심리학혹은 뇌과학의 Cognitive Science, Visual science, Perception 필드 내에서 가끔 논쟁이되는 오래된 떡밥인 

할매세포(Grandmother Cell)에 대해서

썰을 풀어 보겠습니다.

할매 세포는 MIT에 재직중이던 인지과학자 Lettivin 이라는 할배와

 

(이 털보간지가 Lettvin임.)

폴란드에서 신경생리학자로 일하던 Konorski라는 할배에 의해 나온 아이디어다.

 

(이 어르신이 konorski라는 할배임)

우선 할매세포를 설명하기전에..

이 두 할배에 대해 간략하게 설명하자면..
 

MIT 털보 Lettvin은 개구리의 시각계와 그와 관계된 뇌의 연구로 존내 유명했던 할배로.... 신경생리학, 전기생리학, 따위를 연구하던 할배임

그 외에 할매세포라는 아이디어 말고 뭐가 유명한진 솔까 몰겠음. 

폴란드 할배 Konorski는 심리학계에서 "학습" 이라는 연구분야를 거의 개척하다 시피한 할배조상들인 

러시아의 생리학자 파블로프와, 그리고 요즘은 초딩도 어디서 줏어들은겐지 다들 아는 이름의 심리학자 B.F 스키너의 연구들에
매우 깊은 영향을 받아서 그 영향으로 고순위조건형성이나 복합반사 따위를 연구하던 신경생리학자였다..  

그리고 또 Konorski는 오늘날 신경가소성과 학습의 신경세포분자적 메커니즘에 토대가 되는 "헤비안 회로"  그리고 "헵 법칙"으로 유명하던 캐나다 심리학자인 도날드 헵의 아이디어를 보고.."오오! 신박한데!?"!!!! 라면서





거기에 강한 영향을 받아서, 그 도날드헵과 함께 그 이름도 유명한 Neural Plasticity, 신경가소성 혹은 시냅스가소성 이란 용어를 만들어낸 할배임

(아 씨바 도날드 헵...이 또 누구냐면... 두뇌모델링이나 커넥셔니즘이란 말을 사상 처음으로 쓰면서 외부세계의 자극이 뇌로 들어간담에..그게 신경구조로 어떻게 표상되는지에 관한 아이디어를 최초로 내놨던...암튼간에 뇌의 이해에 지대한 역사적 공헌을 했던 할배임. 신경생물학 공부할때 좆나 좆같은 Hebb법칙이라고 나오는데 그게 이 할배 작품임)

Lettivin과 Konorski 이 두 할배는 서로가 안면이 있었던 것이 아니고,

1950~1960년대 거의 동시대에 일절 안면식도 없으면서 서로 거의 똑같은 썰을 그것도 거의 동시대에 생각해 냈었다!

(잠시 삼천포로 빠지자면 이걸 과학계의 동시발견현상multiple discovery 이라고 한다. 그리고 자기 아이디어랑 똑같은 아이디어를 다른형태로 누가 아주 근사하게 빨리 발표할때 "스쿱당했다!" 라고 표현한다. 과학계에 있는 동시발견현상은 사실 매우 흔한 것으로, "패러다임"이라는게 존재한다는 것의 증거로 취급당하기도 한다)


아무튼 두 사람은 서로 왕래도 없었고 안면식도 일절 없던 생판 서로의 존재를 모르던 사이었건만

정말 거의 같은해 똑같은썰을 동시에 생각해냈다.


Konorski는 처음에 지 아이디어를 gnostic neuron이라고 이름 붙였었고

Grand mother cell 할매세포란 말은 털보할배의 연구에서 유래된 이름이다.

오늘날은 Grand mother cell이란 털보할배의 이름이 지명도가 조금 더 높다.

왜냐하면 털보할배가 이 현상을 발견한 배경이 좀 더 신박해서

그 신박함에 힘입어 떡밥에 떡밥을 물고 늘어지다가 결국 오늘날까지 할매세포라 명명되어져서 내려오고 있다.

