사회적 의사소통에 관여하는 뇌신경망 연구 : 얼굴지각에 특화된 단일 신경세포 활동을 기반으로 한 뇌전체의 기능적 신경망 규명 = Brain 3㎝ network for social communication : defining fMRI networks based on the natural responses of single face-selective neurons R&D Report

국문 초록 (Abstract)

연구의 목적 및 내용 : 다른 사람의 얼굴을 지각하고 신원을 파악하며, 미세한 표정변화를 통해 의도와 감정을 읽어내는 일은 사회적 의사소통 및 상호작용에 매우 중요한 과정임. 이러한 얼굴의 지각 및 관련 사회적 정보처리, 의사소통은 우리의 일상생활에서 자동적으로 일어나지만, 이에 대한 신경생리학적 기저는 아직 정확히 규명되어 있지 않으며, 하나의 뇌 영역에서 담당하기보다는 뇌 전체의 여러 영역으로 이루어진 기능적 신경망이 관여하는 것으로 알려져 있음 (Akil et al., 2010; Adolphs, 2009). 이러한 얼굴 지각 및 사회적 의사소통에 관여된 신경망의 오작동은 또한 여러 정신질환 환자군에서 관찰되는 사회적 의사소통의 결여와도 관련이 있는 것으로 추측됨 (Kennedy and Adolphs, 2012). 본 연구과제는 사회적 의사소통과 관련하여 얼굴지각에 관여하는 뇌 전체의 기능적 신경망을 원숭이 뇌에서 규명하고자 함. 특히, 이전 연구들에서 알려지지 않은, 역동적으로 변화하는 얼굴 자극 및 사회적 상호작용 상황에서 이러한 신경망을 규명하는 것이 목표임.
연구개발성과
1. 원숭이가 동영상 자극을 보는 동안 측정된 단일 신경세포의 시간에 걸친 신경신호 변화 시계열 데이터와, 동일한 시각 자극을 경험할 때 뇌 전체에 걸쳐 측정된 기능성 자기공명영상 신호를 결합하여, 뇌 전체에서 측정된 기능성 자기공명영상 신호가 단일 신경세포와 공변하는 정도를 뇌 전체에 걸쳐 영역별로 계산, 어떤 영역이 국지적 단일 신경세포와 상관이 있는지를 밝혔음.
2. 전방기저 얼굴 특화 영역에서 측정된 48개의 얼굴 특화 신경세포들 각각의 반응패턴과 공변하는 뇌 전체의 기능적 신경망을 계산해 본 결과, 약 수백 마이크로미터 이내에 모여 있는 국지적인 표본임에도 불구하고 세포마다 매우 다른 신경망을 발견하였음. 어떤 세포의 기능적 신경망은 상측두고랑의 다른 국지적인 얼굴 영역들과 정적 상관관계로 이루어져 있었고, 또 다른 세포의 신경망은 초기 시각 피질과 부적 상관관계로 이루어져 있는 등 신경망의 이질성은 상당하였음.
3. 위에서 구한 뇌전체의 신경망은 세포마다 이질적이었으나, 주어진 48개의 세포 내에서는 대략 손에 꼽을 정도의 패턴이 존재한다고 판단, 이 국지적인 신경세포들이 신경망을 고려하면 과연 몇 종류의 하위 그룹으로 분류될 수 있는지 살펴보았음. 고차원 클러스터링 (high-dimensional clustering) 분석 결과, 세포들은 5개의 하위그룹으로 분류가 가능하였음.
4. 나아가 이렇게 분류된 각 하위그룹의 신경세포들은 실제로 시각 자극의 서로 다른 특성에 반응하며, 국지적인 표본 전체에서 얻어진 다른 신호들과도 서로 다른 관계를 보이는 등 신경망을 기반으로 한 분류가 신경세포들에 대해 추가적인 정보를 제공해줌을 확인하였음.
5. 위의 결과를 impact factor 13.9의 SCI 저널에 투고하여, 현재 revision 중에 있음.
연구개발성과의 활용계획 (기대효과) : 본 연구과제에서 제안하는 방법은 기존의 여러 기능성 자기공명영상 연구들이 실험 디자인을 통해 정의했던 특정 인지과제 혹은 자극과 상관된 신경망들과는 달리, 같은 시각 자극에 대해 동시에 측정된 서로 다른 두 신경신호를 비교함으로써, 가설과 무관하게 뇌 내의 연결에 직접적으로 관련된 신경망의 규명을 가능케 함. 이는 단일 신경세포의 활동과 기능성 자기공명영상 신호와의 직접적 연결성을 밝히는 데에도 기여할 것이며, 나아가 지금까지 기능성 자기공명영상 연구들이 밝혔던 여러 신경망 연구결과의 세부 신경학적 기제에 대해 새로운 해석을 낳을 것임. 또한, 원숭이가 자유롭게 안구를 움직이며 동영상 자극을 탐험하는 동안의 기능적 신경연결을 알아보는 것은 이전의 연구들이 하지 못했던 새로운 시도이며, 본 연구에서 규명된 신경망은 실제 우리의 시각 경험 및 사회적 상호작용과 관련된 신경 기전으로 확장하기 용이할 것임. 마지막으로, 본 연구를 통해 얻어지는 얼굴 지각과 관련된 신경 회로 지도는 정상 뇌에서 이루어지는 사회적인 의사소통의 역동적인 측면에 대한 지식기반을 넓힐 뿐 아니라, 이러한 신경 회로의 이상과 밀접한 관련이 있다고 보이는 자폐증, 정신분열증등의 여러 정신질환 환자군의 사회적 의사소통 결여의 원인을 이해하고 치료법을 개발하는데 공헌하리라 기대함.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Purpose&Contents : The objective of the current research is to investigate how face-responsive single neurons in the primate brain respond under natural viewing conditions, and how the responses of a population of neurons within a single area are coordinated with one another and with networks across the entire brain. We are in a unique position to address these questions by combining single cell recordings and functional magnetic resonance imaging (fMRI) responses in awake, behaving macaques. Our aim is to understand the principles by which individual face-selective neurons interact with cortical and subcortical brain areas under natural viewing conditions, while the subjects are freely viewing extended video clips containing social content. Specifically, this research aims to study how the local activity of individual face-selective neurons in the face patches relates to, and perhaps draws upon, patterns of visual responses elsewhere in the brain.
Results : The present study investigated the basis of this local response diversity in the anterior fundus (AF) face patch under natural viewing conditions. We hypothesized that individual neurons may serve unique roles in integrating local processing in AF with specialized networks throughout the brain. Our approach was to employ fMRI, and specifically the hemodynamic response time courses of voxels across the whole brain as a means to map, or read out, single-unit activity profiles, and thereby identify functional subpopulations with the local microcircuit. We approached this by presenting a common stimulus, a fixed set of naturalistic videos, to monkeys that were tested either during fMRI scanning or during monitoring of single units in the AF face patch. By creating brain-wide fMRI correlation maps for each neuron, we were able to classify neurons based not directly on their relationship to the stimulus content, but rather on their activity affiliation with other cortical and subcortical areas. Based on this mapping approach, we found that AF neurons fell naturally into several, distinct functional cell groups that differed in their correlation with face patches, motion-sensitive areas, and other visually-driven cortical and subcortical structures.
Expected Contribution : These results employ the readout of large-scale fMRI networks to present a new view of functional diversity within a local neural population. The intermodal correlation approach introduced here, which does not depend on simultaneous measurement of neural and fMRI signals and can be conducted in different subjects, offers a powerful new means to analyze the functional diversity of a local circuit based on the responses throughout the entire brain.