감각의구조

감각의 과학
친구의 손길, 옷 섬유의 다양한 질감, 골프클럽과 야구방망이를 휘두를 때 느껴지는
힘을 생각해보자.
사람은 놀라울 정도로 복잡한 감각 체계, 신경 경로, 물리적 환경, 물리적 환경 안에 서 우리에게 작용하는 외부의 힘, 그리고 우리 몸의 위치, 방향, 운동에 관한 정보 수 천 건을 매초 감지, 전달, 처리하는 뇌 영역을 갖추고 있기에 이런 감각을 느낄 수 있 다. 이 모든 것을 합쳐서 몸의 감각 체계라고 하는데, 이 책의 주제에 특히 관련이 있 는 것은 두 가지 하위 시스템이다. 첫 번째는 외부의 압력, 진동, 펄럭거림, 질감, 피부 가 늘어나는 것을 포함한 기계적 자극을 감지하고 인지하는 능력이다. 이를 촉각tactile sense이라고 한다. 두 번째는 운동 감각이라고 하는데, 관절 각도와 근육, 힘줄에서 가 해지는 긴장 등의 힘을 감지하고 인지하게 해준다. 이 두 가지 감각을 결합해서 일반 적으로 햅틱haptics이라고 한다.

햅틱이라는 용어의 사용은 가상 현실, 로봇공학, 의료계에서 상당한 혼란과 엄청난 논쟁을 불러일으켰 다. '미투(me too)' 현상으로 인해 이 용어의 적절한 사용에 상당한 불일치가 발생했기 때문이다. 햅틱 은 촉각과 운동 감각 모두를 가리키는 걸까, 아니면 촉각/포스 피드백 기기처럼 점차 입지를 굳혀가고 있는 이런 감각의 기계적 자극을 제공하는 인간과 기계의 인터페이스 부류를 가리키는가? 명확히 하기 위해 이 책에서는 이 용어를 되도록 피하고, 생리학에 대해서만 사용할 것이다.

촉각과 포스 피드백 기술을 가상 및 증강 현실 시스템에서 구현할 때의 난제를 이해하는 데 중요하기 때문에 체계를 본다.
그럼 먼저 이런 감각 대부분이 일어나는 우리 몸의 부분, 즉 피부부터 살펴보자.

피부의 해부학과 구조
피부는 촉각을 담당하는 감각 기관이며, 임신 기간 동안 발달하면서 자극에 반응하는 다섯 가지 주요 감각 중 첫번째[허스(Huss) 1977] 사실 사람의 태아는 발달 후 8주 정
도가 지나면 촉각에 반응한다[란탈라(Rantala) 2013].
중간 크기의 장기인 피부는 약 1.6~1.9평방미터를 덮고 있으며린츨러(Rinzler) 2009], 전 체 체중에서 약 15%를 차지한다[카니타키스(Kanitakis) 2001]. 일반적으로 피부에는 털로 덮인 부분과 자연적으로 매끈한 두 가지 종류가 있는데, 둘 다 보호, 조절, 감각 세 가 지에 속하는 눈에 띄게 복잡한 기능이 있다.

보호: 외부 환경과 내부생리작용이 맞닿는 부분에 위치한 피부는 기계적 충격과 압 력(셈불린검(Sembulingam)과 셈불린검 2002], 위험한 자외선UV[브레너(Brenner)와 히어링(Hearing) 2008], 생물학적 병원균[네슬레(Nestle) 등 2009] 같은 다양한 위협을 방어하는 장벽 역할
을 한다.

조절: 피부는 혈관의 수축과 확장(차쿠디안(Charkoudian) 2003], 수분 분비와 증발을 통한 체온 조절과 안정화에 중요한 역할을 한다.

감각 : 물리적 환경과 주로 맞닿는 피부에는 환경의 변화를 감지하고, 접촉하는 물리적 세계의 속성을 느끼는 감각도 발생시키기 위한 특수한 신경 세포의 광범위한 네트워 크가 있다. 이 신경 세포로 우리는 증강 및 가상 현실 시뮬레이션을 내비게이션하고 조작하는 데 사용하는 진동 컨트롤러 등의 기기가 제공하는 촉각과 포스 피드백 단서 를 감지할 수 있다.

