동물의 방향 감각은 어떻게 만들어지는가 — 외딴 섬에서 밝혀진 '뇌 속 나침반'

머리 방향 세포(Head Direction Cell)란

• 장소 세포(place cell)와 격자 세포(grid cell)는 공간 지도를 만들지만, 그것만으로는 네비게이션이 안 됨. 지금 어느 방향을 바라보고 있는지도 알아야 함
• 1984년 Jim Ranck가 우연히 발견한 머리 방향 세포는 동물의 위치와 무관하게 바라보는 방향에 반응함. 전정기관(내이의 머리 움직임 추적 시스템)과 외부 감각 입력을 통합해서 작동
• 이 세포들은 고리 끌개 네트워크(ring attractor network)로 연결되어 있음. 포유류에서는 물리적 고리는 아니지만(초파리에선 진짜 고리 모양), 동물이 머리를 360도 돌리면 각 방향에 맞는 세포들이 순차적으로 발화함

글로벌 나침반 vs 모자이크 — 두 가지 경쟁 가설

• 글로벌 나침반 가설: 한 번 동북쪽에 반응하는 세포는 어디서든 항상 동북쪽에 반응함
• 모자이크 가설: 환경의 다른 영역으로 이동하면 세포들이 리셋되어 방향이 바뀜 (한 곳에서 북쪽이던 세포가 다른 곳에선 동쪽을 가리킬 수 있음)
• 문제는 이전 연구가 전부 실험실의 작은 상자 안에서만 이루어졌다는 것. 동물이 한눈에 모든 것을 볼 수 있는 환경에서는 진짜 네비게이션을 테스트할 수 없음

무인도 실험: 탄자니아 앞바다 라탐 섬

• 이스라엘 와이츠만연구소의 나흠 울라노프스키 교수가 수년간 꿈꿔온 야외 실험을 실현함. 호주 그레이트배리어리프에서 스쿠버다이빙 중 "섬을 실험실로 쓰면 되겠다"는 아이디어를 떠올림

• 조건: 육지에서 멀고(박쥐 탈출 방지), 너무 크지도 작지도 않고, 무인도이며, 나무가 적고, 자연보호구역이 아닐 것. 전 세계 30~40개 후보 중 이집트과일박쥐 서식 범위에 있는 건 라탐 섬(탄자니아에서 25마일, 축구장 4개 크기)뿐이었음

• 6마리 박쥐 뇌에 수 마이크로미터 두께의 미세전선을 삽입하고, 데이터 로거를 연결한 뒤 섬에 풀어놓음. 텐트, 의자, 발전기, 냉장고까지 배로 가져가서 몇 주간 캠핑하며 실험. 매일 밤 박쥐를 재포획해 데이터 다운로드. 2023~2024년 두 시즌에 걸쳐 301번의 비행 데이터를 확보

결과: 글로벌 나침반이 맞았음

• 처음 12일은 머리 방향 세포가 대략적으로만 반응했는데, **56일째부터 세포가 정밀한 방향에 고정**되었고 섬 어디에 있든 변하지 않음
• 섬 전체를 한눈에 볼 수 없는데도 뇌가 작은 부분들을 글로벌 전체로 꿰맞추고 있었음 → 글로벌 나침반 가설 확인
• 달이 하늘을 가로질러도, 구름이 달과 별을 가려도 세포 활동은 안정적 → 천체 단서가 아님
• 지구 자기장도 아님. 팀의 가설은 박쥐가 환경 랜드마크(해안선, 연구자들의 텐트, 횃대)에 고정한다는 것

인간에게도 같은 시스템이?

• 머리 방향 세포는 아직 인간에서 발견되지 않았지만, 같은 뇌 구조를 가지고 있으므로 존재할 가능성이 높음
• 존스홉킨스 교수 Knierim의 맨해튼 일화가 재미있음: 동쪽으로 걷고 있다고 생각했는데 모퉁이를 돌았더니 예상한 거리가 아닌 다른 거리가 나타남. "내 머릿속의 공간이 빙글빙글 도는 걸 문자 그대로 느꼈다"
• 듀크대 연구팀은 간질 환자 동의를 얻어 이미 이식된 전극에 새 장치를 연결하고, 병원 복도를 걸어다니는 인간의 네비게이션 세포를 기록하는 데 성공 — 인간 대상 최초 연구