뇌는 군중 속에서 어떻게 얼굴을 알아볼까

때는 1996년 무렵, 늦은 저녁의 MIT 맥거번 연구소다. 낸시 캔위셔가 워크스테이션 앞에 앉아 한 피험자에게서 얻은 첫 분석 기능성 자기공명영상(fMRI) 스캔을 검토하고 있고, 조시 맥더멋과 마빈 천이 그 곁에 바짝 붙어 화면에서 빛나고 있는 렌더링된 피질 표면을 들여다본다. 우반구의 아랫면, 방추형이랑의 작은 한 조각, 대략 1제곱센티미터쯤 되는 그곳이 물체, 손, 집, 그리고 뒤섞은 얼굴 사진보다 얼굴 사진에 약 두 배 더 강하게 반응하며 환하게 켜진다. 신호가 어찌나 깨끗한지 여러 사람의 데이터를 평균 내지 않아도 눈에 보일 정도다. 단 하나의 뇌에서, 단 하나의 화면 위에서 바로 그곳에 그것이 있다.

이 논문은 이듬해 "방추형 얼굴 영역"이라는 제목으로 Journal of Neuroscience에 실리게 되고, 그 조각은 30년이 지난 지금까지도 이 분야에서 쓰이는 FFA라는 이름을 얻게 된다. 그 하나의 밝은 점이 이 글에서 다루려는 질문을 던진다. 당신의 눈으로 쏟아져 들어오는 시각 세계 전체에서, 뇌는 어떻게 얼굴을 골라내고, 그것을 당신이 평생 본 다른 모든 얼굴과 구별하며, 그것도 군중 속에서, 나쁜 조명 아래에서, 어색한 각도에서, 그 모든 일을 순식간에 해내는 것일까? 그 답은 알고 보니 피질 영역들로 이루어진 특정한 조립 라인, 얼굴 전용 탐지기 한 무리, 그리고 이 체계 전체가 무엇을 위한 것인지 드러내 주는 한 희귀 장애와 관련이 있다.

물체를 빚어내는 시각의 조립 라인

무엇이든 눈으로 알아보는 일은 뇌의 아랫부분을 따라 길게 이어지는 처리 사슬, 즉 복측 피질 시각 흐름에서 시작된다. 그것은 머리 맨 뒤쪽의 일차 시각 피질(V1)에서 출발해 앞쪽으로 V2와 V4 영역을 지나, 마지막으로 보통 IT로 줄여 부르는 하측두 피질로 들어간다. 이 경로의 각 정거장은 한 층씩 복잡성을 더해 가고, 그리하여 망막에 맺힌 빛과 어둠의 날것 그대로의 패턴이 점차 얼굴, 컵, 혹은 나무를 의미하는 무언가로 탈바꿈한다.

V1은 가장 기초적인 재료들, 즉 어떤 이미지든 이루는 국소적인 모서리와 방향성을 띤 명암 조각들을 다룬다. V2는 그 조각들을 가져다 더 복잡한 윤곽을 만들어 내는데, 여기에는 착시 윤곽(물리적으로는 모서리가 없는 곳에서도 당신이 지각하는 모서리)과 배경에서 형태를 분리해 내는 작업이 포함된다. V4는 형태 처리에 색에 대한 선택성을 결합한다. 신호가 하측두 피질에 다다를 무렵이면, 개별 뉴런들은 넓은 수용장을 갖고 복잡한 물체 전체에 반응하는데, 흔히 불변성이라 불리는 유용한 종류의 안정성을 동반한다. 불변성이란 물체가 위치를 옮기거나 크기를 바꾸어도 같은 뉴런이 계속해서 같은 물체에 반응하는 것을 뜻한다. IT는 뇌가 학습된 범주에 대한 선택성을 저장하는 곳이며, 측두엽 깊숙한 바로 이곳에 얼굴을 위한 기계 장치가 자리한다.

이런 분업은 결코 자명한 것이 아니었다. 이제는 고전이 된 1982년의 "두 개의 피질 시각 체계"라는 제목의 장에서, 미국 국립정신건강연구소에서 일하던 모티머 미슈킨과 레슬리 웅거라이더는 원숭이를 대상으로 한 선택적 병변 실험을 근거로, 시각이 V1을 넘어서 두 개의 평행한 흐름으로 갈라진다고 주장했다. V2, V4, IT를 거쳐 지나가는 복측 **무엇 흐름(what stream)**은 물체의 정체성, 즉 그것이 무엇인가를 담당한다. 이와 별개로 V2와 V5/MT를 거쳐 후두정 피질로 올라가는 배측 어디 흐름(where stream)은 공간적 위치를 담당하고 행동을 이끄는데, 즉 그것이 어디에 있고 어떻게 손을 뻗어야 하는가를 다룬다. 얼굴 인식은 두말할 것 없이 무엇 흐름의 일이다.

