민병경의 재미있는 뇌과학 이야기

귀는 소리 에너지를 감지하는 곳이다. 대표적으로 우리 뇌의 고차원적 기능인 언어 정보의 청각적 입력 기관이다. 눈에서부터의 시각 정보 경로처럼, 소리의 정보도 귀를 출발하여 뇌간을 거쳐 '내측 무릎핵(MGN: medial geniculate nucleus)'에 중계되어 마침내 옆골에 위치한 '1차 청각 피질(A1)'에 도착한다. 이 청각 신경의 경로 동안, 우리는 마치 일렬로 배열된 피아노의 건반과 같은 방식으로 소리의 정보를 구분하여 귀부터 뇌까지 전달하고 인식한다. 이처럼, 귀의 청각 신경 배열부터 두뇌의 청각 피질에 이르기까지 신경 세포들은 감지하는 소리의 특성 진동수에 따라 차례로 배열되어 있는데 이를 '가락 지도(특성 주파수 지도: tonotopic map)'라고 한다. 이는 시각계의 '망막 지도'와 성격이 유사하다. 즉, 눈은 보는 세상의 연결된 상황 그대로 뇌로 전달하고, 귀는 듣는 세상의 진동수를 구분하여 뇌로 전달한다. 컴퓨터의 병렬 신호 처리에 견줄 수 있다. 참고로, 이 가락 지도는 200Hz까지 감지하므로, 그 아래 주파수 대역을 감지하기 위해서, 또한 같은 진동수지만 강약이 다른 소리를 구분하기 위해서, 이 밖의 다른 방법을 사용한다. 즉, 청각 신경은 반응 뉴우런의 진동수와 들려오는 소리의 진동수를 함께 고려하여 같은 위상에서 뉴우런이 반응하는, 최고 4kHz까지의 저주파에서 위상이 겹치는 '위상 고정(phase locking)' 현상을 이용한다. 즉, 소리 에너지의 진동수뿐 아니라 그 위상까지도 소리의 분석을 위해 사용하는 것이다. 참으로 재미있고 신비로운 생명의 세상이다.

일반적으로 사람의 경우는 1,000 ~ 4,000Hz의 소리를 가장 잘 들을 수 있고, 전체적으로는 20 ~ 20,000Hz의 소리를 감지할 수 있다. 쥐의 경우에는1,000 ~ 50,000Hz의 소리를 들을 수 있고, 고양이는 100 ~ 60,000Hz 범위의 소리를 감지할 수 있다. 소리의 규모를 '데시벨(Decibel: dB)'이라는 단위로 나타내는데, 최소한으로 들을 수 있는 정도의 소리를 0dB로 하여, 우리들이 주고받는 말소리가 약 60dB이고, 버스 지나가는 소리는 약 80dB이다. 한편, 90dB 이상의 소리에 장기간 노출됐을 때는 귀에 무리가 간다. 지하철의 소음은 약 100dB, 120dB이 넘어가면 불쾌해지며 130dB부터는 고통을 느끼기 시작하는데 비행기 엔진 소리가 약 160dB이다.

귀
ⓒ Principles of Behavioral Neuroscience, Beatty 1995

소리를 듣게 되는 원리 역시 흥미롭다. 귓바퀴에 모아진 소리는 귓구멍을 통해 고막에 이르게 된다. 우리는 '고막'이라고 하는 아주 작은북의 가죽을 귀에 달고 있다. 공기 중의 소리가 이 막을 부르르 떨리게 하면, 그 뒤에 잇달아 붙어있는 세 개의 아주 작은 뼈들이 꼬마 망치처럼 부르르 떨고, 이것이 약 3.5cm 되는 길이의 달팽이 모양으로 약 두 바퀴 반 정도 돌돌 말린 관의 (고막보다 30배나 작은) 얇은 타원형 막을 진동시킨다. 이 막의 떨림으로 달팽이관 안에 있는 유동성 액체를 출렁이게 하여 소리를 감지하게 된다. 이는 지렛대의 원리로 떨림의 힘을 증폭시켜, 소리는 골목길처럼 생긴 귓구멍의 파이프 공명 효과로 약 10배 증폭, 작은 세 개의 지렛대 원리의 뼈들로 약 3배 증폭, 고막의 크기보다 약 30배 작은 달팽이관의 증폭 역할로 이론상 총 900배(10 x 3 x 30) 정도 증폭되어 전달된다. 달팽이관 안의 얇은 막 위에는 '털 세포'(hair cell: 약 100개의 편모들이 흔들림에 따라 그 끝의 K⁺ 이온 통로가 기계적으로 열리고 닫힘으로써 청각 신경의 시작을 담당한다.)라고 하는 작은 감지 세포가 주파수 영역에 따라 일렬로 배치(달팽이관의 큰 입구에 위치한 폭이 좁은 기저-막이 담당하는16kHz의 고주파 영역부터, 달팽이관의 협소한 끝에 위치한 폭이 넓은 막으로 갈수록 주파수 대역이 점점 낮아져 500Hz까지)되어 있는데, 이것이 달팽이관 안의 유동성 액체의 흔들림을 미세하게 감지하여 소리 정보를 뇌로 보내게 된다. 즉, 달팽이관을 죽 펼치면 그 안에 있는 얇은 막이, 소리의 강약에 따른 막의 진폭의 변화와 소리의 진동수에 따른 털세포의 반응을 위해, 끝으로 갈수록 폭이 점점 넓어지는 형태를 띠고 있다. 이는 인체의 기발한 구조로 소리의 떨림수(음파의 진동수)를 달팽이관의 신경 세포가 위치에 따라 구분할 수 있게 한 구조이다.

