개 역학 그리고 가소성
재인식(remapping)과 끌개 역학(attractor dynamic)
동물이 완전히 새로운 환경에 놓여지면, 장소 세포와 격자 세포의 발화 패턴은 일시적인 혼란을 겪은 뒤 점차 안정된 새로운 패턴으로 자리 잡는다. 이 현상을 재인식(remapping)이라고 한다. 기존에 학습된 공간 정보가 더 이상 유효하지 않게 되면, 뇌는 신속하게 새로운 공간 구조에 적응하기 위해 장소 세포와 격자 세포의 반응 방식을 재구성한다.
이 과정의 배경에는 끌개 상태(attractor state)라는 신경 네트워크의 동역학이 존재한다. 끌개 상태란 뉴런들이 특정한 활성 패턴을 중심으로 안정적인 상태를 유지하려는 경향을 말한다. 이는 뇌가 외부 자극에 일관된 반응을 유지하게 하는 메커니즘으로, 수학적 모델과 신경과학 이론에서 핵심적인 개념으로 다뤄진다.
끌개 상태는 뉴런 간의 시냅스 연결과 그 강도의 변화에 따라 형성된다. 특정 자극에 반복적으로 노출되면 관련 뉴런들의 연결이 강화되며, 이로 인해 뇌는 특정 환경이나 경험에 대해 고유한 반응 패턴을 갖게 된다. 만약 동물이 새로운 공간에 놓이면, 기존의 끌개 상태는 일시적으로 붕괴하거나 수정되고, 새로운 공간 정보를 반영하는 새로운 끌개 상태로 전환된다. 이는 기억의 유연성과 방향 감각 유지를 가능하게 하는 핵심 기제다.
이러한 전환은 시냅스 가소성(synaptic plasticity), 즉 경험에 따라 시냅스의 연결 강도가 변화하는 뇌의 능력을 기반으로 한다. 장소 세포와 격자 세포는 서로 협력하여 시공간 정보를 재구성하고, 환경 변화에 빠르게 적응할 수 있도록 뇌 전체의 네트워크를 재조직한다. 결국, 재인식과 끌개 역학, 그리고 시냅스 가소성은 새로운 환경에서 방향을 잃지 않고 안정적인 공간 감각을 유지하도록 돕는 뇌의 정교한 메커니즘이라 할 수 있다.
끌개(attractor): 시간 변화에 따라서 초기 상태에 상관없이 최종 상태가 근접하게 되는 일련의 구역
시냅스 가소성(synaptic plasticity): 신경 세포가 새로운 시냅스 연결을 형성하거나 기존의 연결을 조절하는 능력
시냅스 가소성과 학습
이러한 끌개 역학과 시냅스 가소성 덕분에 뇌는 유연하면서도 놀라운 학습 능력을 발휘한다. 예컨대, 특정 미로에서만 길을 익힌 쥐가 전혀 다른 구조의 미로로 옮겨졌을 때도, 장소 세포와 격자 세포는 빠르게 재인식(remapping)을 통해 새로운 공간 정보를 구성한다. 이처럼 뇌는 환경 변화에 민감하게 반응하고, 기존의 패턴을 수정하거나 새로운 연결을 만들어내며 공간 기억을 빠르게 재구성한다.
인간도 마찬가지다. 낯선 도시의 거리, 처음 들어가는 복잡한 건물, 심지어 VR(가상현실) 속 공간에 이르기까지, 우리는 비교적 짧은 시간 안에 공간 구조를 익히고 방향 감각을 형성한다. 이는 뇌가 갖고 있는 시냅스 가소성과 공간 인지 시스템의 협업 덕분이다. 경험이 쌓일수록 이 신경 연결망은 강화되고, 공간에 대한 이해는 더 정교해진다.
공간 인식 연구의 가능성
장소 세포와 격자 세포는 ‘뇌가 어떻게 공간을 인식하고 활용하는가’에 대한 핵심적인 원리를 보여준다. 장소 세포는 개별 위치에 민감하게 반응하고, 격자 세포는 공간의 구조와 이동 경로를 전반적으로 구조화한다. 이 둘의 협업은 우리가 환경을 이해하고 변화에 적응하며, 길을 찾고 기억을 형성하는 모든 과정의 근간이 된다. 즉, 뇌 속에는 GPS와 유사한 정밀한 내비게이션 시스템이 존재하는 셈이다.
이 원리는 뇌과학의 경계를 넘어, 건축과 도시 설계, 사용자 경험 디자인, 그리고 가상현실 인터페이스 개발 등 다양한 분야에서 실질적인 응용 가능성을 지닌다. 예를 들어, 치매 환자를 위한 공간 디자인에서는 방과 복도의 색상을 달리하거나, 시각적으로 두드러지는 랜드마크를 배치함으로써 방향 감각을 보조할 수 있다. 사람들이 자주 이동하는 대형 병원이나 공공 건물에서는 이동 경로에 시각적 단서나 반복적인 패턴을 제공함으로써 길찾기를 용이하게 만들 수 있다.
앞으로 뇌 기반 공간 인지에 대한 연구가 더 깊어지고, 기술과 융합된다면, 인지 과학에 근거한 공간 설계는 더 이상 이론에 머무르지 않고 실질적인 문제 해결의 도구로 자리잡게 될 것이다.
글쓴이 | 이원호 (AaRC | 대표 건축가)
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