(cell지 아냐? 똑똑한척 하는 사람라면 한번쯤은 들어봤음직할 권위있는 학술지지...거기 예하 학술지인 인지과학 TICS 2009판 표지에 실린 할매 세포 썰)

자 존나 장황한 잡썰은 고마 때리치아뿌고

도대체 그 할매세포가 뭔가!? 를 알아보자

앞서 말했듯이 할매세포는 '썰'이다.

즉, 그러니까 생명의 최소단위인 그 세포 한개를 말하는게 아니라..

(내가 글 쓰면서 다시 생각해보니 특정 세포 한개를 지칭하는 표현이 될 수도 있겠다. 신경세포 특성이 다수의 다발이 하나의 뉴런이랑 연결되어 있는데 있는데..이 세포 한개가 여러가지의 기능을 처리하지....이를테면 시각계에 갱글리온 쎌 같은거..)

어떤 관찰에 근거한 아이디어를 설명하는 가설적인 개념이지..

물리학에 암흑물질 마냥..뭐 그런거지..

그니까 아 씨바 할매미 세포가 뭐냐부터 설명하자면
 

세부적인 특정 자극에만 반응하는 단일 신경세포가 존재한다는 썰이 '할매세포설'이다.

더 알아쳐먹기 쉽게 설명하자면

옆집 김씨한테만 반응하는 세포가 있고, 철수만 보면 반응하는 세포가 있고, 영희 얼굴만 보면 반응하는 세포가 있고

머리속에 그렇게 일일이 특정한 자극에 특정하게 반응하는 세포들이 있다는 썰이다.

(이런 식으로 사담 후세인 사진만 보면 반응하는 세포, 요다에만 반응하는 세포, 오프라 윈프리에만 반응하는 세포)

근데 왜  할매 세포라고 부르나?

앞서 위에서 언급했든 시각 시스템을 연구하던 털보 Lettvin이 실험용 원숭이한테 어떤 실험을 할려고
 

머리를 입체정위기구에 고정시켜놓고, 두개골에 구멍뚫어서 뇌에 시각피질 어딘가 특정 영역에 전위측정을 위한 전극을 달아놨었다.

 

근데 그때 원숭이 안구에 우연찮게 연구실에 있었던 할머니 사진이 정말 우연히!! 보여지게 됐는데

 

그 시각피질에서 파바박 파바박 튀는 반응(그러니까 반응을 한다는 말)을 보였다.

그 현상을 신박하게 생각한 털보가 다른 사진들을 랜덤하게 안구에 자극으로 제시해보았다.

동물사진, 자동차사진 바나나사진, 다른 사람얼굴사진

다 반응이 없었다.






오직 그 할매 사진에만 반응이 반응이 나타나는거다!!!

 

정리하자면 뇌 시각피질 어딘가에 암대나 전극을 꽂아놨는데..그 영역이 특정한 할매 사진(다른 사람도 아닌)만 보면 활성화되서 전위가 팍팍 튀면서 측정이 되더라..라는 얘기. 이 얘기가 시사하는 바가 무엇인가? 

다른 사물도 아니고 다른 사람도 아니고 다른 할매도 아니고!

a라는 특정 할매한테만 반응하는 신경세포가 있다!

그 할매를 구분하는 신경 세포가 있을 수 있다고? 이 세포는 이 특정할매에 특수화되어있나? 이 세포가 이 할매를 알아본다는 말인가! 이 세포가 특정한 할매의 개념을 이해라도 했단 말인가!?!?

긍까 특정한 자극에만 대응하는 세포가 있을 수 있다!!!

 

라는 것이다.

그때 호기심을 느낀 털보가

그 할매가 나오는 다른 사진을 제시하자 역시 파바박파박 튀는 반응을 보였다

오오!? 하는 신박함을 느끼고서 

털보는 당장 그 할매를 직접 불러 완전 다른 각도의 존내 다양한 사진옆모습 사진, 비스듬한 사진, 표정 일그러뜨린 사진, 옷차림이 다른 사진, (그니까 분명히 사진상의 시각적 자극은 다른데 일단 확실히 사람만 똑같음)을 찍어서 제시하고 할매와 비슷하게 생긴 또 다른 노친네 사진들을 몽땅 준비해서

비교해가면서 원숭이 눈깔에 제시해봤더니

비슷하게 생긴사람 다 좆까고 오로지 그 특정할매가 어떤 모습으로든 사진에 나오기만 하면 "파바박 파박" 반응을 보였다는 거다.!!

