두뇌의 장소뉴런과 그리드뉴런의 새롭게 밝혀진 사실

지금까지 과학이 밝힌 바에 따르면 두뇌에는 공간 (Space) 의 위치정보시스템 (GPS) 를 인식하고 기억하게 하는 두 종류의 뉴런들이 있다. 하나는 해마 (Hippocampus) 에서 발견된 특정 지점이나 모양새 등을 인식하고 기억하게 하는 위치뉴런 (Location Neuron) 또는 장소뉴런 (Place Neuron) 이고, 다른 하나는 해마 뒤에 인접한 중앙내후각피질 (Medial Entorhinal cortex) 에서 발견된 장소와 장소를 연결하는 점들 (Nodes), 즉 위도와 경도가 만나는 노드들을 인식하고 기억하게 하는 육각형 패턴의 격자뉴런 (Lattice Neuron), 즉 그리드뉴런(Grid Neuron)이다.

장소 뉴런과 그리드 뉴런이 위치정보시스템 (GPS) 담당
이 장소뉴런과 그리드뉴런이 협력해 위치정보시스템을 만드는 것이다. 이 두 종류의 공간 뉴런들을 밝힌 세 명의 과학자들은 2014년에 노벨생리의학상을 수상했다(Noberprize.org & Youtube via Nobel Prize, 06 Oct 2014).

따라서 우리는 공간과 거리를 3차원으로 인식하고 기억하는 것이다. 결국 이 그리드 세포와 장소 세포가 서로 정보를 나눔으로써 사람이 길을 찾아가도록 도와주는 것으로 보고 있으며, 반대로 길을 잘 잃어버리거나 특정 장소를 찾아가지 못하는 사람들은 이 두 개 세포 간 대화와 협력이 효율적으로 작동하지 못하기 때문인 것으로 보고 있다. 

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▲ 해마에서 발견된 장소 뉴런 세포와 해마 뒤에 인접한 내후각피질에서 발견된 육각형 패턴의 격자, 즉 그리드 뉴런 세포가 협력하여 위치정보시스템을 만드는 것이다. Image Credit: Nobelprize.org

 

그리드 뉴런, GPS뿐만 아니라 시간과 거리를 통합하고 기억
그런데 중요한 것은 그리드 뉴런 세포인데, 이를 보다 과학적으로 상세하게 밝힌 연구가 뒤 따른다. 미국 보스톤대 신경과학자들이 쥐가 공간에서 달리는 동안 (during running), 쥐 두뇌의 그리드 뉴런 세포가 경과 시간 (Elapsed Time) 과 달린 거리 (Distance Run) 를 통합하고 기억하게 한다는 사실을 밝혀냈다 (Kraus et al., Neuron & Science Daily, 4 Nov 2015). 

그리드 뉴런 세포의 역할을 조명한 것인데, 주행거리계를 담당하는 뉴런들 (odometer neurons) 이 여행 거리와 각각의 경과된 시간을 인코딩 (Encoding) 한다는 것이다. 그것도 눈에 들어오는 시각적인 이정표 (visual landmarks) 가 없이도 시간과 공간과 거리의 정보를 통합하고 기억을 하게 한다는 것이다.

시간과 공간은 과거부터 현재까지 존재하는 영역으로 각종 사건들이 통합되어 단기 사건(기억)은 해마에, 장기 사건(기억)은 신피질 (neocortex) 혹은 대뇌피질 (cerebral cortex) 에 저장된다 (Hasan et al., 27 Aug 2013). 이번 연구결과는 포유동물들은 뉴런의 회로들 (circuits) 을 이용해서 공간과 시간의 사건들과 다른 많은 경험의 영역들이 어떻게 조직되어 기억으로 진화하는지를 보여주고 있다. 

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▲ 우리 두뇌는 장소 세포와 그리드 세포라는 두 종류의 뉴런을 이용해 시간과 공간의 위치와 거리 등을 통합한 위치추적정보시스템을 구축해 사건이나 경험의 흐름을 기억하게 한다. Credit: copyright, Tryfonov / Fotolia
과거의 연구를 보면 그리드 세포들은 다른 뉴런 세포들로부터 여행 방향에 관한 정보들을 받는다. 그러나 지금까지 그리드 세포들이 장소와 시간과 거리를 담당하고 있다는 직접적인 과학적 증거를 보여주지는 않았었다. 연구팀들은 쥐를 쳇바퀴 (treadmill) 에 넣고 그리드 세포들의 활동을 기록했다. 쥐로 하여금 정해진 시간에 계속 달리게 하기도 하고, 고정된 거리를 달리게 하면서, 속도까지 조절해, 그리드 세포들에 영향을 주는 요인들을 분석했다. 

