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- 모두가 동시에 이야기하는 사람들 사이에 서 있더라도 우리는 한 사람과 대화할 수 있다.
- 우리의 뇌가 우리가 집중하는 소리를 훨씬 더 일찍, 청각 경로의 더 이른 단계에서 인지
- 특정 소리의 청각 신호를 매우 빠르게 증폭. 이 과정은 단 5밀리초 만에 뇌간에서 감지

우리가 파티 소음을 차단하는 데 뛰어난 이유
우리의 청각은 단 5ms(밀리초) 만에 소리를 선택한다.

청각의 생물학:
배경 소음 속에서 특정 소리에 의식적으로 집중하면 뇌는 이 특정 소리의 청각 신호를 매우 빠르게 증폭시킨다. 이 과정은 단 5밀리초 만에 뇌간에서 감지될 수 있다. 이것은 뇌의 "선택적 청각"이 이전에 생각했던 것보다 훨씬 일찍 시작되며, 피질뿐만 아니라 청각 경로의 상류 영역에서도 발생한다는 것을 의미한다. 

▲ 우리가 의식적으로 귀를 기울이면, 단 몇 밀리초 만에 우리 뇌에 그 사실이 드러난다. pixabay

모두가 동시에 이야기하는 사람들 사이에 서 있더라도 우리는 한 사람과 대화할 수 있다. 이는 우리 뇌의 청각 시스템이 특정 음향 신호에 집중하고 다른 소리는 차단할 수 있기 때문이다. 그러나 이른바 칵테일 파티 효과가 정확히 어떻게 작동하는지는 수십 년 동안 미스터리였다.

자를란트 대학교의 다니엘 슈트라우스가 이끄는 연구팀은 이 문제를 연구했다. 신경과학자들은 "선택적 청각 주의" 효과가 뇌에서 나타나는 데 걸리는 시간을 구체적으로 조사했다. 그들은 또한 달팽이관이 소리를 전기 신호로 변환한 후 청각 경로의 신경을 따라 신호 처리 과정에서 어떤 일이 일어나는지 알고 싶었다.

가변 주파수의 새소리

스트라우스와 그의 동료들은 실험을 위해 마야인들에게 이미 익숙했고 오늘날에도 고대 마야 유적지인 치첸이트사에서 여전히 생성되는 소리를 사용했다. 대피라미드 앞에서 손뼉을 치면 건물이 소리를 반사한다. 하지만 다른 주파수로 반사되기 때문에 메아리 소리는 박수 소리와는 달리, 콜럼버스 이전 시대의 여러 문화에서 중요한 역할을 했던 케찰 새의 울음소리와 유사하다. 연구진은 이러한 가변 주파수 소리를 '지저귐 소리'라고 부른다.

▲ 연구 개요(출처:Unraveling the effects of selective auditory attention in ERPs: From the brainstem to the cortex / NeuroImage Volume 316, 1 August 2025, 121295)

스트라우스는 "시간이 지남에 따라 주파수가 증가하거나 감소하는 특성을 가진 지저귐 소리는 달팽이관 전체를 동시에 자극한다. 따라서 뇌간에서 피질까지 청각 경로의 전체 신호 처리를 해독하는 데 이상적이다"고 설명했다.

마야 소리를 이용한 청력 검사

연구진은 31명의 피험자에게 한쪽 귀에는 헤드폰을 통해 100~9,800Hz(헤르츠) 사이의 주파수 변조된 "짹짹" 소리를, 다른 쪽 귀에는 800Hz의 삐 소리를 배경 소음으로 들려주었다. 피험자들에게는 인공적인 새소리와 함께 더 조용한 신호음에 집중하라는 과제가 주어졌다.

한편, 연구진은 피험자들의 뇌 활동을 관찰했다. 이를 위해 먼저 귀 뒤쪽 두피와 정수리에 세 개의 전극을 부착하고, 머리에 128개의 전극이 달린 모자를 착용했다. 이렇게 수집된 EEG 데이터에서 신경과학자들은 인간의 뇌가 특정 소리와 다른 중첩된 소음을 언제 어떻게 분리하기 시작하는지에 대한 단서를 찾았다.

