최정모의 논문 소개

신기한 연구라서 번역. 우리가 눈을 움직일 때 귀가 거기에 맞춰 고막을 준비시킨다는 연구다. 생명체는 참 신기해!

눈이 움직일 때 고막도 움직인다: 청각 역학에 미치는 다중 감각 효과

https://doi.org/10.1073/pnas.1717948115

중요성

지엽 청각계(peripheral hearing system)는 여러 개의 운동 메커니즘을 가지고 있어 뇌가 청각 변환 과정을 수정할 수 있도록 한다. 중이(中耳) 근육이나 외유모세포의 움직임 혹은 긴장은 고막의 움직임을 변화시키고, 이에 따라 외이도에 설치된 마이크로 검출할 수 있는 소리를 (예를 들어 귀 음향 방사로) 생산해낸다. 이 논문에서 우리는 뇌가 이런 시스템을 통해 생산하는 고막 운동의 한 가지 형태를 보고한다. 이는 안구의 도약 운동(saccade)의 방향 및 크기와 연동되어 같이 변화하는 진동 운동이다. 이 관찰 결과로부터 우리는 시각과 연관된 과정이 청각의 첫 단계를 조절한다는 것을 유추할 수 있다. 특별히, 이 안구 운동과 연관된 고막 진동은, 눈과 귀 사이의 공간적 관계의 변화에도 불구하고 뇌가 시야와 소리를 연결하는 것을 도와줄 가능성이 있다.

초록

시각과 청각계와 같은 감각 경로들 사이의 상호작용은 뇌 안에서 일어나는 것으로 알려져 있는데, 어디서 처음으로 발생하는지는 불분명하다. 이 논문에서 우리는 고막에서 나타나는 다중 모드 상호작용을 보인다. 시각적 목표에 대한 안구 도약 운동 과제를 수행하는 사람(n = 실험체 16명의 19개 귀)과 원숭이(n = 실험체 3마리의 5개 귀)를 대상으로 외이도 마이크 측정을 수행한 결과, 고막은 눈의 운동과 연결되어 움직이는 것으로 나타났다. 고막의 운동은 진동 운동이었고, 빠르면 인간의 경우 안구 도약이 일어나기 10 ms 전부터, 원숭이의 경우 안구 도약과 동시에 시작되었다. 우리가 안구 운동 연관 고막 진동(EMREO; eye movement-related eardrum oscillation)이라 이름 붙인 이 고막 운동은 청각 자극 없이 일어났다. EMREO의 진폭과 위상은 안구 도약 운동의 방향과 수평 진폭에 따라 달라졌다. EMREO는 안구 도약 운동 내내 유지되었고, 그 후에도 여러 주기를 안정적으로 진행하였다. 우리는 EMREO의 기저 메커니즘이 안구 운동에 따라 양쪽 귀에 신호를 보내, 뇌가 눈을 움직이면서 시각과 청각 자극의 위치 간 관계를 판단할 수 있도록 도와준다는 가설을 논의한다.

오랜만의 포스팅. 최근 한동안 나도 독감 때문에 고생했어서 남 이야기가 아니다.

대학교 공동체에 속한 계절성 독감 감염자의 날숨 속에 있는 감염성 바이러스

https://doi.org/10.1073/pnas.1716561115

중요성

인간에 대해서는 독감 바이러스를 에어로졸 형태로 발산하는 사례에 대한 데이터가 없었기에 공기 중 전염의 중요성에 대한 논쟁이 지속되었다. 우리는 인간이 감염성 에어로졸을 생산한다는 결정적인 증거와 더불어 전염과 공중 위생 개입에 대한 수학적 모형들을 향상시킬 수 있는 정량적인 데이터를 제시한다. 우리는 재채기는 독감 바이러스의 에어로졸화에서 흔치 않을 뿐더러 중요하지도 않음을 보인다. (기침 역시 필요하지 않다.) 우리는 상기도 및 하기도 감염은 서로 독립적이며 날숨에 포함된 미세 에어로졸 입자는 허파 감염을 나타낸다는 것을 찾았으며, 이 발견으로 독감 감염 및 전염에 관한 인간 생물학의 더 깊은 이해가 가능해졌다. 우리는 또한 백신을 반복해서 맞는 것과 바이러스 에어로졸의 생성 증가 사이의 상관성을 관찰했는데, 이는 우리 방법론의 위력을 보여주는 한편, 이 상관성은 더 확인할 필요가 있다.