피부층
그림 9.1의 묘사처럼 사람의 피부는 두 개의 주요층으로 구성되는데, 각각 두께와 기 능이 다양하다. 위의 가장 바깥층은 상피라고 한다(그리스어 epi는 '상부'라는 의미며, derma는 '피부'라는 의미다)[옥스포드 2015]. 이 층은 신체내의 생리작용과 외부 환경을 구분하는 물리적, 화학적 장벽 역할을 한다[매디슨(Madison) 2003; 덴다(Denda) 2000]. 구조 를 동적으로 바꿀 수 있는 상피는 대략 45일마다 재생되며, 빽빽하게 채워진 비늘 같 은 세포로 구성된다. 상피는 눈꺼풀이 가장 얇고(0.05mm), 손바닥과 발바닥이 가장 두껍다(1.5mm)[NIH, 2006].

두 번째 층은 진피층이라고 하는데, 상피를 지지하며 피부 두께의 약 80%를 차지한 다. 진피층은 주로 모낭, 분비선, 혈관, 신경, 감각 수용 기관이 있는 결합 조직(콜라 겐으로 구성된다. 이 콜라겐이 피부에 탄력을 주며, 몸에서는 구조적으로 쿠션 역할을 한다[바운들리스(Boundless) 2015]. 위치에 따라 두께도 다른(1.5~4mm) 진피층에는 매 우 혈관이 많아, 모두 합치면 17km를 넘는다자블론스키(Jablonski) 2013]. 이 정맥망은 피 부에 산소와 양분을 공급하며, 피부의 치유와 체온 조절 과정에서 중요한 역할을
한다.

그림 9.1 두 개의 주요 층과 그 밑에서 숨은 에너지 보유고 역할을 하며 지방을 축적하고 저장하는 데 특화된 세포의 지지 구조를 상세하게 보여주는 사람의 피부 단면
출처: 이미지 gunitaⓒ 123RF.com

세 번째로 가장 안쪽 층(기술적으로는 피부의 일부로 간주하지 않음)은 하피, 혹은 피하 조직이라고 한다. 이 층은 주로 지방을 축적하고 저장하는 데 특화된 세포로 구성된 다. 피하 조직은 진피층을 근육과 뼈에 붙이고 신경과 혈관을 진피층에 공급하는 역 할도 한다. 여러 감각 수용 기관도 이 층에 있다.

촉각의 인지
촉감은 능동적 접촉을 통해서나내슨(Gibson) 1962] 친구와의 접촉, 비행 시뮬레이터에 서 사용하는 베이스 키커bass kicker로부터 나오는 저주파 톤, 불꽃에서 나오는 열기 등 몸에 가해지는 외력에서 경험하는 자극과 물리적 접촉으로 촉발되는 특화된 피부 수 용기관(피부 내에 있음)이 만들어내는 감각 정보에서 출발한다.
눈과 귀에 있는 감각수용기와 비슷하게 피부의 수용기도 효과적으로 기계적 자극, 온도에너지 등 에너지를 전기신호(신경충동)로 변환하므로 변환기로 간주할 수 있 다. 촉감에 관여하는 수용 기관의 유형은 주로 세 범주로 구분된다. 통각수용기 (고통 을 만드는 자극을 감지), 온도 수용기 (온도 관련 자극 감지), 그리고 이 책의 주제와 가장 연관된 기계적 자극 수용기(기계적 자극, 물리적 상호작용 감지)다.

기계적 감각수용기
그림 9.2처럼 사람의 피부에는 특히 주변과의 물리적 상호작용에서 나온 다양한 기 계적 자극에 반응하는 네 가지 주요 수용기인 메이스너 소체, 메르켈 디스크, 파시니 안 소체, 루피니 말단이 있다. 기계적 자극 수용기라고 하는 이 센서들은 촉각, 압력, 진동, 피부 긴장의 정보를 신경계로 보낸다[퍼브즈(Purves) 등 2001]. 넷 모두 낮은 역치의 (매우 민감한) 수용기로도 분류되는데, 각각 약한 기계적 자극에 반응하기 때문이다.