쳇바퀴가 돌아가는 동안 그리드 세포들의 92%가 특정 순간들 (moments) 이나 거리들 (distances) 에서 불꽃 신호를 보냈다. 예들 들어 하나의 그리드 세포는 속도와 거리에 관계없이 8초 동안 불꽃 신호를 보내 달리게 했으며, 다른 그리드 세포는 거리와 시간에 관계없이 쥐가 4미터 (m) 를 달린 후에 불꽃 신호를 보냈다. 그리고 50%의 그리드 세포들은 시간에 영향을 받았고, 또 다른 50%는 거리에 영향을 받았으며, 41%는 시간과 거리에 영향을 받았다. 

가장 주목할 만한 사실은 그리드 세포들은 전적으로 공간상에서 위치 정보들을 코딩한다는 것이다. 그리고 위치 정보들이 지속되는 동안 시간과 거리 정보도 동시에 인코딩 된다는 점이다. 이것은 해마 뒤에 있는 내후각피질이 단지 공간을 매핑 한다는 것 이상의 훨씬 넓은 역할을 하고 있다는 것을 의미하는 것이다. 특히 그리드 세포들은 이정표나 시신경 등의 시각적 정보들이 없어도 경로들을 통합하고 있다는 점이다. 

그렇지만 안정적인 시각 정보를 바탕으로 들에서 먹이를 찾아다닐 때 보다, 쳇바퀴를 달리는 동안의 그리드 세포들의 패턴이 훨씬 넓고 거리도 멀었는데, 이는 시각정보가 보다 정확하고 근접한 공간 정보들을 찾는데 도움을 주고 있다는 것을 의미한다. 또한 시간과 거리를 저장한다는 것은 사건의 흐름과 공간 노드들을 기억하는데 중요한 역할을 하고 있다는 것이다.

연구팀들은 이번 연구가 시작에 불과하다고 믿는다. 왜냐하면 그리드 세포만 연구했기 때문이다. 해마에서 발견된 장소 세포도 추가로 연구해, 해마와 내후각피질이 어떻게 상호작용해 사건의 흐름들을 시공으로 기억하는지 밝혀내야 한다. 그래야만 기억 상실, 치매(알츠하이머병), 인지장애 (cognitive disorder) 등을 치료하거나 예방할 수 있는 새로운 방향을 제시할 수 있을 것이다. 
 
장소 뉴런과 그리드 뉴런, 정신적 GPS뿐만 아니라 기억과 학습을 담당
미국 프린스턴 대학 (Princeton University) 의 과학자들이 해마의 장소 뉴런과 해마 뒤에 인접한 내후각피질의 그리드 뉴런이 단지 공간의 정신적 맵, 즉 GPS뿐만 아니라 훨씬 넓은 영역인 비-공간의 기억과 학습을 담당한다는 사실을 밝혀, <해마-내후각피질 회로에 의한 비-공간적 차원의 매핑 (Mapping of a non-spatial dimension by the hippocampal–entorhinal circuit)>이라는 논문을 발표했다 (Aronov et al., Nature & Science Daily, 30 Mar 2017).

교신저자인 탱크(David Tank) 교수는 “지난 40년간의 연구는 해마와 내후각피질이 공간을 탐색한다는 것을 제안해왔다. 우리는 이번 연구를 통해 같은 두뇌 영역들의 장소 뉴런들과 그리드 뉴런들이 공간 환경뿐만 아니라 인지(Cognition)에도 관여하고 있다는 것을 발견했다”라고 말했다. 

프린스턴 대학 연구원들은 장소 뉴런과 그리드 뉴런이 서로 다른 공간의 환경을 탐색할 때도 활성화되고, 소리를 들을 때에도 (listening to sounds) 활성화된다는 사실을 발견한 것이다. 연구원들은 쥐가 특정 소리를 듣고 대응할 때 신경활동을 모니터링해, 쥐가 공간을 탐색할 때와 유사한 불꽃 패턴들 (similar firing patterns) 을 찾아냈다. 불꽃이란 뉴런들이 연결되어 활동하고 있다는 것을 의미한다. 

그 전의 연구 논문 발표에서, 과학자들은 해마에서 장소 뉴런들의 활동을 모니터링해, 장소 뉴런들이 순차적으로 불을 붙여, 동물이 어디에 있는지, 머리의 방향이 어느 쪽인지, 어느 방향으로 가고 있는지, 주위 경계는 어디인지 등을 밝혀왔다. 

제1저자인, 프린스턴 신경과학 연구소 (Princeton Neuroscience Institute)의 박사후 연구원이며, 현재 컬럼비아 대학 (Columbia University)의 신경 과학 조교수 인 디미트리 아로노브(Dmitriy Aronov)는 “신비한 점은 바로 기억과 관계된 불의 패턴들이다. 공간을 탐색하는 패턴들과 기억을 하는 패턴들이 같은지 다른지 알아보는 것이다”라고 말했다. 