참새의 위치

한편, 우리가 보는 귀(外耳), 즉 귓바퀴는 무슨 일을 할까? 관상 볼 때도 쓰이지만, 소리를 내는 물체의 수직적인 위치를 파악하는 역할을 한다. 즉, 참새가 위에서 지저귀는지, 옆에서 지저귀는지, 아래에서 지저귀는 지를 귓바퀴에 부딪혀 들어오는 소리로 알 수 있다. 즉, 귓바퀴가 없으면 소리가 위에서 나는지 아래서 나는지 분간할 수가 없다. 그럼 수평적인 위치 정보는 어떻게 알까? 왼쪽 귀와 오른쪽 귀 사이인 우리 머리의 공간만큼 차이나는 음파의 위상 차이와 더욱 재미있게도 왼쪽 귀와 오른쪽 귀로 소리가 도달하는 시간의 차이로 그 물체의 수평적 위치를 알 수 있다. (물리적 개념인 '위상(phase)'의 의미를 쉽게 비유하자면 마치 밤하늘의 달에 비유할 수 있다. 우주에 있는 달의 본체는 그대로이지만 초승달, 반달, 보름달, 반달, 그믐달 식으로 모습이 시간에 따라 주기적으로 변화하며 달리 보이는 현상과 비슷하다. 즉, 에너지(달 자체)는 일정한데, 위상(달 모양)은 시간에 따라 일정 주기로 변화하며 보인다는 것이다. 이처럼 같은 에너지라도 시간에 따라 위상이 다르게 잡힌다. 소리도 일종의 에너지라 그 음파의 위상이 있다. 우리 머리의 공간은 약 20cm를 넘게 되는데, 소리 에너지 차원에서는 같은 소리가 왼쪽 귀와 오른쪽 귀에 도달할 때 위상 차이를 일으킬 수 있는 충분한 공간이다.)

또, (20~2,000Hz의 소리는) 소리가 양쪽 귀에 도달하는 시간의 차이로 수평적인 위치를 알 수 있다고 했는데, 이는 청각 신경이 뇌로 들어가는 뇌간의 연수 부분에 있는 '위-올리브(superior olive)'라는 곳에서 실제 일어나는, 저주파에서의 뉴우런들의 '위상 고정(phase lock)' 기능을 이용한, 단순하고 기계적이며 재미있는 현상이다. 쉽게 설명하자면 왼쪽부터 오른쪽으로 '1, 2, 3, 4, 5' 라는 소리 신경 세포 중앙 처리 장치가 있다고 하자. 왼쪽 귀에 소리가 접수되면 1부터 차례로 불이 들어오고, 오른쪽 귀에 소리가 접수되면 5부터 거꾸로 불이 들어온다고 하자. 이 조건에서 두 불이 같이 켜졌을 때 뇌는 그 수평적 위치를 인식하게 된다. 즉, 사물의 소리가 왼쪽에서 나게 되면, 당연히 왼쪽 귀는 오른쪽 귀보다 먼저 불을 1에서부터 켜게 된다. 그리고 아주 짧은 시간이지만 얼마 후에 오른쪽 귀에 소리가 도달해 5부터 불을 켜게 된다. 따라서, 소리가 왼쪽에서 났을 경우에 양쪽의 불이 동시에 켜질 가능성이 있는 곳은 4나 5일 것이다. 그리고, 마찬가지 방법으로 오른쪽에서 소리가 났을 경우는 그 반대로 1이나 2의 세포들 중에서 동시에 불이 켜질 것이다. 그리고, 정 중앙에서 소리가 양쪽 귀에 똑같이 접수됐다면, 3에서 불이 동시에 켜질 것이다. 우리의 뇌는 신기하고 놀랍게도 이 원리를 그대로 사용하여 사물의 수평적인 위치를 파악한다. 한편, 이 밖의 가청 영역인 2,000~20,000Hz 소리의 수평적 위치는 우리의 머리통(소리 에너지 전달의 장애물)으로 인한 소리의 굴절로 발생되는 소리의 강약 차로 구분한다. 정리하면, 저주파인 20~2,000Hz의 소리는 양쪽 귀에 도달하는 소리의 위상 차와 시간 차이로 소리를 내는 물체의 수평적인 위치를 가늠하며, 고주파인 2,000~20,000Hz의 소리는 양쪽 귀에 도달하는 소리의 강약 차이로 그 소리를 발생시키는 물체의 수평적 위치를 파악한다.

어지러움

덧붙여, 귀와 관련하여 어지러움에 대해 알아보자. 빙빙 돌면 어지러운 느낌이 드는데, 눈이 세상을 정신 없이 봤기 때문만 일까? 아니다. 회전의자에 앉아 눈을 감고 돌아도 어지러움을 느낀다. 이는 귓속의 고막 바로 뒤에 있는 고리 형태의 관에서 평형 감각을 느끼기 때문이다. 직각 좌표계를 이루는 이 반쪽 고리 관 안에는 물처럼 흔들리는 액체가 들어 있다. 즉, 빙빙 돌고 나서도 어지러움이 한동안 계속되는 이유는 컵 안의 물을 흔들었다가 놓아도 그 속의 물은 당분간 빙빙 도는 것과 같은 원리이다. 따라서, 돌긴 돌지만 어지러움을 안 느끼고 싶으면, 머리는 고정하고 몸만 재주껏 움직이면 된다. 얼굴은 가만히 있고 다리만 빙글빙글 돌면 전혀 어지럽지 않다. 어지러움의 감지기는 우리의 얼굴, 정확히 귓속에 있기 때문이다.