그 반응은 너무나 극적이어서 마치 세포가 할매라는 복합개념을 이해라도 해서 구분이라도 하는 듯이 보였다.


 

긍까 그렇게 생긴 비슷한 사진에만 반응하는게 아니라 확실히 원숭이 시각피질에 있는 신경세포 새끼가 그 특정한 할매를 알아본다거나 그 할매 반응한다는 얘기가 되는거다.

그래서 Lettivin은 이 할매한테만 반응하는 세포를 두고...... 일단 할매세포(grandmother cell)이라고 잠시 이름을 붙인거시다.

(이건할매 사진은 아니지만 이런식으로 동일인을 돌려가며 찍은 자극도 만들어놓음.  쪼카 다른 사진이긴 한데...대가리에 구멍뚫어서 전극 삽입된 원숭이한테... 자기 친구 원숭이 사진을 제시함..
 

전극 꽃혀있는 부분이 정면은 반응이 거의 없고 얼굴이 점점 돌려진 사진으로 제시하면서 옆모습에 가까워질 수록 반응을함,

완전 옆모습에 100프로 활성화. 즉 지 친구 원숭이 얼굴의 옆모습에만 반응하는 세포발견!..

뭐 암튼이런식으로 "특정한 자극" 한개에만 반응하는 세포가 일일이 관찰이 되는데 이런식으로 측정이 된다고...)

자 아무튼

학계에서는 이 할매세포현상 떡밥을 설명하기 위해서 온갖 썰이 나돌았는데 그 대다수 썰들은 주요한 두가지로 축약이 된다.

하나는 Specificity Coding(특수신경가설, 혹은 특정신경부호화썰)이다.

특정 자극을 표상(표상, 그니까 요다얼굴이라는 자극이 머리통으로 들어와서 신경신호로 재 구성되서 표현됨을 뜻함)하는 것은 

그 자극에만 반응하는 신경세포의 발화(그니까 할매 세포 같은...)로 인한 것이다. 라는 썰이다.

(Specificity coding 썰을 설명하는 간단한 그림의 캡쳐)

위 빌 새끼만 보면 반응하는 뉴런 1

매리년만 보면 반응하는 뉴런 2

흑횽 라파엘만 보면 반응하는 뉴련3 따위가 존재한다..

뭐 이런 썰이 specificity coding임.

근데 상식적으로

이 썰은 몇가지 문제점이 있다.

첫째, 이 세상에는 너무 많은 얼굴과 사물들이 존재한다는 거지..

따라서 이 모든 자극에 각각의 신경세포를 할당하는건 겨우 수박만한 사이즈의 대가리 안에 있는 작은 뇌로는 말이 안된다는거지...

이 우주에 자극이 얼마나 많은데...이 모든 자극에 해당하는 세포가 일일이 존재한다고? 이건 공상과학적으로 허무맹랑한 아이디어다.



둘째,  특정 얼굴에만 반응하는 신경세포가 엄연히 존재하기는 하지만, 이 신경세들조차도 약간 비스무리한 얼굴자극에 대해서는

어느정도 슬그머니 반응을 하기는 한다는거다. a할매한테만 파박파박! 전위활동이 튀는게 잘 측정된다면 철수사진에는 전혀 반응안하다가 약간은 비슷한 다른 할매사진보고서는 파박파박 정도로 튀는건 아닐지라도 어느정도 파르르르 반응은 한다는 것임.

뭐 이런 기타등등의 여러 이유들로 인해서 심리학계나 신경과학계 거의 대부분 학자들은 이 specificity coding 썰을 인정하지 않았다..

그렇다면 할매세포현상을 설명하는 또 다른 썰은 무엇인가?

