Researchers train pigeon pathologists to read mammograms.The common belief is that pigeons are dirty, useless and kind of dumb. There are many—particularly New York City residents—who would go so far as call them rats with wings.

Around three years ago, Richard Levenson, a professor of pathology and laboratory medicine at University of California Davis Health System, heard a compelling radio segment on the visual acuity of pigeons. A pigeon’s brain is tiny, but it just so happens that the bird’s neural pathways used for sight—the basal ganglia and cortical-striatal synapses—are as well-developed as ones found in humans. This means the birds have an especially fine-tuned visual memory. Levenson became captivated by the work of Edward Wasserman, professor of psychological and brain sciences at the University of Iowa, who has used the birds for years to study visual perception and cognition.

“Some of his more striking findings is they can tell the difference between early modern artists,” says Levenson. “And they also can tell the difference between good child art and bad child art.” (That talent, of course, is strictly based on the subjective taste of the researcher who trains the birds.) Other experiments have shown pigeons can distinguish between photos of a range of human emotional expressions and also letters of the alphabet.

“For no good reason it occurred me to ask if pigeons are visual, how are they with medical images?”

He reached out to Wasserman, and they agreed to collaborate on an experiment that used digitized slides of mammography imaging to see if the birds could earn their wings in pathology.

For the study, Levenson and his team trained eight Columba livia pigeons to identify certain colors and hues in parts of medical images that radiologists and oncologists look for when identifying breast tissue microcalcifications and malignancies. They used a food reward system, giving the birds 85 percent of their regular food beforehand and forcing the pigeons to earn the remaining 15 percent as part in the experiment.

They placed the pigeons in “conditioning chambers” in a darkened room with white noise. Each chamber came furnished with a food pellet dispenser attached to a fancy 15-inch LCD touch screen. But in this case, the screen was made for pecking, not touching. The team trained the birds to recognize certain visual attributes, such as benign or malignant samples in full color at low (4X), medium (10X) or high (20X) magnifications. When it pecked at the screen for the right image, the pigeon would receive a food reward.

In the low magnification experiments, the birds were right 50 percent of the time on the first day; by day 13 their accuracy improved to 85 percent. Overall the birds averaged about 84 percent for identifying microcalcifications and 72 percent for irregularities in images, a similar success rate that is normally achieved by a licensed radiologist. However, the pigeons didn’t get such high marks when faced with the task of differentiating between imaging of benign and malignant breast tissue.

Levenson says the experiments defy our perception of the intelligence of these creatures. “It doesn’t fit in with our narrative of what they are,” he says. “‘Bird brains’ is pejorative.”

Don’t worry. A pigeon won’t soon be replacing your oncologist.

“Let’s put off the table that pigeons could make breast cancer diagnoses. It’s not that they couldn’t, but it’s that I don’t think society would be ready for that,” says Levenson, who is the lead author on the study published earlier this week in PLOS One. “Fortunately there are good reasons to pursue this work.”

The reasons have nothing to do with stupid pet tricks on late night talk shows. It turns out scientists could use the finetuned visual memory skills of the birds to develop and improve new medical imaging devices.

When new technologies are created, they need to be validated by the naked eye, which requires a painstaking process of sifting through hundreds of images. This job is usually carried out by clinicians who require a high salary and don’t have enough time (or patience).

The birds could be a suitable employee to take on this arduous task. “I’m pretty confident that pigeons can play that role,” says Levenson. “The animals could help fine tune how bright, how much contrast, what resolution you present images at the end. The pigeons can do a lot of the intermediate and heavy lifting. It will be faster, cheaper and more accurate.”

How’s that for bird brains?

시각기억 능력 발달한 비둘기는 유방암 등 석회화 식별에 방사선의와 비슷한 적중률 보여비둘기는 더럽고 쓸모없고 좀 멍청하다는 통념이 있다. 날개 달린 쥐라고 부를 사람(특히 뉴욕시 주민)도 많다.

리처드 레빈슨 교수는 3년 전쯤 비둘기의 시력에 관해 설득력 있는 라디오 방송을 들었다. 그는 캘리포니아대학(데이비스) 헬스 시스템의 병리학·진단검사의학과 소속이다. 비둘기 뇌는 작지만 놀랍게도 시각용 신경경로(대뇌반구 안쪽의 기저핵과 피질-선조체 시냅스)는 사람만큼 잘 발달됐다. 이는 새가 특히 미세조정된 시각 기억을 갖고 있다는 의미다. 레빈슨 교수는 아이오와대학 심리학·뇌과학과 에드워드 와서먼 교수의 연구에 매료됐다. 와서먼 교수는 수년 전부터 비둘기를 이용해 시각과 인지를 연구해 왔다.

