인간은 어떻게 길을 찾는가?

인간은 매일 길을 찾는다. 처음 가는 장소에서도 길을 익히고, 익숙한 장소는 쉽게 다시 찾는다. 이는 단순히 눈으로 본 풍경을 기억하는 것이 아니라 뇌가 공간을 인식하고 처리하는 고유한 시스템을 갖추고 있기 때문이다. 특히, 해마(hippocampus)는 이 과정에서 중요한 역할을 한다. 해마는 공간 정보를 저장하고 활용하는 일종의 ‘내비게이션 센터’ 역할을 하며, 이를 가능하게 하는 핵심 요소로 위치 세포(place cells)와 그리드 세포(grid cells)가 있다. 이 글에서는 해마가 공간 정보를 처리하는 방식과, 그 과정에서 위치 세포와 그리드 세포가 어떻게 작동하는지를 알아보자.

 

 

인간은 어떻게 길을 찾는가?

뇌 속의 내비게이션 시스템

해마의 역할

해마는 측두엽 깊숙한 곳에 위치하며 기억과 공간 정보 처리를 담당하는 중요한 구조다. 우리가 특정 장소에서 경험한 사건을 기억할 수 있는 것은 해마 덕분이다. 예를 들어, 처음 방문한 도시에서 특정 카페를 찾거나 집에서 회사까지 가는 길을 떠올리는 것 역시 해마의 역할이다. 해마가 손상되면 공간 기억이 약해지며 길을 찾는 능력이 저하될 수 있다.

 

해마와 공간 기억 실험

해마가 공간 정보를 담당한다는 사실은 동물 실험을 통해 밝혀졌다. 연구자들은 쥐가 미로를 탐색할 때 해마의 특정 뉴런이 활성화된다는 것을 발견했다. 특정 장소에 도달하면 같은 뉴런이 반복적으로 활성화되었고, 이를 통해 해마가 공간 정보를 저장하고 활용한다는 사실이 입증되었다. 사람을 대상으로 한 연구에서도 길찾기 능력이 뛰어난 사람일수록 해마가 더 크다는 사실이 MRI 연구를 통해 밝혀졌다. 런던의 택시기사들은 일반인보다 해마의 크기가 크다는 연구 결과가 대표적이다.

 

뇌의 GPS 시스템

특정 장소에서 활성화되는 뉴런

1971년, 존 오키프(John O’Keefe)는 해마에서 특정 장소에서만 활성화되는 뉴런을 발견했다. 이를 위치 세포라고 하며 같은 장소에서 반복적으로 활성화되는 패턴을 보인다. 예를 들어, 쥐가 특정 장소에 도달하면 특정 뉴런이 활성화되며 다른 장소로 이동하면 다른 위치 세포가 작동한다. 이러한 기능 덕분에 우리는 특정 장소를 인식하고 기억할 수 있다.

 

공간을 좌표로 인식하는 시스템

2005년, 에드바르드 모저(Edvard Moser)와 메이브리트 모저(May-Britt Moser)는 위치 세포와 함께 작동하는 또 다른 뉴런인 그리드 세포를 발견했다. 그리드 세포는 공간을 좌표처럼 인식하는 역할을 하며 특정 간격마다 주기적으로 활성화된다.

위치 세포가 특정 지점을 인식하는 역할을 한다면 그리드 세포는 공간을 격자로 나누어 상대적인 위치를 계산하는 역할을 한다. 이를 통해 우리는 움직이는 동안에도 길을 잃지 않고 방향을 유지할 수 있다.

위치 세포와 그리드 세포의 협력 작용

위치 세포는 특정 장소에서 활성화되지만, 그리드 세포는 일정한 공간 패턴으로 활성화된다. 예를 들어, 위치 세포는 "나는 지금 내 책상 앞에 있다"는 정보를 제공하고, 그리드 세포는 "책상은 방의 중앙에서 1m 떨어진 곳에 있다"는 정보를 제공하는 방식이다. 이 두 가지 시스템이 협력함으로써 우리는 공간을 효율적으로 탐색할 수 있다.

 

 

해마 손상이 공간 기억에 미치는 영향

알츠하이머병과 공간 기억 장애

알츠하이머병은 해마가 손상되면서 시작되는 경우가 많다. 초기 단계에서 환자들은 길을 잃거나 익숙한 장소를 기억하지 못하는 증상을 보인다. 이는 위치 세포와 그리드 세포가 정상적으로 작동하지 않기 때문으로 해석된다. 연구에 따르면, 알츠하이머병 환자의 해마는 정상인보다 위축되어 있으며 이로 인해 공간 탐색 능력이 감소하는 것으로 나타났다.

 

해마 손상 환자의 사례

신경과학 역사에서 가장 유명한 사례 중 하나는 HM 환자(Henry Molaison)다. 그는 간질 치료를 위해 양쪽 해마를 절제한 후 새로운 장소를 기억하는 능력을 상실했다. 이 사례는 해마가 단순한 기억 저장소가 아니라 공간 정보를 저장하는 중요한 역할을 한다는 점을 입증하는 근거가 되었다.

 

공간 기억 연구의 응용과 미래 전망

인공지능과 로봇 내비게이션

위치 세포와 그리드 세포의 발견은 인공지능(AI)과 로봇공학에도 영향을 미쳤다. 예를 들어, 자율주행 자동차와 드론이 스스로 길을 찾는 기술은 해마의 공간 탐색 원리를 모방하여 개발되고 있다. 뇌가 위치 정보를 처리하는 방식을 본떠 AI도 특정 좌표를 기준으로 환경을 기억하고 경로를 예측하는 방식으로 발전하고 있다.

 

가상 현실(VR)과 뇌 연구

VR을 이용하면 해마의 공간 기억을 더욱 정밀하게 연구할 수 있다. 실험 참가자들에게 가상 환경을 탐색하게 하고, 뇌 활동을 분석하면 공간 기억이 형성되는 과정을 더 깊이 이해할 수 있다. 이러한 연구는 알츠하이머병 치료뿐만 아니라 뇌 기능을 향상시키는 방법을 개발하는 데에도 기여할 수 있다.

 

 

뇌의 GPS가 밝혀낸 공간 기억의 비밀

해마는 단순한 기억 저장소가 아니라 우리의 움직임과 주변 환경을 연관시키는 ‘뇌 속 내비게이션 시스템’ 역할을 한다. 해마 속 위치 세포와 그리드 세포는 우리가 길을 찾고 공간을 기억하는 데 필수적인 역할을 한다. 이러한 연구는 알츠하이머병 치료, 인공지능 개발, 자율주행 기술, 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 발전 등 다양한 분야에 응용될 가능성이 있다. 앞으로 공간 기억과 해마 연구가 더욱 발전한다면 우리는 인간의 뇌가 어떻게 길을 찾고 학습하는지에 대한 더 깊은 이해를 얻게 될 것이다.