[쿠키과학] '뇌의 정교한 감각 조절 비밀'... IBS, 피질 층별 신호조절 입증

초고자장 7T fMRI로 미세 층 구조 분석
표면층 신호 증가·심층 신호 감소, '선택적 조절'
공연장 조명 조절하듯 뇌도 구역별로 정보 처리 최적화
인지조절·통증연구, AI 분야 확장 기대

승인 2026-04-22 14:32:05

주의에 따른 감각 피질의 층별 뇌활동 변화 패턴. 초고자장(7T) fMRI로 1차 체성감각피질을 분석한 결과, 자극에 집중할 때 표층 신호는 증가하고 심층은 감소하는 상반된 패턴이 나타났다. 중간층은 유의한 변화가 없었다. 이는 주의가 감각 신호를 일괄적으로 증폭하는 것이 아니라, 층별로 다르게 조절됨을 의미한다. IBS

뇌가 촉각에 집중할 때 감각 신호를 일괄적으로 증폭하지 않고, 대뇌피질의 각 층별로 다르게 조절하는 것으로 나타났다.

기초과학연구원(IBS) 김성기 뇌과학이미징연구단장팀은 사람 감각 피질에서 주의가 감각 신호를 피질의 층 구조를 따라 선택적으로 조절된다는 사실을 확인했다고 22일 밝혔다.

우리 뇌는 외부에서 들어오는 감각 자극과 특정 정보에 선택적으로 집중하는 인지 조절이 상호작용하며 지각을 형성한다.

그러나 이 과정이 대뇌피질의 층 구조에 따라 어떻게 달라지는지는 직접 측정하기 어려운 영역이었다.

연구팀은 이를 극복하기 위해 미세한 층 구조까지 구분할 수 있는 초고자장 7T(테슬라) 기능적 자기공명영상(fMRI)을 활용했다.

이는 일반 MRI보다 훨씬 강한 자기장을 이용해 뇌 신호를 정밀하게 측정하고 대뇌피질의 층 구조와 같은 미세한 차이까지 구분할 수 있다.

여기에 뇌 표면 정맥 등 큰 혈관 신호 영향을 줄여 실제 신경활동 위치를 더 정확하게 반영하는 스핀-에코(spin-echo) 방식을 적용, 층별 신경활동 측정의 정밀도를 높였다.

실험은 참가자의 손가락에 촉각 자극을 주고 손목에 방해 자극을 동시에 제시하는 방식으로 진행됐다.

1차 체성감각피질은 각 층의 신호 변화를 비교 분석해 촉각, 압력, 진동, 관절 위치감각 등 신체 감각정보를 가장 먼저 받아 처리하는 핵심 영역이다.

실험 결과 특정 자극에 주의를 기울일 경우 감각 피질의 표면층에서는 신호가 증가한 반면, 심층에서는 오히려 감소하는 상반된 패턴이 나타났다.

또 중간층에서는 유의한 변화가 관찰되지 않았고, 방해 자극이 존재하는 조건에서는 모든 층에서 신호가 전반적으로 감소하는 경향도 확인됐다.

이는 공연장에서 관객의 시선을 집중시키기 위해 조명 밝기를 구역마다 다르게 조절하는 것처럼, 뇌 역시 층마다 서로 다른 방식으로 감각 신호를 조절함을 의미한다.

이번 연구는 특정 촉각에 집중할 때 감각 피질의 표면층, 중간층, 심층에서 서로 다른 반응 패턴이 나타난다는 사실을 인간 뇌에서 직접 확인해 큰 의미를 갖는다.

이번 연구의 제1저자인 김동호 IBS 선임연구원은 “감각 입력과 인지 조절 신호를 층 수준에서 분리해 분석할 수 있었다는 점이 핵심 성과”라며 “인지 조절, 통증, 신경질환 연구뿐 아니라 인공지능 등 다양한 분야로 확장될 수 있을 것”이라고 설명했다.

김 단장은 “초고자장 fMRI와 스핀-에코 기법을 결합해 인간 뇌의 층별 신경활동을 정밀하게 측정할 수 있었다”며 “이 같은 접근은 향후 고해상도 뇌영상 연구뿐 아니라 다양한 인지 및 감각 기능 연구로 확장될 수 있는 기반이 될 것”이라고 설명했다.

한편, 이번 연구결과는 지난 13일 국제학술지 ‘Nature Communications’ 온라인에 게재됐다.
(논문명: Layer-specific attentional modulation in the human primary somatosensory cortex)