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이웃집과학자

머리 속 해마의 길찾기 전략

By 이웃집과학자

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인간 두뇌의 해마와 수중생물 해마 비교 사진. 헝가리 신경과학자 라스즐로 세레스 제작

우리가 길을 찾거나 특별한 장소를 기억하는 것은 뇌 속 어딘가 GPS와 네비게이션 기능을 하는 영역이 존재하기 때문입니다. 처음 가는 곳은 경로상의 지형지물에 촉각을 곤두세우지만, 차츰 별다른 신경을 쓰지 않고도 쉽게 찾아가는 것 역시 이런 위치추적 시스템 덕분입니다. 과학자들은 그간 다양한 포유류 실험을 통해 뇌 속 해마의 장소세포가 공간 지각능력을 담당한다는 사실을 알게 됐습니다. 하지만 위치와 공간의 장기기억을 형성하고 저장하는 장소세포가 특정 장소에서 어떻게 활성화되는지는 밝혀진 바가 없었습니다.

한국과학기술연구원(KIST)은 뇌과학연구소 세바스쳔 로열 박사팀이 해마의 장소세포가 장소에 대한 정보를 마치 바코드(bar code)처럼 빈도코드(rate code)와 위상코드(phase code)를 이용하여 저장한다는 사실을 발견했습니다. 또한, 경로상의 지형비물이 복잡한지 단순한지에 따라 장소세포의 활성화 영역과 사용전략이 달라지는 병렬적 정보처리 메커니즘을 갖고 있음을 규명했다고 밝혔습니다.

  • 장소세포(space cell)

위치와 방향, 장소 등을 파악할 수 있게 하는 뇌 해마의 신경세포입니다. 존 오키프·모세르 박사 부부가 1971년 생쥐 실험에서 처음 발견한 이후 관련 연구로 노벨생리의학상(2014) 수상했습니다.

  • 빈도코드(rate code)

하나의 신경세포가 활동전위를 발생시키는 빈도입니다.

  • 위상코드(phase code)

여러 신경세포들에 사이에서 발생하는 활동전위 사이의 시간적 간격입니다.


해마의 길찾기 전략

해마 영역 세포 CA1의 빈도 및 위상 코드 사용 여부를 확인하기 위한 트레드밀 실험.

출처KIST

KIST 연구진은 두 가지 유형의 공간 실험을 통해 해마의 장기기억 형성과 활성화 기초 원리를 확인했습니다. 첫 번째로 공간훈련 장치인 트레드밀의 긴 벨트에 빈 구간과 작은 물체들이 산재한 구간을 만들어 쥐가 순차적으로 달리도록 훈련했습니다. 두 번째는 원형의 통에 물체들을 배치하거나 완전히 비우는 방식으로 진행됐습니다. 그동안 해마의 소영역인 CA1 과 CA3은 공간 기억 형성에 중요한 역할을 한다고 추측되지만 구체적인 기능을 파악하지 못하고 있었는데요. 여기에 실리콘 탐침 전극을 심어 신경세포의 활성도를 분석했습니다.


해마 영역 세포 CA1의 빈도 및 위상 코드 사용 여부를 확인하기 위한 트레드밀 실험.

출처KIST

두 실험에서 유사한 결과를 얻을 수 있었습니다. 해마는 공간·위치·물체의 상황과 환경 조건에 따라 서로 다른 뇌 영역과 별개의 입력장치 및 정보처리 전략을 사용하고 있는 것이 관찰됐습니다. 물체가 없는 단순한 환경에서는 CA1 표면에서 하나의 신경세포가 활동전위를 발동시키는 빈도수를 공간과 위치정보와 매칭해 저장하는 '빈도코드(rate code)'를 사용하는 세포 집단이 활성화되는 경향이 나타났습니다. 반대로 물체가 많은 복잡한 환경에서는 CA1 심층부의 활성도가 높아지면서 정보처리에 여러 신경세포들 사이의 시간간격들을 함께 저장하는 위상코드(phase code)가 주로 활용되는 것이 관측됐습니다.


트레드밀 실험 중 세포 활동 기록. 물체가 풍부한 환경은 위상 코드를 통해 깊은 층의 CA1 세포 집단에 의해 부호화되고, 비어 있는 환경은 빈도 코드를 통해 표피 상의 CA1 세포 집단에 의해 부호화되는 경향이 나타난다.

출처KIST

이는 포괄적인 위치와 공간 감각을 제공해야 할 때는 빈도코드가, 물체의 정확한 위치 및 공간과의 관계를 기억하는 데는 위상코드가 더 많이 연관되어 있음을 시사합니다. 이와 함께 CA3 영역의 기능도 파악됐습니다. CA3는 내후각 피질과 함께 CA1에 정보를 입력하는 역할을 하는 것으로 예상되고 있었는데, 이번 연구를 통해 단순한 환경에서는 주로 CA3가, 복잡한 환경에서는 내후각 피질 영역이 CA1에 정보를 제공하고 있었음을 알게된 겁니다. 참고로 내후각 피질(entorhinal cortex)은 해마와 함께있는 뇌의 영역으로 기억과 연관있다 알려져 있습니다.


KIST 세바스쳔 로열 박사는 "이번 연구를 통해 해마가 어떻게 정보를 처리하는지를 이해할 수 있으며, 이것은 기억의 기초 원리를 보다 심층적으로 밝히는 토대가 될 것"이라며 "알츠하이머성 치매, 기억상실, 인지장애 같은 해마 손상 관련 뇌질환을 치료 및 진단하는 기술과 함께 생물학적 데이터 기반의 인공지능 발전에도 기여할 수 있을 것으로 기대한다"고 밝혔습니다.

한편, 세바스쳔 로열 박사팀은 다양한 실험을 통해 기억 관련 뇌 영역의 정보 획득 및 분석 방식에 대한 이해를 단계적으로 확장해가고 있습니다. 지난해 10월에는 해마 속 과립세포(granule cell)가 이끼세포(mossy cell) 등 다양한 신경 네트워크를 통해 장소를 학습하며 장소세포로 변하는 과정을 마우스 실험과 시뮬레이션으로 규명한 바 있습니다(Nature Communications volume 11, 2020). 이번 연구는 'Neuron'에 게재됐습니다.


##참고자료##

  • Sharif, Farnaz, et al. "Subcircuits of deep and superficial CA1 place cells support efficient spatial coding across heterogeneous environments." bioRxiv (2020).


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