모든 기계적 자극 수용기는 기본적으로 같은 방식으로 기능한다.
1. 외부의 자극이나 힘이 피부 표면에 작용한다.
2. 기계적 자극 수용기를 자극하면 힘은 피부 더 깊이 전달된다.
3. 기계적 자극 수용기는 행동 잠재력(전기적 충격)을 발생시킨다.
4. 행동 잠재력은 중앙 신경계에 구심성 신경을 따라 전달돼 무의식적 인지나 행
동 반응, 혹은 둘 모두를 일으킨게프니(Geffeney)와 굿맨(Goodman) 2012].

기계적 자극 수용기의 분류
이제 기계적 자극 수용기의 네 가지 유형을 적응률과 수용 영역의 크기라는 두 가지 기준으로 나눠 살펴보자.

적응률
기계적 자극 수용기는 사람 몸의 다른 감각수용기와 마찬가지로 적응이라고 알려진 흥미로운 특성이 있다. 자극이 피부에 작용하면, 적절한 기계적 자극 수용기가 구심 신경(수용기나 감각 기관에서 나온 자극을 중앙 신경계에 전달하는 신경)을 따라 일련의 초기 자극을 발동해 반응하며, 외부의 자극이나 환경의 변화를 알린다. 자극이나 조 직의 이동이 강할수록 신경 반응의 주파수도 더 커진다[니베스톨(Knibestol) 1973]. 이 반응 은 압력과 함께 로그 함수의 형태로 증가한다는 것이 입증됐다[무니악(Muniak) 등 2007]. 수용기가 얼마나 빨리 적응하거나 수동적 상태로 돌아가는지는 그 종류에 따라 다르 다. 느리고 빠르게 적응하는 기계적 자극 수용기 뒤에 숨은 기본 개념은 그림 9.3과 같다.

그림 9.3 감각 적응의 기본 개념과 지속적 자극에 대해 기계적 자극 수용기의 반응성이 보이는 장기적 변화를 묘사한 그림. 느리게 적응하는 수용기는 자극이 존재하는 한 계속해서 발동된다. 빠르게 적응하는 수용기는 초기에는 빨리 반 응하지만 자극이 계속되면 발동을 중단하고, 자극이 제거되면 이를 알리기 위해 다시 발동된다.1 출처: S. 옥스타칼니스 일러스트레이션

느리게 적응하는 수용기(메르켈 디스크, 루피니 말단)는 SA라고도 하는데, 최초와 지 속적 압력, 가장자리와 강도, 그리고 피부 긴장(피부 늘어남)을 포함해 접촉력에 최적 화돼 반응한다[퍼브스 등 2001]. 책을 옆으로 들고 떨어뜨리지 않을 수 있는 것은 느리 게 적응하는 수용기가 반응하는 직접적 결과다. 손에 들고 있는 동안 우리는 문자 그 대로 책의 질량, 무게, 형태, 가장자리를 계속 인식한다. 이 인지는 지속적 감각 정보 의 흐름을 중앙 신경계에 전달하는 느리게 적응하는 기계적 자극 수용기에서 나온다. 빠르게 반응하는 수용기 (메이스너 소체, 파시니안 소체)는 RA라고도 하는데, 진동과 질 감의 변화 등 빠르게 변하는 자극에 최적으로 반응한다. 빠르게 적응하는 수용기 역 시 최초 접촉과 동작에 반응하지만, 지속적 압력에는 반응하지 않는다[탤보트(Talbot) 등 1968]. 물렁한 복숭아의 느낌과 콘크리트 표면을 구별할 수 있는 능력은 빠르게 적응하는 수용기에서 온다. 게임 컨트롤러와 스마트폰에서 찾을 수 있는 진동 촉감 디스플레이도 이 능력에 의존한다.

