생쥐도 얼굴에 감정 표현한다

과학기술

생쥐도 얼굴에 감정 표현한다
뇌에 특정 느낌 반영하는 ‘감정 뉴런’ 존재

2020.04.03 09:34 김병희 객원기자

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생쥐도 얼굴에 다양한 감정 표현을 하는 것으로 밝혀졌다.

독일 막스플랑크 신경생물학자들은 생쥐들이 단맛이나 쓴맛을 맛보거나 혹은 불안해지면 인간과 마찬가지로 얼굴이 완전히 다르게 보인다는 사실을 알아냈다.

이는 생쥐의 감정을 측정할 수 있는 가능성을 연 성과로서, 신경생물학자들은 이제 뇌에서 감정이 어떻게 생성되고 처리되는지에 대한 기본 메커니즘을 조사할 수 있게 됐다.

이 연구는 과학 저널 ‘사이언스’(science) 3일 자에 발표됐다.

생쥐의 얼굴 표정은 감정을 드러내며, 이는 과학자들이 기저의 감정 뉴런 메커니즘을 연구할 수 있는 가능성을 제공한다. ⓒ MPI of Neurobiology / Kuhl

컴퓨터 기계 시각으로 얼굴 표정 파악

즐거움과 혐오감, 두려움 같은 감정을 반영하는 얼굴 표현은 모든 사람에게 동일하다. 예를 들면 무언가에 혐오감을 느끼면 눈이 좁아지고, 코 주름이 생기며, 윗입술이 비대칭으로 일그러진다.

신생아도 슬프거나 행복하거나 혐오감을 느끼면 얼굴에 분명한 표정을 나타내면서 반응한다. 우리는 또한 애완동물의 얼굴 표정에서 감정을 인지할 수 있다고 생각한다.

이와 대조적으로, 다른 동물의 얼굴은 우리에게 무표정하게 보일 수 있다. 그러나 막스플랑크 과학자들이 이번 연구에서 보여주듯이, 이는 잘못 알고 있는 것이다.

연구팀은 컴퓨터 기계 시각(machine vision)을 사용해 생쥐의 얼굴 표정에 나타난 다섯 가지 감정 상태를 안정적으로 연결지을 수 있었다.

즐거움과 혐오감, 메스꺼움, 고통과 두려움은 컴퓨터 알고리즘에서 분명하게 구분이 가능했고, 이런 감정들의 상대적 강도를 측정할 수 있었다.

얼굴 표정, 감정의 내적·개별적 성격 반영

이번 연구는 생쥐들의 얼굴 표정이 실제로 환경에 대한 반응이 아닌, 촉발자에 대한 감정적 가치를 반영한다는 것을 보여주었다.

연구를 이끈 나딘 고골라(Nadine Gogolla) 박사는 “목이 말라서 설탕 용액을 핥은 쥐는 만족한 상태의 생쥐보다 얼굴에 더 즐거운 표정을 나타냈다”고 말했다. 그런데 약간 짠 용액을 맛본 쥐는 ‘만족한’ 표정을 보인 반면, 아주 짠 용액을 맛본 쥐는 ‘혐오스러운’ 표정을 지었다는 것.

연구팀은 이 실험과 다른 실험들로부터, 얼굴 표정은 감각 자극과 분리돼 실제로 감정의 내적, 개별적 성격을 반영한다고 결론지었다.

이번 연구에서는 특정 느낌을 각각 반영하는 ‘감정 뉴런(emotion neurons)’이 존재함을 시시하고 있다. 사진은 생쥐 대뇌 피질의 피라미드형 뉴런의 모습(녹색 형광 표시). ⓒ Wikimedia / Nrets

그러나 감정은 단순히 외부 자극에 대한 반응이 아니라, 뇌 자체의 메커니즘을 통해 일어난다. 연구팀은 다음으로 다른 뇌 영역에서의 뉴런 활동이 얼굴 표정에 어떤 영향을 미치는지를 조사했다.

감정 처리에서 어떤 역할을 하는 것으로 알려진 특정 뇌 영역을 빛으로 활성화시킴으로써 얼굴에 다른 감정적 표정을 만들어낼 수 있었다.

감정 뒤에 숨어있는 메커니즘

생쥐의 얼굴 표정을 발견한데 따른 주요 이점은 감정을 일으키는 메커니즘을 확인할 수 있게 되었다는 점이다. 지금까지 뇌 연구의 문제점 중 하나는 감정을 신뢰성 있게 측정하지 않고는 뇌의 기원을 연구하기가 어렵다는 점이었다.

논문 제1저자인 네지치 돌렌젝(Nejc Dolensek) 박사과정생은 “우리는 쥐에게서 미묘한 얼굴 표정 변화를 알아차릴 수 있으나, 많은 경험을 통해서만 그 이면의 감정을 인지할 수 있고 감정의 강도는 거의 판단할 수 없었다”고 말하고, “이제는 자동 얼굴인식 시스템을 통해 밀리초 단위로 감정의 강도와 특성을 측정하고 이를 관련 뇌 영역의 신경 활동과 비교할 수 있게 됐다”고 설명했다.

이런 뇌 영역의 하나가 동물과 인간에서 정서적 행동 및 감정 인지와 관련된 대뇌 섬 피질(insular cortex)이다.

연구팀이 2-광자 현미경을 사용해 쥐의 개별 뉴런 활동을 측정하면서 동시에 얼굴 감정 표현을 기록할 때 놀라운 일이 일어났다. 쥐의 얼굴 표정이 나타난 정확히 같은 시간에 같은 강도로 섬 피질의 개별 뉴런들이 반응한 것이다. 이때 각 개별 뉴런들은 오직 하나의 감정에만 연결됐다.

이 같은 결과는 적어도 섬 피질에는 특정 느낌을 각각 반영하는 ‘감정 뉴런(emotion neurons)’이 존재함을 시시한다.

나딘 고골라 박사는 “이제 쥐의 얼굴 표정을 기록함으로써 감정의 이면에 있는 기본적인 신경 메커니즘을 조사할 수 있게 되었다”고 말하고, “이는 불안장애나 우울증 같은 감정과, 이런 감정의 처리 과정에서 발생할 수 있는 장애를 조사하기 위한 중요한 전제조건”이라고 설명했다.

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