얼굴에 관심을 가졌던 최초의 뉴런들

살아 있는 사람의 뇌를 스캔할 수 있게 되기 훨씬 전에, 피질에 범주 전문가들이 들어 있다는 첫 번째 단서는 한 실험실과 깊은 회의적 반응 속에서 나왔다. 1960년대 후반부터 프린스턴에서 일하던 찰스 그로스는 마카크원숭이의 하측두 피질에 미세전극을 꽂아 개별 뉴런에서 하나씩 신호를 기록했다. 그 뉴런 가운데 일부는 손의 이미지와 얼굴의 이미지에 강하고도 구체적으로 반응하고, 다른 자극에는 거의 반응하지 않는다는 것을 그는 발견했다.

1970년대 초에 첫 논문들이 나왔을 때, 이 분야는 그것을 믿지 않았다. 적어도 그것을 어떻게 받아들여야 할지 알지 못했다. 당시 지배적인 가정은 피질에 얼굴처럼 그토록 구체적이고 고차원적인 무언가에 맞춰진 뉴런이 들어 있을 리 없다는 것이었고, 그처럼 놀라운 결과는 그것이 인공물일지 모른다는 의심을 불러왔다. 이 발견은 오직 천천히, 다른 실험실들이 그것을 재현하고 나서야, 그리고 결정적으로 인간에게서 그에 상응하는 부위를 국재화할 수 있는 영상 기술이 마침내 등장하고 나서야 정설로 자리 잡았다. 그로스가 옳았지만, 그 문제가 매듭지어지기까지는 한 세대와 새로운 기술이 필요했다.

두 배 더 밝게 켜진 그 조각

그 새로운 기술이 바로 기능성 MRI였고, 1990년대 중반 그 워크스테이션 앞에 캔위셔, 맥더멋, 천을 앉혀 놓은 것도 바로 그것이었다. 그들의 1997년 논문 "방추형 얼굴 영역: 얼굴 지각에 특화된 인간 선조외 피질의 한 모듈"은 우측 하방추형이랑의 대략 1제곱센티미터쯤 되는 한 조각이 다양한 종류의 통제 이미지보다 얼굴 사진에 약 두 배 더 강하게 반응한다고 보고했다. 이 효과는 사람이 바뀌어도 우반구 쪽에서 한결같이 나타났고, 방추형 얼굴 영역은 그렇게 인간의 뇌에서 가장 많이 연구된 단일 범주 선택적 영역이 되었다.

FFA는 홀로 떨어져 있지 않다. 복측 흐름의 근처에는 다른 부류의 것들에 맞춰진 다른 조각들이 있는데, 그중 가장 두드러진 것이 해마곁 장소 영역, 즉 PPA로, 이것은 얼굴보다 장면과 장소에 더 선호적으로 반응한다. 그래서 떠오른 그림은 만능 물체 인식기 하나가 아니라, 작은 전문가들의 군도(群島)였다. 각각의 섬은 특정한 범주의 자극을 선호적으로 처리하며, 모두가 같은 복측 경로 위에 올라타 있다. 얼굴은 그저 가장 두드러지고 가장 잘 규명된 섬일 뿐이다.

거의 10년 뒤, 마카크와 인간의 발견은 단일 세포 수준에서 하나로 꿰매어졌다. 도리스 차오와 빈리히 프라이발트는 하버드의 마거릿 리빙스톤과 함께 일하며, 먼저 깨어 있는 마카크에게 fMRI를 사용해 하측두 피질에서 별개의 얼굴 패치들을 찾아낸 다음, 각 패치에 텅스텐 미세전극을 꽂아 개별 뉴런에서 신호를 기록했다. Science에 실린 그들의 2006년 보고는 놀라운 무언가를 발견했는데, 얼굴 패치 안에서 그들이 기록한 거의 모든 뉴런이 얼굴 선택적이라는 것이었다. 이는 그로스의 발견을 크게 확대하고 조직화한 것으로, 더는 흩어진 세포들이 아니라 빽빽하게 모인 전용 군집이었다. 차오와 프라이발트 실험실의 이후 연구는 이 패치들을 가로지르는 위계를 기술했는데, 후방 패치들은 특정 각도에 묶인 채 시점 특이적인 방식으로 얼굴을 표상하고, 더 전방의 패치들은 시점 불변적인 정체성 표상, 즉 머리가 어느 쪽으로 돌아가 있든 같은 사람으로 알아보는 표상을 향해 쌓아 올라간다.