자극을 기준으로 보면 느리고 빠르게 적응하는 다양한 기계적 자극 수용기의 발동에 는 여러 가지가 있는데, 자세히 들어가면 이장의 범위와 의도를 벗어난다. 이 주제에 대한 추가 정보는 [요한슨(Johansson)과 발보(Vallbo) 1979, 1983, 2014], [발보와 요한슨 1984], [버지스(Burgess) 2012], [마티니(Martini) 등 2013], [하오(Hao) 등 2015]을 참고하자.]

출처: S. 옥스타칼니스 일러스트레이션

수용 영역과 기계적 자극 수용기의 분포
그림 9.4의 묘사처럼, 손이나 다른 곳의 피부 표면에서 기계적 자극 수용기의 수용 영역을 적절히 자극하면 개별 수용기의 반응을 촉발하게 된다. 수용 영역의 크기는 1~2mm에서부터 손가락과 손바닥의 상당 부분까지, 수용기의 종류와 위치에 따라 다양하다[코트럼(Kortum) 2008; 요한슨과 발보 1979]. 수용 영역이 가장 작은 수용기 (메르켈 디스크, 메이스너 소체)는 가장 밀도가 높으며 피부 표면에 가장 가까운 상피에 있다. 반면 가장 수용 영역이 큰 수용기(루피니 말단, 파시니안 소체)는 수가 더 적고, 피부 깊숙한 진피층과 피하층에 있다.

수용 영역의 이런 층과 중첩은 부엌 싱크대에서 커다란 수박을 들어 올리는 것부터 바늘에 실을 꿰거나 눈에 콘택트렌즈를 끼는 섬세한 일까지 온갖 수작업의 수행 능력 에서 중요한 역할을 한다.

그림 9.4 적절히 자극할 때 중첩하는 수용 영역의 피부 수용기는 중앙 신경계에 신호를 전달하는 구심 신경에서 행동
을 일으키도록 만든다.
출처: 손 이미지 julenochek ⓒ 123RF.com

수용기 분포와 공간 해상도
한 손의 털이 없는 피부에는 약 17,000개의 기계적 자극 수용기가 있는 것으로 추산 된다[발보와 요한슨 1984]. 흥미롭게도 촉각 인지는 손가락 크기가 작을수록 향상된다. 그 래서 여성의 촉감이 더 섬세하게 조율되고 민감하다[피터스(Peters) 등 2009]. 수용 영역 이 가장 작은 고밀도의 수용기 (메르켈 디스크, 메이스너 소체)는 공간 해상도가 가장 크기에, 모기가 물 때처럼 외부 자극이 피부에 작용하는 위치를 상당히 정확하게 확 인할 수 있다. 반면 수용 영역이 큰 저밀도 수용기 (루피니 말단, 파시니안 소체)는 공간 해상도가 상당히 낮다. 이 수용기는 힘이 피부의 '어디에서' 작용하는지 판단하는 정 확성은 떨어지지만, 빛의 접촉에는 훨씬 더 민감하다.

기계적 자극 수용기의 세부
네 가지 주요 기계적 자극 수용기 모두 크기, 모양, 정적 및 동적 자극의 감도 범위, 피부 내의 위치, 밀도, 기능의 특정 방식 등이 다양하다. 이 기능 모두 구체적으로 설 명하겠지만, 하나의 자극에도 다양한 기계적 자극 수용기의 반응에 상당한 중첩이 있 음을 잊지 말자. 일례로, 가상 환경에서 물체를 조작할 때 손에서 울리는 컨트롤러나 게임용 조끼가 진동해 가슴에서 느끼는 충격은 다양한 수용기의 반응을 유발하는데, 큰 압력, 피부가 당겨지는 느낌, 진동 감지 (질감 인지로 해석함) 등이 있다.