초록

날숨 속에 포함된 독감 바이러스의 양과 전염성에 대해서는 알려진 것이 거의 없다. 이로 인해 공기 중 독감 전염의 중요성에는 불확실성이 존재했다. 우리는 급성 호흡기 질환에 걸린 355명의 자원자를 받아 그 중 독감 감염이 확인된 142개의 증례를 보고한다. 이들로부터 증상이 나타난 뒤 1-3일 동안 코인두(咽頭) 샘플과 30분의 숨 샘플을 채취하였다. (5-µm보다 크면 굵은 입자로, 작으면 미세 입자로 분류하였다.) 우리는 모든 샘플에 대해 바이러스 RNA 복제본의 수를 측정하고, 코인두를 채취한 면봉과 미세 에어로졸 입자를 배양시켰다. 미세 에어로졸 입자로부터 감염성 바이러스를 복원한 것은 52번(39%), 적절한 배양액에 둔 코인두 면봉에서 감염성 바이러스를 복원한 것은 150번(89%)이었다. RNA 복제본의 수의 기하 평균값은 30분 미세 입자의 경우 3.8 × 10⁴, 30분 굵은 입자의 경우 1.2 × 10⁴, 그리고 코인두 면봉의 경우 8.2 × 10⁸였다. 미세 에어로졸 입자와 굵은 에어로졸 입자에서 나온 바이러스 RNA는 체질량지수(BMI; body mass index) 및 기침의 횟수와 양의 상관 관계를 보였고, 조절된 모형 하에서 증상이 나타난 이래 지나간 일수와 음의 상관 관계를 보였다. 미세 에어로졸 입자의 바이러스 RNA는 또한 이번 및 지난 계절에 독감 백신을 맞았는지의 여부와 양의 상관 관계를 보였다. 코인두 면봉에서 나온 바이러스 RNA는 상기도 증상들과 양의 상관 관계를 보였고 나이와는 음의 상관 관계를 보였지만, 미세 에어로졸 입자와 굵은 에어로졸 입자에서 나온 바이러스 RNA 혹은 그들의 예측 변수와는 유의미한 상관 관계를 보이지 않았다. 재채기는 드문 현상이고, 재채기와 기침은 감염성 에어로졸을 만드는 것에 꼭 필요하지 않았다. 우리의 관찰 사실들은 상기도와 하기도의 독감 감염이 구분되어 있으며 서로 독립적임을 암시한다.

나름 열역학-통계역학을 열심히 쓰는 분야에 있다 보니, 좀 더 근본적인 열역학-통계역학에도 관심이 있다. 수학/물리학 능력이 일천한 관계로 이런 연구를 쉽게 이해하지는 못하지만, 그래도 이렇게 주워 들으면서 조금씩 배울 수 있지 않을까?

약한 비평형계 엔트로피의 직접 측정값이 기브스-섀넌 꼴과 일치하다

https://doi.org/10.1073/pnas.1708689114

중요성

열역학 제2법칙은 고립계의 총 엔트로피가 변하지 않거나 증가해야 한다는 법칙이다. 이 법칙에 따라 물리학 법칙들이 제한되고, 아무 부작용 없이 열을 일로 전환하는 영구기관은 존재할 수 없다. 제2법칙의 핵심에는 엔트로피에 관한 명제가 있지만, 엔트로피는 규정하기 힘든 개념이다. 오늘날까지도 엔트로피는 직접 측정된 적이 없으며, 온도에 따른 비열을 적분함으로써 계산하는 것처럼 그저 다른 양으로부터 추론되었을 뿐이다. 이제, 정보 조각의 일부를 지우는 데 필요한 일을 직접 측정함으로써 우리는 엔트로피의 변화를 직접 분리해냈고, 이 값이 섀넌(Shannon)이 제시한 함수꼴과 일치함을 보임으로써 이 맥락에서의 물리적 의미를 끌어냈다.

초록

확률 열역학(stochastic thermodynamics)은 고전 열역학을 확장하여 한 개 이상의 열원과 접촉하고 있는 작은 계들까지 다룬다. 확률 열역학은 열 요동의 효과까지 설명할 수 있으며, 열역학적 평형에서 멀리 떨어진 계들도 묘사할 수 있다. 기본적인 가정은 섀넌 엔트로피 식이 이와 같은 상황에 놓인 비평형계의 엔트로피를 묘사하는 적절한 도구라는 것이다. 우리는 이 연구에서 거시적 평형에 있지는 않지만 미시적 평형에 도달한 계에 대해 실험적으로 이 함수를 측정하였다. 이 계는 물에 녹아 있는 마이크론 크기의 콜로이드 입자로, 피드백 덫으로 만들어진 가상 이중 벽 퍼텐셜에 갇혀 있다. 우리는 정보 조각 일부를 지우는 데 필요한 일을 측정하였고, 이 값이 두 상태 계(two-state system)의 섀넌 엔트로피에 의해 제한됨을 발견했다. 게다가, 느린 과정의 가역성을 직접 측정함으로써, 우리는 기대되는 열역학 한계에 도달할 수 있는 실험 과정과 도달할 수 없는 실험 과정을 명확히 구분할 수 있었다.