그것은 바로 Distributed coding(분산 부호화썰)이 라고 불리는 것이다.

distributed coding은 단일 신경세포의 발화율(파박파박 신경전위 신호가 튀는 정도)보다는

여러 신경세포의 발화 패턴으로 표상된다는 것이다.

이를 다시... 존나 알기 쉬운 그림으로 살펴보자

첫번째 빌 얼굴을 보면 세 뉴런 전부다 반응을 하긴 하지만....

반응을 하되 뉴론1, 뉴론2, 뉴론3의 조합이 저런식으로.. 뉴런1새끼가 제일 많이 활성화하고, 그담이 뉴런2가 쪼까 활성화하고, 그담이 3

이런식으로 3가지 뉴런들이 활성화가 되는 '패턴의 조합'들에 의해서 빌 새끼의 얼굴을 표상을 시켜낸다는거다

이런식으로 활성화되는 강도의 패턴조합으로 뉴런1, 2, 3과 연결된.....빌 저새끼 얼굴에만 반응하는 세포가 존재할 수 있다는 것이다.

맨 밑에 동양남 로져새끼도 세 신경세포 모두다 반응하지만 뉴런3이 제일 반응이 크고 1이 제일 반응이 적다. 이런식의 조합이지..

이 처럼 특정한 얼굴 자극을 신경신호로 코딩해주는 코드가 뇌의 여러 신경세포에 걸쳐서 분산이 되어있다는 썰이 분산부호화썰이다.

이 썰의 장점은 적은 수의 신경세포를 갖고서도 조합을 해내서 그 신경세포의 반응패턴을 통해 여러 자극을 표상시킬 수 있다는 거다.

현재 대다수의 학자들에 의해 받아들여지는 썰이 바로 이 분산부호화썰이다.

이 썰의 의미는 우리가 환경내에 수많은 자극들을 받아들이고 지각하는 두뇌의 능력이...특정한 신경세포 한개 땀시 이루어지는게 아니라

여러 신경세포들간의 커넥쑌..긍까 연결성과 협력이 있기 때메 가능하단 사실을 시사해준다.

긍까 뇌가 용적이 큰거보다는 커넥션이 중요하다능 것임.

이거는 최근에(그래봤자 2005년임)나온 재미난 건데..

어떤 사람의 해마체에서 배우 할리베리가 나오는 자극에만 반응하는 특정한 영역을 찾았음 ㅋㅋ

그러니까 할리베리 얼굴 뿐만 아니라, 캣우먼 복장을 한 사진 심지어는 Halle Berry라고 쓰여진 문자 자극에서 조차 그 세포가 반응을 함 ㅋㅋ

또 다른 영역에서는 제니퍼 에니스톤 사진에만 반응하는 영역과 시드니 오페라 하우스 건물에만 반응을 하는 신경세포영역을 발견함. e덤으로 특정 자동차에만, 그리고 브래드피트에만 반응하는 세포까지도...ㅋㅋ
 

즉, 그러니까 특정한 신경세포가 제시되는 시각자극의 시점, 관점, 형태에는 전혀 상관없이 오로지 한 사물만 골라서 선택적인 반응을 보인다는 점임.

이것들은 저 위의 오래된 할매세포 떡밥보다는 상대적으로 최근연구인데.. 이 썰들이 예전5~60년대 할매미 세포랑 다른 점은 뭐냐면

예전에 할매미 세포를 발견한 시각시스템과 관계있는 시각피질이 아니라 이 연구에선 '기억'과 관계가 많은 해마체에서 발견했다는 것임.

단순히 자극의 시각적 특성에 반응한다기보다는 제니퍼 에니스톤, 할리베리, 오페라 하우스라는 '개념 자체'에 선택적으로 반응한다는 것을 시사함.

정리하자면

1. 뇌에 할매세포라는게 있음.

2. 어떤 할매사진한테만 선택적으로 반응하는 세포라서 할매라고 붙여짐

3. 실제로는 할매한테만 반응하는 세포가 있는게 아니라 여러세포들의 패턴조합에 결과임.