메르켈 디스크
메르켈 디스크는 구심신경 섬유에 붙은 원반 모양의 상피세포로, 특화된 감각 신경 의 말단이다. 보통 이 신경 섬유는 중간에서 큰 직경의 신경다발이 디스크 군집을 이 룬다[네터(Netter) 2013] 그림 9.6처럼, 메르켈 디스크는 일반적으로 상피와 진피층 사이 경계의 피부층에 있으며, 손가락을 형성하는 융기 아래 등에 있는 매끈한 피부에서 가장 많이 찾을 수 있다[베어(Bear) 등 2007, p389]. 적절한 자극이 주어지면 디스크벽이 변형되면서, 신경 섬유 안의 이온 채널이 열린다. 그러면 나트륨(Na+ 이온이 유입되 면서 행동 잠재력이 발동된다[막시모비치(Maksimovic) 등 2014].

그림 9.6 메르켈 디스크는 느리게 적응하며 가벼운 접촉과 진동에 민감하고, 5~15Hz 범위의 저주파에 최대로 반응한다. 출처: 일러스트 BruceBlaus, 위키미디어, CC BY 3.0 라이선스 의거 게재

반응의 특성

메르켈 디스크는 세밀한 표면 패턴과 지속적인 빛의 기계적 자극에 매우 민감한 느 리게 적응하는 (SA) 수용기로, 수용 영역이 작아서 점자 읽기 같은 활동에서 핵심적인 역할을 한다노박(Noback) 등 2005; 겐타즈(Gentaz) 2003] 메르켈 디스크 수용기는 저주파 (5~15Hz)에 최대로 반응한다[길먼(Gilman) 2002].

메이스너 소체

메이스너 소체(촉각 소체라고도 함)는 길쭉한 캡슐 같은 생김새가 특징이다. 이 소체 에는 비비 꼬이고 굽이치는 구심 신경 섬유인 수평으로 납작하게 쌓인 박편 세포가 있다(카우나(Cauna)와 로스(Ross) 1960]. 압력으로 소체가 변형되면 신경 섬유가 자극을 받 아 신경에서 행동잠재력이 만들어진다 [다히야(Dahiya) 등 2010] 자극이 제거되면 소체는 원래 형태로 돌아가, 또 다른 일련의 행동 잠재력을 낳는다[존슨(Johnson) 2001].

그림 9.7처럼 상피와 진피층간의 경계는 일정하지 않지만, 진피층에는 그 위상피 로 뻗어있는 피부 유두라는 작은 굴곡과 융기가 있다. 메이스너 소체는 피부 표면 근 처의 네 번째 돌기마다 존재한다[프라인켈(Freinkel)과 우들리(Woodley) 2001]. 메이스너 소체 밀도가 가장 높은 곳은 접촉에 가장 민감한 매끈한 피부에 있는데, 특히 손가락, 손바 닥,발바닥 등이다[요한슨과 발보 1979; 맥카시(McCarthy) 등 1995; 딜론(Dillon) 등 2001; 켈리(Kelly)등 2005].

그림 9.7 메이스너 소체는 피부 표면에 가까이 있으며 빠르게 적응하는 수용기로, 질감과 미끄러짐에 민감하고 중간 범위 주파수(20~50Hz)에서 최대로 반응한다.
출처: 일러스트 BruceBlaus, 위키미디어, CC BY 3.0 라이선스 의거 게재

반응의 특성

메이스너 소체는 빠르게 적응하며 (RA), 기계적 자극의 개시와 제거에 반응한다. 특히 질감이 있는 물체가 피부를 가로질러 이동하거나[퍼브즈 등 2001; 버지스(Burgess) 2012], 물 체의 미끄러짐[바커(Barker)와 시체티(Cicchetti) 2012], 그리고 탐구하고 구별하기 위한 접촉에서 변하는 형태[맨콜(Mancall)과 브록(Brock) 2011] 등의 변화하는 정보에 효율적이다. 메이스너 소체는 부드러운 면 셔츠에서 나오는[클라인(Klein)과 쏜(Thorne) 2006] 것 같은 중간 범위 주파수(20~50Hz)에 최대로 반응한다[길먼 2002].

