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[바이오토픽] 위장(僞裝)의 달인, 오징어의 속내를 피부에서 읽다
생명과학 양병찬 (2018-10-18 09:51)
과학자들은 정교한 비디오 시스템을 이용하여, 뉴런에 의해 제어되는 색소세포가 복잡한 위장 패턴을 만들어내는 메커니즘을 추적하고 있다.

Cuttlefish are masters of quick-change camouflage, thanks to skin cells that act as colored pixels
Cuttlefish are masters of quick-change camouflage, thanks to skin cells that act as colored pixels.

오징어는 겉모습을 바꿔 환경에 녹아드는 데 일가견이 있다. 그러나 과학자들이 개발한 기법 덕분에, 이 두족류(cephalopod)는 자신의 속내를 더 이상 숨길 수 없게 되었다. 그 기법을 이용하면, 끊임없이 바뀌는 피부 패턴을 추적함으로써 오징어의 뇌활동을 추론할 수 있다고 한다. 《Nature》10월 17일호에 실린 이 기법은(참고 1) 뇌가 행동을 제어하는 과정을 더 잘 이해하도록 도와줄 것으로 보인다.

오징어(Sepia officinalis)는 색소포(chromatophore)라는 미세하고 컬러풀한 세포를 보유하고 있는데, 이 세포 주변의 근육을 수축시킴으로써 스스로 위장(僞裝)을 한다. 이 세포들은 오징어의 전신에서 각각 하나의 화소(pixe)로 작용하므로, 수많은 색깔을 띠며 크기를 바꿈으로써 피부의 패턴을 바꾼다.

오징어가 배경과 정확하게 일치하도록 변신하는 마술만 부리는 건 아니다. 그들은 띠, 고리, 반점 등의 복잡한 문양이 그려진 망토를 입음으로써 포식자들의 눈에 덜 띌 수도 있다. "어떤 배경에서든, 특히 산호초에서 그들은 천 가지 모습을 띨 수 있다. 위장은 시각계를 속이는 기술이다"라고 일리노이 주 시카고에 있는 해양생물학연구소의 로저 핸런(두족류생물학)은 말했다.

Mix & Match

오징어가 전신에 걸쳐 다양한 패턴을 만들어내는 방법을 이해하기 위해, 독일 막스 플랑크 뇌연구소의 질 로랑(신경과학)과 동료들은 20개의 비디오카메라로 구성된 시스템을 만들어, 그들이 울타리 안에서 이리저리 헤엄치는 동안 초당 60프레임의 속도로 영상을 촬영했다. 그 카메라들은 (연구진이 탱크 안에 놓아둔) 자갈이나 인쇄된 이미지와 같은 배경을 지나갈 때 오징어가 색깔을 바꾸는 장면들을 포착했다.

동영상 촬영은 오징어가 알에서 나온 직후부터 시작되어 수 주 동안 계속되었다. 로랑이 이끄는 연구진은 한 오징어당 수만 개의 개별 색소포들을 식별하는 비디오 처리 기술을 개발했는데, 색소포 중에는 오징어가 경시적(經時的)으로 성장함에 따라 나타나는 세포도 포함되어 있다. 연구팀은 통계 도구를 이용하여, 상이한 색소포들이 동시에 활성화됨으로써 전반적인 피부 패턴을 바꾸는 메커니즘을 규명했다.

선행연구에서는 개별 색소포가 (뇌에서부터 피부의 근육에 이르는) 여러 개의 운동뉴런에 의해 제어되며, 개별 운동뉴런이 다양한 색소포들을 제어하는 것으로 밝혀진 바 있다. 나아가, 색소포와 운동뉴런들은 그룹을 지어 더욱 커다란 운동계로 전환됨으로써 오징어의 전신에 걸쳐 다양한 패턴들을 만들어낸다고 한다.

로랑이 이끄는 연구팀은 이번 연구에서 한 단계 더 나아가, 오징어가 색소포들을 다양한 방식으로 연결하여 주변의 기하학적 구조(geometry)를 모방하는 과정을 매핑했다. 이번 연구결과는 연구자들로 하여금, 피부패턴을 보고 뇌 속의 뉴런이 위장(僞裝)을 제어하는 경로를 역추적할 수 있게 해줄 것이다.

"오징어는 우리와 판이하게 다르며, 우리는 그들이 농간을 부리는 메커니즘에 대해 아는 게 거의 없다. 우리가 개발한 영상화 기술은 연구자에게 놀라운 신경데이터를 제공할 것이다"라고 로랑은 말했다.

변장술의 1인자

"오징어의 '시각이 뇌에 보낸 신호'와 '뇌가 운동뉴런에 보내는 신호'의 관계는 아직까지 미스터리로 남아 있다. 오징어 피부에 나타난 속내(뇌의 작동)을 완벽하게 영상화할 수 있다면, 오징어를 해부하거나 전극을 부착하거나 특정한 방식으로 행동하도록 훈련시키지 않아도 '뇌활동과 행동의 관계'를 이해할 수 있을 것이다"라고 로랑은 말했다.

해답은 아마도 뇌 속에 있는 것 같다. 뇌는 눈에서 신호를 입력받아 색소포에게 신호를 출력한다. 그 결과 기하학적 패턴이 생성되는데, 그것은 배경의 완벽한 복사판이 아니라 비슷한 모사품이다. "거기에는 아마도 신경학적 지름길이 있는 것 같다. 그 속에는 유용한 시각정보들이 엄청나게 많으므로, 그걸 관리하려면 슈퍼컴퓨터를 사용해야 할 것이다"라고 핸런은 논평했다.

"그런 계산학적 지름길(computational shortcut)을 파헤치면, 연구자들에게 '컴퓨터를 이용한 인공신경망'에 대한 영감을 제공할 수 있을 것이다. 그렇게 되면, 주변 화소의 정보를 이용하여 누락된 영상 부분을 채워넣을 수도 있다"라고 로랑은 말했다.

파리 국립자연사박물관의 로르 보노-폰티셀리(생물학)는 색소포의 데이터를 통계적으로 분석한 연구진의 성과에 큰 인상을 받았다. 그녀는 다른 생물학적 메커니즘(이를테면 피부의 광감지단백질)도 오징어 피부의 복잡한 패턴을 형성하는 데 기여할 거라고 생각하고 있다. "이번 연구는 또 다른 연구의 시작이다"라고 그녀는 말했다.

※ 참고문헌
1. Reiter, S. et al. Nature 562, 361–366 (2018); http://dx.doi.org/10.1038%2Fs41586-018-0591-3

※ 출처: Nature https://www.nature.com/articles/d41586-018-07023-7

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양병찬 (약사, 번역가)
서울대학교 경영학과와 동대학원을 졸업하고, 은행, 증권사, 대기업 기획조정실 등에서 일하다가, 진로를 바꿔 중앙대학교 약학대학을 졸업하고 약사면허를 취득한 이색경력의 소유자다. 현재 서울 구로구에서 거주하며 낮에는 약사로, 밤에는 전문 번역가와 과학 리포터로 활발하게 활동하...
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