거미 나타나자 8마리 생쥐 머리에 불빛이 '깜빡'…집단지능 원리 풀었다

KIST 뇌과학연구소·ETRI 지능형센서연구실, 무선 뇌파 측정·분석시스템 CBRAIN 개발…개미·꿀벌 등 무리 생활 동물 집단지능 비밀 벗긴다

생쥐의 편도체 뇌파가 LED 빛으로 표시된 장면/사진=KIST

개미나 꿀벌, 새나 물고기 등은 개체로서 행동할 때와 달리 집단으로서는 커다란 힘을 발휘한다. 이 같은 동물들의 집단지능 원리는 뇌과학 분야의 풀리지 않는 난제다. 국내 연구진이 이러한 군집 뇌 연구를 위한 새로운 시스템을 선보였다.

반딧불 무리에서 영감…뇌 신호 ‘반짝이는 빛’으로 나타내는 시스템 개발

한국과학기술연구원(KIST) 뇌과학연구소 최지현 박사, 한국전자통신연구원(ETRI) 지능형센서연구실 이성규 박사로 이뤄진 공동연구팀이 무리 생활을 하는 동물들의 뇌를 눈으로 보고 분석할 수 있는 시스템을 개발했다고 14일 밝혔다. 공동연구진은 뇌 신호를 실시간으로 감지해 빛의 반짝임으로 나타내는 초소형 프로세서와 LED가 집적화된 실시간 무선 뇌파 측정·분석시스템인 CBRAIN (Collective Brain Research aided by Illuminating Neural activity) 시스템을 개발했다. 뇌 신호를 깜빡이는 빛으로 나타내주기 때문에, 동물의 행동과 뇌 활성을 시공간적 관점에서 빠르고 직관적으로 분석할 수 있다. 군집 뇌 연구에 획기적인 방법을 제시한 것이다. 연구진은 “반딧불 무리가 동시다발적으로 반짝거리는 모습에서 영감을 얻어 제작하게 됐다”고 밝혔다.

거미 천적 실험 진행…1마리 때보다 8마리일 때 LED 경계신호 발생 빈도 감소

연구팀은 천적을 모사한 거미 로봇을 사용해 위협 상황에서 생쥐들의 행동과 뇌 신호가 1마리가 아닌 군집의 무리와 함께 있을 때 어떻게 변하는지 연구했다. 거미 로봇을 우리에 넣는 순간 쥐들에게 부착된 CBRAIN 시스템의 LED가 동시다발적으로 점등됐다. 로봇이 생쥐를 위협할 때 공포 기억을 처리한다고 알려진 기저측편도체에서 감마파가 자주 발생한 것이다. 그리고 흥미롭게도 8마리의 쥐가 무리 지어 있으면 1마리만 있을 때보다 경계신호 발생 빈도가 감소한 것을 볼 수 있었다. 다시 말해 기저측편도체의 감마파 발생률이 감소한 것이다.

또 생쥐의 위치와 뇌 활동에 대한 시공간적 분석을 통해 무리의 가장 바깥쪽에 있는 생쥐에게서는 감마파가 자주 발생하고 무리의 가장 안쪽에 있는 생쥐들에게서는 감마파가 적게 발생한다는 사실을 밝혀냈다. 연구진은 “무리 바깥쪽의 생쥐들에게는 강한 경계신호가 나타나는 반면 무리의 안쪽 생쥐에게는 평온한 때와 차이가 없는 경계신호가 관찰됐다”고 설명했다. 이어 “동료와 같이 있으면 경계신호가 줄고 긴장이 누그러지는 사회적 완충 효과가 일어나는데, 이는 집단 전체의 효율적 방어를 위한 역할 분담으로 해석된다”고 덧붙였다.

KIST 최지현 책임연구원은 “CBRAIN을 인간의 사회적 뇌 연구에도 적용해 사회성 연구 및 관련 뇌 질환 치료에 활용하고, 아직 풀리지 않은 난제 중 하나인 집단지능의 원리를 밝힐 계획”이라고 말했다. 이번 연구성과는 ’사이언스 어드밴시스’에 게재됐다.