우리는 영화 속 주인공이 아파하거나 두려워할 때, 마치 내가 겪는 일처럼 함께 감정을 공유하곤 한다. 이는 단순한 상상이 아니라, 실제로 뇌가 타인의 감정을 반영하는 공감 메커니즘을 갖고 있기 때문이다. 하지만 이러한 정서적 공감이 뇌에서 어떻게 이루어지는지 명확히 밝혀지지 않았다.

기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 인지 및 사회성 연구단 금세훈 연구위원 연구팀은 타인의 고통을 인식하고 정서적으로 공유하는 뇌의 핵심 신경회로를 규명했다. 이번 연구는 공감의 신경 메커니즘에 대한 이해를 확장하고, 자폐 스펙트럼 장애, 반사회적 행동 장애 등 공감 능력의 장애를 보이는 신경정신질환 연구에 중요한 기초 자료를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

뇌의 전측대상회피질(Anterior Cingulate Cortex, ACC)은 고차원적 감정 처리와 의사결정, 사회적 행동과 공감 등 다양한 기능과 관련된 중요한 뇌 영역이다. 연구팀은 독창적인 동물실험과 고해상도 미세 내시경 칼슘 이미징 기술¹⁾(miniscope calcium imaging)을 통해 ACC 신경세포의 활동을 실시간으로 측정·분석해 타인의 고통을 목격할 때 활성화되는 특정 신경세포 집단을 확인했다. 그리고 이 신경세포 집단이 정서적 공감 처리에 중요한 역할을 한다는 사실을 실험적으로 입증했다.

우선, 연구팀은 생쥐가 다른 생쥐의 고통을 관찰하는 ‘관찰 공포 실험’을 설계했다. 투명한 아크릴 상자에 두 마리의 생쥐를 배치하고, 한 마리는 직접 고통을 경험하는 개체로, 다른 한 마리는 이를 관찰하는 개체로 설정했다. 고통을 경험하는 개체의 발바닥에 가벼운 전기 자극을 가해 공포 반응을 유도한 뒤 관찰자 생쥐는 어떠한 신체적 자극도 받지 않은 채 고통을 경험하는 개체의 반응을 지켜보게 했다. 연구팀은 공포 관찰 실험 중 관찰자 생쥐의 ACC에 삽입한 이미징 장치를 통해 실시간으로 신경세포의 활동을 측정해 활성화 패턴을 분석했다.

그 결과, 관찰자 생쥐는 직접적인 자극 없이 다른 개체의 고통을 목격하는 것만으로도 공포로 인해 움직임이 줄어드는 ‘공감적 동결 행동²(Empathic freezing)’을 보였다. 이는 ACC 내 특정 뉴런 집단이 활성화된 결과로 나타났으며, 이후 실험을 거듭하면서 개별 신경세포의 활성화 패턴은 일부 변화가 있지만 집단 전체 수준에서는 공포 반응을 형성하는 활성화 패턴이 유지됐다. 이러한 결과는 특정 뉴런 집단의 일관된 활성화 패턴이 공감적 반응을 유도한다는 것을 의미한다.

특히, 이번 실험은 기존 연구들과 달리 고통에 대한 경험이 전혀 없는 생쥐를 관찰자 개체로 설정했는데, 이를 통해 경험의 영향을 배제한 ‘순수한 감정 전염(Emotional contagion)’ 현상을 확인할 수 있었다. 제1저자인 최지예 선임연구원은 “이전에 고통을 경험한 적 있는 생쥐가 다른 생쥐의 고통을 보며 반응한다면, 이는 자신의 기억과 연관된 반응일 수 있다”라며, “개인적 경험 없이도 타인의 감정을 공유하는 순수한 감정 전염을 유도함으로써 정서적 공감의 근본적 작동 원리를 찾았다”라고 설명했다.

나아가, 연구팀은 광유전학적 기법을 이용해 ACC에서 중뇌수도관주위회색질(Periaqueductal gray, PAG)로 연결되는 신경회로의 활성을 선택적으로 억제하는 실험을 진행했다. PAG는 공포나 고통과 같은 감정적 경험을 몸의 반응으로 전환하는 뇌 영역이다. 예컨대, 두려움을 느낄 때 몸이 얼어붙거나 도망치는 반응을 유도하는 것이다. 실험 결과, 관찰자 생쥐가 타인의 고통을 목격했을 때 나타나는 공감적 동결 행동과 정서적 회피 행동이 현저히 감소했는데, 이는 ACC-PAG 신경회로가 타인의 고통을 인식하고 공감적 행동을 이끌어내는 데 필수적이라는 것을 명확히 보여준다.

연구를 이끈 금세훈 연구위원은 “이번 연구는 타인의 고통을 공감하는 과정이 단순한 학습이 아닌, 뇌에서 특정 신경 회로를 통해 정서적으로 처리된다는 것을 실험적으로 입증한 최초의 연구”라며, “공감 반응이 형성되는 신경 기전을 정밀하게 이해할 수 있는 기반을 마련했으며, 향후 다양한 신경정신질환 연구에 도움이 될 것”이라고 밝혔다.

이번 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 지난 2월 25일 온라인 게재됐다.

그림 설명

[그림1] 관찰 공포 실험 중 전측대상회피질(ACC) 신경세포 활성
관찰 공포 실험은 관찰자 생쥐가 다른 생쥐(시범자 생쥐)의 발바닥에 가해지는 가벼운 전기 자극으로 인한 고통을 목격하면서 나타나는 공감적 반응을 분석하는 방식으로 진행됐다. 이때 관찰자 생쥐의 뇌에 장착된 미세 내시경 칼슘 이미징 장치를 통해 ACC 신경세포에서 발현된 칼슘 형광 신호를 실시간으로 측정하고 시각화했다. 녹색으로 나타난 부분이 칼슘 지표자 발현된 신경세포로, 이들 중 특정 신경세포 집단이 타인의 고통을 관찰할 때 활성화되며, 공감 반응을 일으키는 신경회로의 핵심임을 확인했다.

[그림2] 생쥐 행동과 전측대상회피질(ACC) 신경세포의 활성 예시
관찰 공포 실험 중 확인한 행동은 관찰자 동결 행동(분홍색), 시범자 통증 반응(파란색), 시범자 동결 행동(노란색)으로 구분되며, 각 행동과 연관된 신경세포의 활성이 다르게 나타난다. 관찰자 생쥐는 시범자 생쥐의 고통을 지켜보면서 직접적인 자극 없이도 공감적 동결 행동(움직임 감소)을 나타냈다. 공감적 행동이 나타나는 동안 관찰자 생쥐의 ACC 신경세포 집단은 특정 활성 패턴을 나타냈으며, 개별 세포의 활성은 실험 세션마다 일부 변화가 있었으나, 신경세포 집단 수준에서는 일관된 공감 반응을 안정적으로 유지하고 있음을 확인했다. 이는 ACC 신경세포 집단이 공감적 행동을 일으키는 핵심 신경회로로 기능함을 시사한다.

1) 미세 내시경 칼슘 이미징 기술 (miniscope calcium imaging): 살아있는 동물의 깊은 뇌 영역에서 신경세포 활동을 실시간으로 관찰할 수 있는 기술로, 칼슘 지표 단백질(GCaMP 등)을 이용해 신경 활동 시 발생하는 칼슘 농도 변화를 형광 신호로 시각화한다.

2) 공감적 동결 행동(Empathic freezing): 동물이 다른 개체의 고통이나 위협을 관찰할 때 나타내는 움직임 억제 반응(freezing)으로, 타인의 감정을 공유하는 공감 반응의 지표로 사용된다.