미국 매사추세츠 공대(MIT) 신경과학 연구팀은 2015년 기능적 자기공명영상(fMRI)을 이용해 음악에 특별히 반응하는 뇌의 청각피질 내 뉴런 집단을 발견했다. 이를 토대로 새로운 연구에서는 뇌의 표면에서 전극을 부착하는 방법을 사용했고 이는 fMRI보다 보다 정확한 정보를 제공했다.
MIT 박사후과정을 하면서 주저자로 참여한 현 로체스터대 샘 노먼-헤이그네어 교수는 “이번 연구는 음악의 직관적 구별과 같은 방식으로 청각 피질도 미세한 기능으로 분리돼 있다는 증거를 제공한다”라고 설명했다.
그는 “노래에 반응하는 뉴런 집단이 있고, 바로 옆에는 다양한 음악에 폭넓게 반응하는 뉴런 집단이 자리하고 있다”면서 “이들은 너무 가까이 있어 fMRI로는 분리할 수 없었지만 피질뇌파 검사(ECoG)를 통해 추가적 해상도를 확보해 뉴런 집단을 분리할 수 있었다”고 말했다. 구체적으로 이 영역이 무엇을 하는지에 대해서는 추가 연구가 필요하다.
2015년 연구는 개 짖는 소리와 같은 일상의 소리뿐만 아니라 말하기와 음악을 포함한 165가지 소리를 들을 때 참여자들의 뇌를 스캔하기 위해 fMRI를 사용했다. 새로운 연구는 뇌에 전극을 붙여 전기 활동을 기록할 수 있는 피질뇌파검사를 사용해 고해상도 데이터를 얻어냈다. 이 방법은 뇌의 혈류를 측정하는 fMRI에 비해 뇌의 활동을 보다 정밀하게 보여준다.
MIT 낸시 캔위셔 교수는 “인간의 경우 대부분 뉴런 표현을 볼 수 없어 수집할 수 있는 데이터가 제한적”이라고 말했다. 이번에 사용된 피질뇌파검사는 침습적 시술로서, 일반적으로 사람을 대상으로 검사할 수 없지만 발작 치료를 위해 수술을 앞둔 뇌전증 환자를 관찰하는 데 종종 사용된다. 의사들은 수술 전 발작이 어디서 시작되는지 확인할 수 있도록 며칠 동안 환자를 관찰한다. 그 기간 동안 환자가 동의하면 뇌 활동을 측정하는 연구를 할 수 있다. 연구팀은 몇 년동안 15명의 데이터를 수집할 수 있었다.
연구팀은 이전의 fMRI 연구에서 사용한 것과 같은 165가지 소리를 들려주었다. 그리고 자체 개발한 통계분석을 바탕으로 각 전극이 기록한 데이터를 생산하는 신경집단의 유형을 추론할 수 있었다. 노먼-헤이그네어 교수는 “이를 데이터에 적용했을 때 노래에 반응하는 신경 반응 패턴이 튀어나왔다. 정말로 기대하지 않았던 발견이었다”고 말했다. 노래에 특화된 뉴런 집단은 음성이나 연주곡에는 매우 약한 반응을 보였다.
연구팀은 뇌파 데이터와 2015년 연구의 fMRI 데이터를 결합하는 수학적 방법을 고안했다. fMRI는 뇌의 훨씬 더 큰 부분을 보여줄 수 있기 때문에 노래에 반응하는 신경 집단의 위치를 더 정확하게 파악할 수 있었다. 연구팀은 ECoG와 fMRI를 결합하는 연구 방법은 중요한 방법론적 발전이라고 설명했다.
노래에 특화된 핫스팟은 측두엽 위쪽, 언어와 음악에 반응하는 영역 가까이 위치했다. 이는 노래에 특화된 개체군이 뇌의 다른 부분에 추가 정보를 보내기 전에, 인지된 음정 혹은 말과 음정의 상호작용 같은 특징에 반응한다는 것을 암시한다.
향후 노래의 어떤 측면이 이러한 뉴런 반응을 끌어내는지 연구할 계획이다. 아울러 유아들의 경우 언제 어떻게 이러한 뇌 영역이 발달하는지도 연구를 진행하고 있다.
연구는 《커런트 바이올로지》에 실렸다. 원제는 ‘A neural population selective for song in human auditory cortex’.