따라서 연구원들은 ‘해마와 내후각피질이 서로 협력해 보다 일반적인 인지 작업들(more general cognitive tasks)을 할 것이다. 단지 매핑 한다는 것은 학습과 기억과 관련된 더 커다란 인지 작업 중에 하나의 일부분일 것이다’라는 가설을 세웠다. 그리고 그 전의 연구논문들은 쥐가 장소를 찾는 작업만을 연구한 이유로 쥐가 주로 먹이를 찾아다니는 공간 환경을 탐색하는 데 대부분의 시간을 소비하기 때문일 수 있다고 결론을 내렸다. 

이런 가설과 결론을 바탕으로, 쥐에게 다른 작업, 예를 들어 소리를 듣고 이에 반응하는 작업을 주어, 해마-내후각피질 회로 (the hippocampal-entorhinal circuit) 에서 인지 활동들 (cognitive activities) 이 일어나는지를 보기로 했다. 연구원들은 이에 따라 공간과 유사한 소리 (sound as an analogy to space) 를 선택했는데, 왜냐하면 공간과 소리는 하나의 연속에 따라 다양하기 때문 이었는데 (because both can vary along a continuum), 예를 들면 쥐들은 증가되는 소리의 주파수들 (increasing frequencies) 을 따라(소리의 진원지를 따라) 긴 복도를 통해 앞으로 나아갈 수 있기 때문이었다. 

이를 테스트하기 위해 연구원들은, 쥐에게 특정 소리 주파수들을 학습하고 조작하도록 훈련을 시키고, 성공하면 보상을 주는 한편, 동시에 쥐의 해마와 내후각피질에서 뉴런들의 반응 활동을 모니터링 했다. 우선 쥐에게 레버(lever)를 눌러 음높이(pitch), 즉 주파수를 높이도록 했는데, 그러면 스피커를 통해 소리가 증가하도록 했다. 쥐들은 레버를 눌러 사전에 정해진 주파수 영역에 도달하면 레버를 더 이상 안 누르고 해제토록 (released) 훈련을 받았는데, 이에 성공하면 보상을 주는 방식이었다. 

연구원들은 쥐가 이 작업을 수행하는 동안 쥐의 행동들에 반응하는 뉴런들의 패턴들을 관찰했다. 그랬더니 쥐가 소리 주파수들의 진행에 따라 행동하는 대로 뉴런들의 활동들이 순차적으로 나타났는데, 이는 공간을 탐색하는 과정에서 생성된 뉴런의 순차적인 활동들과 유사한 것이었다. 

결론적으로 공간을 매핑하고 탐색하는 뉴런들의 패턴들과 소리에 반응하는 뉴런들의 패턴들은 같은 것이었다. 쥐가 특정 장소에 있을 때 해마의 장소 뉴런 세포들의 활동들과 쥐가 특정 위치를 지날 때 내후각피질에 있는 그리드 뉴런 세포들의 활동들과 같은 것이었다. 

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▲ 쥐들은 레버를 누르고, 특정 소리 주파수에 도달할 때까지 계속 누르고, 그 다음 도달하면 해제하고, 그러면 보상을 받는 훈련을 받았다. Credit: Illustration by Julia Kuhl

이번 연구의 발견은, 해마-내후각피질 시스템은 다양한 작업들을 수행하고 있다는 것을 제안하는 것이다. 그 동안 단지 공간의 GPS만을 담당하고 있다는 것을 훨씬 뛰어 넘는 연구 결과이다. 

데이비드 탱크 (David Tank) 교수는 “따라서 연구결과의 의미는 두뇌의 해마와 내후각피질은 단지 특정 위치만을 표현하는 것이 아니라 동물들의 기억과 경험에 관련된 다른 특징들을 표현하고 있다는 것이다. 이러한 특징들은 연속적인 방법에서 다양하게 나타나는데, 그 결과 뉴런의 활동들이 순차적으로 나타나는 것이다”라고 말했다. 탱크 교수는 기초과학 및 수학분야의 연구 발전을 도모하고 있는 시몬스 재단의 세계 두뇌 시몬스 협력 (Simons Collaboration on the Global Brain) 책임자이기도 하다.

아로노브 (Dmitriy Aronov) 는 “여러분이 새로운 위치에 갔을 때, 여러분의 두뇌는 정신적 맵을 만들어 낼 뿐 아니라, 여러분 위치의 기억들을 생성해준다. 이번 연구로 해마와 내후각피질의 신비가 풀렸다고 해도 과언이 아닌데, 이들은 기억과 위치 (memory and location) 를 담당한다”라고 말했다. [정리 김들풀 기자  itnews@itnews.or.kr]
 

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