“그의 더 놀라운 발견은 비둘기가 초기 근대 미술가들의 작품을 구별할 수 있다는 사실”이라고 레빈슨 교수는 말한다. “잘 그린 아동 미술과 못 그린 아동 미술도 구별할 수 있다(물론 그런 재능은 철저히 비둘기 훈련을 맡은 연구원의 주관적 취향을 토대로 한다).” 다른 실험에선 비둘기가 인간의 다양한 감정 표현뿐 아니라 알파벳 철자도 식별할 수 있었다.

“뜬금없이 비둘기의 시력이 좋다면 의학적 이미지는 얼마나 잘 구분할 수 있을까 하는 의문이 들었다”고 레빈슨 교수가 말했다.

그는 와서먼 교수에게 연락했다. 그들은 공동으로 유방 촬영 이미지의 디지털 슬라이드를 이용하는 실험을 실시했다. 비둘기에게 병리학 학습 능력이 있는지 알아보려는 목적이다.

레빈슨 교수팀은 연구 목적으로 집비둘기 8마리를 훈련시켜 의학적 이미지 일부에서 특정한 색상을 식별하도록 했다. 방사선과의와 종양학자가 유방조직 미세석회화와 악성종양을 확인할 때 찾는 색상이다. 그들은 먹이 보상 시스템을 이용했다. 미리 통상적인 먹이의 85%를 비둘기에게 주고 나머지 15%를 실험과정에서 획득하도록 했다.

그들은 백색 소음(일정한 패턴으로 반복되는 넓은 주파수의 소음)이 있는 어두컴컴한 방의 ‘실험상자’에 비둘기들을 넣었다. 상자마다 고급 15인치 LDC 터치 스크린에 먹이 공급장치가 부착돼 있었다. 그러나 이 경우 스크린은 터치가 아니라 쪼는 용도였다. 연구팀은 비둘기들을 훈련시켜 특정한 시각적 속성을 인식하도록 했다. 저(4X) 중(10X) 또는 고(20X) 배율로 확대한 풀컬러의 양성 또는 악성 표본을 보여줬다. 비둘기가 스크린을 보고 맞는 이미지를 쪼면 보상으로 먹이를 주곤 했다.

저배율 확대 실험에서 비둘기들은 첫날 50%의 적중률을 보였다. 13일째엔 정확도가 85%로 개선됐다. 전체적으로 미세석회화에는 평균 약 84%, 이미지의 이상 식별에는 72%의 적중도를 나타냈다. 정식 면허 방사선과 의사의 통상적인 성공률과 비슷하다. 그러나 양성과 악성 유방조직 이미지의 구별 작업에선 그렇게 높은 점수를 받지 못했다.

이 실험은 비둘기의 지능에 관한 우리의 일반적 통념을 뒤흔든다고 레빈슨 교수는 말한다. “우리가 흔히 경멸조로 ‘새 대가리’라고 하는 통념과 맞지 않는다.”

하지만 걱정할 필요 없다. 비둘기가 곧 종양학자를 대신하지는 않을 듯하다. “비둘기가 유방암을 진단할 수 있다는 문제는 더 논하지 말자. 할 수 없는 건 아니지만 사회가 받아들일 준비가 안 됐을 듯하다”고 레빈슨 교수는 말한다. 그는 11월 초 세계적 학술지 플로스원에 발표된 연구 논문의 대표 작성자다. “다행히 이 연구를 계속할 좋은 명분이 생겼다.”

그 명분은 심야 토크쇼에서 연출하는 멍청한 애완동물 묘기와는 아무런 관계가 없다. 알고 보니 비둘기의 미세 조율된 시각적 기억 능력을 이용해 새로운 의학 촬영 장치를 개발하고 개선하는 방법도 가능했다.

새로운 촬영 기술이 발명되면 육안으로 검증해야 한다. 수백 장의 이미지를 일일이 꼼꼼하게 살펴보는 과정이 필요하다. 보통 고액 연봉을 받고 시간(또는 인내)이 부족한 임상의들이 이 같은 일을 맡는다.

이 같은 고된 작업에 비둘기는 적임자가 될 수 있다. “비둘기가 필시 그 역할을 맡을 수 있을 것으로 믿는다”고 레빈슨 교수는 말한다. “마지막에 이미지의 명도, 대비, 해상도를 어떻게 할지 비둘기가 도움을 줄 수 있다. 어렵고 힘든 일을 비둘기가 많이 처리할 수 있다. 더 빠르고 싸고 더 정확할 것이다.”

새 대가리치고는 제법 아닌가?

- JESSICA FIRGER NEWSWEEK 기자 / 번역 차진우

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