초파리 도피 회로, 게임 속 초파리는 어떻게 피하나

다가오는 것을 보는 뉴런

물체가 곧장 다가오면 눈에 비친 크기가 점점 빨리 커집니다. 이것을 루밍(looming)이라고 부릅니다. 초파리 시각계에는 이런 확대에 반응하는 뉴런 종류가 있고, 대표가 LPLC2 와 LC4 입니다.

LPLC2 는 사방으로 퍼지는 움직임에 골라 반응하는 뉴런으로 보고됐습니다(Klapoetke et al. 2017, Nature). Ache et al. 2019(Current Biology)는 LPLC2 가 주로 물체의 겉보기 크기를, LC4 가 커지는 빠르기를 전하고 둘이 함께 거대섬유로 모인다고 보고했습니다.

이 게임에서 쓰는 hemibrain 자료에는 LPLC2 85개, LC4 71개가 실려 있고, 게임은 그 전부를 입력 뉴런으로 씁니다.

거대섬유와 점프

거대섬유(Giant Fiber, 하강뉴런 이름으로는 DNp01)는 뇌에서 복부신경삭까지 내려가는 굵은 뉴런입니다. 한 번 발화하면 가운데 다리를 펴는 운동뉴런(TTMn)을 거쳐 몸을 튕겨 올립니다.

von Reyn et al. 2014(Nature Neuroscience)는 거대섬유가 발화하는지와 그 시점이 짧고 빠른 이륙과 길고 안정된 이륙 가운데 무엇이 나올지를 가른다고 보고했습니다. Card and Dickinson 2008(Current Biology)은 초파리가 이륙 전에 자세를 고쳐 자극 반대쪽으로 뛰어오른다고 보고했습니다.

우리가 쓴 MANC 자료에서도 거대섬유에서 TTMn 으로 가는 시냅스는 오른쪽 146개, 왼쪽 135개로, 한 뉴런이 한 운동뉴런에 주는 연결로는 두텁습니다.

이 게임이 자료에서 뽑은 것

뇌 쪽은 hemibrain v1.2 에서 입력 뉴런(LPLC2, LC4) 156개, 하강뉴런 9개(거대섬유, DNp02, DNp03, DNp04, DNp05, DNp06, DNp11, DNa01, DNa02), 그리고 입력에서 10개 이상 받고 하강뉴런에 10개 이상 주는 중간 뉴런 121개를 골랐습니다. 한쪽 뇌에 286개입니다.

복부신경삭 쪽은 MANC v1.0 에서 같은 이름의 하강뉴런 9개를 찾고, 그 9개에서 시냅스 50개 이상을 받는 뉴런 가운데 많이 받는 순서로 120개를 골랐습니다. TTMn 은 이 안에 들어 있습니다.

둘을 합치면 왼쪽과 오른쪽 406개씩, 뉴런 812개, 연결 11,443개, 시냅스 204,286개입니다. 연결은 시냅스 3개 이상인 것만 실었습니다. 뽑는 스크립트와 기준은 저장소에 그대로 있습니다.

뉴런은 이렇게 돕니다

뉴런 하나하나는 누설 적분 발화 모델입니다. 들어온 신호로 막전위가 오르다가 문턱을 넘으면 발화하고 다시 쉼 전위로 돌아갑니다. 쉼 전위 -52mV, 문턱 -45mV, 막 시간 20ms, 시냅스 하나당 0.275mV 같은 값은 Shiu et al. 2024(Nature)의 공개 모델 값을 그대로 썼습니다.

0.5ms 씩 한 걸음 가고, 게임 한 걸음(20ms)마다 40걸음을 돌립니다. 화면은 초당 60번 그려도 신경 모델은 그와 떨어진 고정된 박자로 돕니다.

시냅스가 흥분인지 억제인지는 MANC 쪽은 자료가 예측한 신경전달물질로 정했습니다(아세틸콜린은 흥분, GABA 와 글루탐산은 억제). hemibrain 공개 파일에는 이 값이 없어 뇌 쪽은 모두 흥분으로 두었습니다. 그대로 두면 중간 뉴런끼리 서로 켜 주며 자극이 끝나도 꺼지지 않아서, 뇌 쪽은 입력에서 하강뉴런으로 가는 방향의 연결만 남겼습니다.

게임과 뉴런을 잇는 대응표

아래 연결은 자료에 없는 것이고 저희가 게임을 위해 정했습니다.

진짜 초파리와 다른 점

실제 초파리 뇌에는 뉴런이 약 13만 9천 개 있습니다(Dorkenwald et al. 2024, Nature). 이 게임은 그 가운데 도피에 관련된 좁은 길만 옮겼고, 무엇을 먹을지, 어디로 갈지 같은 판단은 들어 있지 않습니다.

무기는 초파리 회로와 상관없이 게임 규칙대로 스스로 쏩니다. 점프한 뒤 다시 뛸 수 있을 때까지의 틈, 점프 거리 같은 몸의 움직임도 게임 규칙입니다.

그래서 이 초파리를 진짜 초파리 뇌로 조종한다고 말하지 않습니다. 말할 수 있는 것은 하나입니다. 파리채가 다가올 때 뛰는지 안 뛰는지는 실제 연결 수를 가진 뉴런들이 정한다는 것.

회로가 판에서 하는 일

창립 날 같은 판을 사람 없이 40번씩 돌려 쟀습니다. 신경 몫 60%에 무기를 잘 고르는 규칙으로 돌리면 가운데 값이 4분 45초, 6분을 버틴 판이 20%였습니다.

같은 조건에서 점프만 끄면 가운데 값이 2분 19초로 줄고 6분을 버틴 판은 없었습니다. 파리채를 피하는 것은 거의 전부 이 점프입니다.

무기를 아무렇게나 고르면 가운데 값이 3분 34초였습니다. 몸놀림은 회로가 해도 판을 가르는 것은 고르는 쪽이라는 뜻입니다.