파시니안 소체

파시니안 소체(층판 소체라고도 함)는 타원형 모양이 특징이며, 액체층으로 분리되는 섬유 결합 조직으로 이뤄진 집중적인 박판(얇은 층) 수십 개로 구성된다. 소체 전체는 외부가 콜라겐으로 싸여 있다. 소체 중앙은 구심 신경 섬유가 하나 이상으로 된 공동이 있다[퍼브스 등 2001].

외부의 힘으로 물리적 압력이 소체에 작용해 구조가 변형되면 중앙에 있는 신경 섬유 도 구부러지거나 확장돼, 이온 채널(화학적 관문을 외부막 쪽으로 열어 나트륨 이온 이 유입된다. 외부력이 더 클수록 소체의 변형이 더 커지고, 나트륨 이온 유입도 커져 중앙 신경계로 전달되는 구심 신경 섬유의 행동 잠재력이 발동된다.

기계적 자극 수용기의 네 가지 종류 중 파시니안 소체는 크기가 가장 크고 수는 가장 적다[칸델(Kandel) 2000]. 그림 9.8처럼 파시니안 소체는 피부 진피층 안에 깊숙이 위치 하고 피하 지방에도 분포한다.

그림 9.8 파시니안 소체는 빠르게 적응하며, 피부 내 깊숙이 위치한다. 또한 고주파 진동(200~300Hz 범위)과 지속적 이지 않은 깊은 압력에 민감하다.
출처: 일러스트 BruceBlaus, 위키미디어, CC BY 3.0 라이선스 의거 게재

반응의 특성

파시니안 소체는 메이스너 소체처럼 빠르게 적응하며(RA) 기계적 자극의 개시와 제거에 반응한다. 찌르기 같이 깊은 반응에 가장 민감하지만, 지속적인 압력에는 둔 하다. 200~300Hz 범위로 피부에 적용되는 고주파 진동에도 잘 반응하지만[베어 등 2007, p 391; 길먼 2002] 수용 영역의 크기가 작아 자극의 위치는 잘 파악하지 못한다.[노 백(Noback) 등 2005]. 파시니안 소체는 굉장히 민감해서, 계면 결합이 물로 이뤄질 때는
실제로 음파를 감지할 수 있다는 것이 입증됐다.[이드(Ide) 등 1987].

루피니 말단

루피니 말단(루피니 소체로도 알려짐)은 끝이 복잡한 나무 같은(그리스어 dendron) 어원인 수상 돌기) 방적기 형태가 특징이다. 이 구조 안에는 콜라겐 연결 조직에 포함 된 신경 말단이 밀도 높게 얽혀 있다.

그림 9.9처럼 루피니 말단은 피부 진피층 깊숙이 위치한다. 손바닥의 접힌 부분, 관절 위, 손톱 끝을 따라 가장 밀도가 높은데, 피부가 확장될 때 방적기 모양 캡슐에 싸여 있는 콜라겐 섬유가 신경 말단을 압축해 행동 잠재력이 발동된다[가드너(Gardner) 2010].

그림 9.9 루피니 말단은 매우 느리게 적응하며, 지속적 압력과 피부 확장, 미끄러짐에 민감하고 고주파에 반응한다 (300~400Hz).
출처: 일러스트 BruceBlaus, 위키미디어, CC BY 3.0 라이선스 의거 게재

반응의 특성

루피니 말단은 느리게 적응하며(SA), 지속적 압력, 피부 확장, 미끄러짐에 민감하 고 손가락의 위치와 운동 제어에 기여한다[바레트(Barrett)와 가농(Ganong) 2012; 마운트캐슬 (Mountcastle) 2005]. 루피니 말단은 고주파(300~400Hz)에 최대로 반응하며, 적응률은
매우 작다[가이튼(Guyton)과 홀(Hall) 2001].

기계적 자극 수용기 능력 요약
앞서 설명한 내용을 기반으로 표 9.1, 그림 9.10은 네 가지 주요 기계적 자극 수용기 의 성능 특성을 요약한다.