체계가 멈춰 설 때

뇌의 한 영역이 무슨 일을 하는지 알아내는 가장 강력한 방법 중 하나는 그것이 작동을 멈출 때 어떤 일이 벌어지는지 연구하는 것이고, 얼굴 인식의 경우 그 임상적 징후에는 이름과 긴 역사가 있다. 1947년, 튀빙겐 신경과 클리닉의 독일 신경과 의사 요아힘 보다머는 뇌의 후두측두 영역이 손상된 뒤 얼굴을 알아보는 능력을 잃은 세 환자의 증례 보고를 발표했다. 그는 얼굴을 뜻하는 그리스어 prosopon과 알지-못함을 뜻하는 agnosia에서 따와 **안면실인증(prosopagnosia)**이라는 용어를 만들었으니, 곧 얼굴을 알지 못함이다.

이 증례들을 그토록 중요하게 만든 것은 그 선택성이었다. 환자들은 여전히 완벽하게 잘 볼 수 있었고, 여전히 물체를 알아볼 수 있었으며, 흔히 목소리나 걸음걸이, 혹은 특징적인 모자로 사람을 알아보기도 했지만, 정체성으로 가는 통로로서의 얼굴 그 자체는 그저 쓸 수 없었다. 익숙한 얼굴은, 심지어 배우자의 얼굴조차도, 얼굴로는 등록되었으나 누군가 특정한 사람으로는 등록되지 않았다. 이는 나머지 시각은 멀쩡하게 유지된 채 얼굴 인식만이 따로 무너질 수 있다는 첫 번째 임상적 증거였고, 이것이야말로 뇌가 얼굴을 다른 여느 물체처럼 다루지 않고 얼굴을 위한 특수 목적의 기계 장치를 따로 마련해 두었다면 바로 예상할 법한 결과다.

안면실인증에는 두 가지 형태가 있다. 후천성 형태는 우측 방추형이랑과 그 주변의 하후두측두 피질이 손상된 뒤, 대개 뇌졸중, 두부 외상, 또는 조직의 외과적 절제 이후에 뒤따르며, 비교적 드물다. 발달성 형태는 이와 다른데, 정상적인 시력, 정상적인 지능, 그리고 검출 가능한 뇌 병변이 없는 사람에게서 평생에 걸쳐 얼굴을 알아보는 데 어려움을 겪는 것이다. 이는 대부분의 사람이 짐작하는 것보다 훨씬 흔해서, 유병률이 전체 인구의 약 2퍼센트로 추정되는데, 이는 곧 당신이 아는 누군가가 남몰래 얼굴 때문에 애를 먹으면서 그저 그것을 메우는 법을 익혀 왔을 가능성이 높다는 뜻이다. 브래드 듀셴과 켄 나카야마는 2000년대에 이 발달성 형태에 대한 진단 기준을 체계화하여, 연구자들에게 그것을 신뢰할 만하게 식별하고 연구할 방법을 마련해 주었다.

얼굴에서 이름까지, 그 단계들의 지도

신경과학은 그 기계 장치가 어디에 자리하는지 알려 주지만, 심리학은 얼굴을 보는 것에서 그것이 누구의 얼굴인지 아는 것 사이에 마음이 거치는 단계들에 대한 보완적인 지도를 제공한다. 그 표준적인 뼈대는 비키 브루스와 앤디 영에게서 나왔는데, British Journal of Psychology에 실린 그들의 1986년 논문 "얼굴 인식의 이해"는 지금까지도 이 분야를 조직하는 일련의 인지 단계를 제안했다.

그들의 모형에서 인식은 구조적 부호화로 시작되는데, 이는 당신이 바라보고 있는 얼굴에 대한, 특정한 각도와 조명에서 추상화된 시점 독립적 기술(記述)을 구축하는 일이다. 그런 다음 그 기술은 얼굴 인식 단위들, 즉 익숙한 각 얼굴에 대해 저장된 본보기들과 대조되어, 당신이 이 사람을 전에 본 적이 있는지 판단한다. 일치하는 것이 발견되면, 인물 정체성 마디들이 알아본 그 얼굴을 그 개인에 관해 당신이 아는 모든 것, 즉 그의 직업, 당신이 그를 만난 곳, 그가 당신에게 돈을 빚지고 있다는 사실과 연결한다. 오직 마지막 단계에 이르러서야 이름 인출이 실제 이름을 읽어 낸다. 이 단계적 구조는 일상에서 겪는 답답한 경험 하나를 깔끔하게 설명해 준다. 곧 어떤 얼굴을 알아보고 그 사람이 정확히 누구인지 떠올리면서도 그의 이름은 도무지 불러내지 못하는 순간이다. 브루스와 영의 모형에서 그것은 마지막 단계에서의 깔끔한 고장, 즉 정체성은 되찾았으나 이름 단계가 발화하지 못한 것이다.