주의 집중은 단 5밀리초 만에 분명해져

결과:
지속적인 저주파 삐 소리는 눈에 띄는 뇌 활동을 유발하지 않았다. 이와 대조적으로, 새소리 속의 작은 소리에 의해 증폭된 전기 신호는 진화적으로 매우 오래된 뇌간 부분인 하구(inferior colliculus)에서 단 5밀리초 만에 측정되었다. 이후, EEG 데이터에서 알 수 있듯이 청각 경로의 다른 부분에서도 눈에 띄는 전기 신호가 피질까지 이어졌다.

스트라우스는 "소리에 대한 신경 반응으로 두피에 비교적 쉽게 기록할 수 있는 인간 뇌의 전기 활동조차도 단 5밀리초 만에 주의력에 의해 명확하게 조절된다"고 보고했다. 이전 연구에서는 삐 소리에 대한 반응으로 약 50~100밀리초 후에 청각 피질의 일부에서 전기 신호를 측정할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 그러나 새로운 데이터는 우리의 뇌가 우리가 집중하는 소리를 훨씬 더 일찍, 청각 경로의 더 이른 단계에서 인지한다는 것을 보여준다. 따라서 선택적 청력은 이전에 생각했던 것보다 더 일찍 시작된다.

▲ 대수 시간 기준으로 톤(위)과 짹짹(아래)에 의해 유발된 정점 ERP의 전체 평균(참가자 N 31명) 광대역(–) 파형. 색상이 있는 배경은 참가자의 조건별 표준 오차를 나타내며, 회색 영역은 조건 간 유의미한 차이가 있는 기간을 강조한다. (출처:Unraveling the effects of selective auditory attention in ERPs: From the brainstem to the cortex / NeuroImage Volume 316, 1 August 2025, 121295)

청취는 뇌의 동기화를 보장

또한 측정 결과, 사람이 지저귐 소리에 의식적으로 주의를 기울이고 적극적으로 경청할 때, 수동적인 경청에 비해 뇌가 더 정확하고 훨씬 더 일관된 신경 반응을 보인다는 사실이 밝혀졌다. 스트라우스는 "이러한 동기화는 일상생활에서 관련 소리를 처리하는 데 매우 중요하며, 이러한 '주의 반응'이 신경 경로를 따라 어떻게 발생하는지 설명한다"고 말했다.

"저희 연구 결과는 주의가 단순히 뇌의 상위 영역에서만 작용하는 것이 아니라, 말과 같이 예측 가능한 내용이 없는 소리 시퀀스에서도 뇌에서 소리를 처음 처리하는 동안 신경 경로의 매핑을 정교하게 만든다는 것을 보여준다"고 신경과학자는 설명했다. 이는 우리가 파티에서 누군가의 말을 적극적으로 듣고 온전히 주의를 기울일 때만 그 내용을 이해하는 이유를 설명했다.

새로운 보청기?

이러한 지식을 바탕으로 향후 새로운 유형의 보청기나 이어버드가 개발될 가능성이 있다. 이러한 보청기나 이어버드는 두피의 전기적 활동을 이용하여 뇌 활동과 착용자의 감지 가능한 주의력을 추론할 수 있다. 이 장치는 이 정보를 사용하여 착용자가 무엇에 집중하고 무엇을 듣고 싶어 하는지 파악하고, 그에 따라 소리 신호를 증폭할 수 있다. 연구진은 먼저 관찰된 효과가 말과 같은 다른 소리 신호에도 나타나는지 확인하기 위한 후속 연구를 진행하려고 한다.
(NeuroImage, 2025; doi: 10.1016/j.neuroimage.2025.121295)
출처: Universität des Saarlandes / 자를란트 대학교

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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