표9.1

그림 9.10 유형별로 손바닥과 손가락 피부에 있는 기계적 자극 수용기의 분포와 수용 영역 크기는 모두 다르다.
출처: 일러스트 BruceBlaus, 위키미디어, CC BY 3.0 라이선스 의거 게재. 손 이미지는 ratu © 123RF.com, S. 옥스타
칼니스 연구에서 발췌

지금까지 피부의 촉각 감각을 발동하는 감각수용기의 생리와 기본 기능을 알아봤다. 손가락이 물체를 만져볼 때 이 정보는 두뇌가 우리 주변의 물리적 특징에 대해 미묘 한 세부까지 이해할 수 있게 돕는다.
그러면 이제 마찬가지로 중요한 생리와 기본 기능을 감지하고 운동감을 담당하며 관 절의 각도와 근육, 힘줄이 느끼는 긴장과 여타 힘을 인지하는 감각 수용기를 간략히 알아보자. 이 책의 주제와 연관이 있는 사례는 고급 게임 조종간을 사용할 때 경험하 는 저항과 덜컹거림(포스 피드백이라 함)에서 찾을 수 있다.

운동감의 감지

운동감은 우리 몸에서 근육, 힘줄, 관절의 위치와 무게, 운동을 감지하게 해주는 감각 이다. 요컨대 신체를 인지하는 감각이다. 이 장의 앞에서 설명한 신체 감각 체계의 일 부인 운동감은 의식적 사고 없이 연속적으로 사용하는 감각이다. 이 감각은 통로에서 누군가를 지나칠 때 옆으로 비킬지(그리고 얼마나 비킬지), 비행기 중간 좌석에 자기 몸이 맞을지 결정하도록 돕는다. 계단을 걸어 내려갈 때는 두뇌에 단서를 주고(발목, 무릎, 엉덩이의 각도로), 농구를 할 때는 레이업 슛을 쏘도록 돕기도 한다.

이 감각 채널에 대한 이해는 10장, '촉각과 포스 피드백 기기' (주로 출력 기기)에서 논 하는 촉각과 포스 피드백 기기 영역의 연구 개발에도 도움이 되고, 사용자의 물리적 동작을 입력 방식으로 측정하는 시스템 실험도 있으므로 알아두자[폰토(Ponto) 등 2012].

자기 수용기

운동감의 핵심 측면은 자기 수용이라는 것이며, 이는 이동의 느낌, 관련된 힘의 강도, 몸에 닿는 부분의 상대적 위치에 대한 무의식적 감각이다[모스비(Mosby's) 1994]. 외부 자 극이 신경 반응을 촉발하는 기계적 자극 감지와는 상당히 다르게, 자기 수용기는 몸 자체가 감각 수용기에 대한 자극 역할을 한다[셰링턴(Sherrington) 1906]. 간단한 사례로는 눈을 감고도 팔이 옆에 있는지, 머리 위로 뻗었는지, 손가락을 벌렸는지, 무릎을 구부 렸는지 아는 것을 들 수 있다. 보거나 생각할 필요도 없다. 그냥 '아는' 것이다.

몸을 움직일 때, 의자에 앉은채 자세를 바꾸든, 다리를 꼬든, 걷든, 물체에 다가가든, 이런 동작은 모두 프로세스를 촉발하는 중앙 신경계의 신경 충동에서 시작한다. 이 런 움직임을 하는 동안 피부, 근육, 힘줄, 인대를 포함한 관절 조직은 형태를 바꾼에 이드리언(Adrian) 1929; 그리그(Grigg) 1994]. 그러면 이런 조직 속의 다양한 신경과 수용기는 발동을 시작한다.

연구에 따르면, 근방추와 골지 힘줄 기관이라는 두 개의 독특한 감각 신경이 보내 는 신호가 자기 수용감각에 핵심적인 역할을 한다[프로스케(Proske)와 간디비아(Gandevia) 2009, 2012].