얼굴 영역은 얼굴을 위해 만들어졌나, 전문성을 위해 만들어졌나

좋은 과학적 발견은 좋은 논쟁을 낳는데, FFA는 1997년 논문이 떨어진 이래 줄곧 이어져 온 논쟁 하나를 만들어 냈다. 그 질문은 보기보다 단순하다. 방추형 얼굴 영역은 정말로 얼굴 모듈인가, 아니면 그저 얼굴에 아주 능숙해진 영역일 뿐인가? 얼굴이야말로 우리 모두가 가장 많이 연습하는 대상이기 때문에 말이다.

캔위셔와 그 동료들이 옹호하는 모듈성 설명은 FFA가 얼굴 특이적 피질 모듈, 곧 얼굴이라는 특정 자극 부류에 대해 진화적으로 혹은 경험에 의해 빚어진 특화의 산물이라고 본다. 이 관점에서 얼굴은 특별하며, 뇌는 전용 하드웨어로 얼굴을 그렇게 특별히 다룬다. 이에 맞서는 전문성 설명은 밴더빌트의 이저벨 고티에와 동료들이 옹호하는데, 대신 FFA는 당신이 전문가가 될 만큼 충분히 연습한 어떤 범주 안에서든 정밀한 구별, 즉 거의 똑같이 생긴 하나를 또 다른 하나와 가려내는 일에 특화되어 있다고 제안한다. 이 관점에서 얼굴은 그저 보편적인 전문성, 곧 시력 있는 모든 사람이 갓난아기 때부터 집중적으로 연습하는 단 하나의 범주이며, 그래서 이 영역이 얼굴 선택적으로 보이는 까닭은 얼굴이 모든 이가 통달해 온 구별 문제이기 때문이다. 이 논쟁은 깔끔하게 매듭지어지지 않았고, 정직한 입장은 두 설명 모두가, 한편으로는 한결같이 얼굴을 선호하면서 다른 한편으로는 분명히 경험에 의해 빚어진 한 영역에 관해 무언가 실재하는 것을 포착하고 있다는 것이다. 그 진짜이며 여전히 진행 중인 긴장 자체가, FFA가 종결된 사안이 아니라 살아 있는 연구 문제로 남아 있다는 징표다.

핵심 요점

얼굴을 알아보는 일은 복측 무엇 흐름에 기댄다. 이는 일차 시각 피질(V1)에서 시작해 V2, V4를 거쳐 하측두 피질로 이어지는 처리 사슬로, 각 단계가 복잡성을 더해 가다가 마침내 물체 전체와 학습된 범주가 표상되기에 이른다. 미슈킨과 웅거라이더는 1982년에 이 무엇 흐름을 배측 어디 흐름과 구별해 냈다. 찰스 그로스는 1970년대 초에 마카크 하측두 피질에서 최초의 얼굴 선택적 뉴런을 기록했으나 회의적인 반응을 마주했는데, 이 발견은 1997년 캔위셔, 맥더멋, 천이 fMRI로 인간의 방추형 얼굴 영역, 곧 다른 이미지보다 얼굴에 대략 두 배 더 강하게 발화하는 우반구의 한 조각을 국재화했을 때 입증되었고, 다시 2006년 차오와 프라이발트가 마카크 얼굴 패치 안의 거의 모든 뉴런이 얼굴 선택적이며 시점 특이적인 것에서 시점 불변적인 정체성으로 이어지는 위계를 갖는다는 것을 보였을 때 또 한 번 입증되었다. 보다머가 1947년에 이름 붙였고 드문 후천성 형태와 약 2퍼센트의 사람에게 영향을 미치는 발달성 형태로 갈라지는 안면실인증은, 나머지 시각이 살아남은 채 얼굴 인식만 무너질 수 있음을 입증하며, 1986년의 브루스와 영 모형은 구조적 부호화에서 이름 인출에 이르는 인지 단계들을 지도로 그려 낸다. 한편 캔위셔의 모듈성 설명과 고티에의 전문성 설명 사이의 해결되지 않은 논쟁은 이 영역이 왜 존재하는가라는 질문을 진정으로 열린 채로 남겨 둔다.