근방추

근방추는 캡슐에 싸여있는 작고 길쭉한 감각 기관으로, 사람 몸의 거의 모든 골격근 에 있다[퍼브스(Purves) 등 2001] 그림 9.11 에서 볼 수 있듯, 근방추라는 이름은 실제 생 김새와 구조에서 나온 것이다. 근방추의 밀집도는 근육이 담당하는 기능에 따라 다양
한데, 섬세한 운동에 관련된 근육에 더 많이 분포한다[테일러(Taylor) 2006]

그림 9.11 근방추는 방추외 근육 섬유에 평행하게 안쪽 깊이 있는 자기 수용기다.
출처: 이미지 N. Stifani, CC BY 4.0 라이선스 의거 배포, S 오스타칼니스의 연구에서 따옴

메이스너나 파시니안 소체와 마찬가지로 근방추의 주 구성원은 콜라겐 캡슐이다. 이 캡슐에 일반 근섬유와 평행한 방향으로 특화된 방추외근섬유가 있는데, 그 주위로는 고리나선신경종말이라는 구심 신경 말단(수상돌기)이 말려 있다.

일반적인 근섬유가 확장할 때는 방추외 섬유의 긴장이 커져서 이온 관문이 열리고, 고리나선신경종말을 자극하게 된다. 그러면 행동 잠재력이 발동한다. 긴장이 더 클수 록 발동되는 충동의 빈도 역시 커진다. 이 충동은 빠르게 중앙 신경계에 도달하고, 반 환 신호가 전송돼 근육의 신장 가능 범위를 제어하며, 이 과정이 근육 손상을 방지한 [프로차즈카(Prochazka) 1980; 셔우드(Sherwood) 2015]

골지 힘줄 기관

확장을 측정하는 근방추와 달리, 또 다른 감각 수용기인 골지 힘줄 기관은 힘줄(근육 과 뼈를 연결하는 튼튼한 섬유)의 긴장도를 측정한다. 야구공을 들든 무거운 짐을 들든 물체를 들어 올릴 때, 아니면 외력에 의해 손발이 작용할 때 골지 힘줄 기관은 근육이 얼마나 많은 긴장을 행사 중인지 알려준다. 10장에서 논할 포스 피드백 기기의 관점 에서 골지 힘줄기관은 손이나 팔다리에 많은 힘이 전달되고 있는지 알려주는 센서다.

근방추는 그림 9.12처럼 실제 근섬유 안에 있지만, 골지 수용기는 근육을 뼈에 연결 하는 힘줄에 있다. 골지 수용기의 핵은 일반적인 근섬유 방향과 평행한 콜라겐 섬유 로 구성된다. 콜라겐 섬유에는 구심 신경 섬유가 엮여 있다. 근육이 늘어나면 힘줄 속 에 긴장이 생긴다. 그러면 이 긴장이 콜라겐 섬유를 바짝 당기고, 구심 신경을 자극한 다. 콜라겐 섬유의 긴장도에 따라 신경의 발동률은 변화한다. 그러면 이 신호는 물리 적 출력을 변조해준다[그레이(Grey) 등 2007; 밀류스닉(Mileusnic)과 로엡(Loeb) 2006].

그림 9.12 골지 힘줄 기관은 콜라겐 섬유들 사이에 엮인 감각 신경 말단으로 구성된다. 근육이 늘어나 힘줄에 긴장이 가해지면 콜라겐 섬유가 신경을 자극한다.
출처: 공공 부문에서 빌어온 연구 이미지, 위키미디어 컨클루전의 신경학에서 발췌

결론
이 장에서는 두뇌가 물체와 환경의 물리적 형태의 섬세한 세부를 이해하도록 피부의 촉각을 발동하는 감각 기관부터 몸에 작용하는 더 강한 기계적 힘을 인지할 수 있는 감각 기관까지, 촉감을 가능하게 하는 우리 몸의 주요 장치를 알아봤다. 10장에서는 더 직관적인 인간-기계 인터페이스가 가능한 프로세스와 메커니즘을 활용하는 다양 한 기술과 기기를 알아보자.

                                                   출처 - 실전 증강 현실(스티븐 옥스타칼니스 지음)