생명/의료

대뇌 작업기억 중 정보저장 관련 신경메커니즘 규명

발행일 : 2020 / 03 / 09

2020년 3월 5일, 중국과학원 뇌과학·지능기술탁월혁신센터(신경과학연구소)/상하이뇌과학·유사뇌연구센터/신경과학국가중점실험실 리청위(李澄宇) 연구팀의 논문이 “무과립 섬피질 즉시성 뉴런활동이 새 임무 학습시의 작업기억 저장을 조절”이란 제목으로 “Neuron”에 온라인으로 게재되었다.

작업기억이란 대뇌가 초 단위 규모 내에서 정보를 저장 및 조종하는 일종의 기본적 인지기능으로서 인간의 일상생활의 기본적인 수요일 뿐더러 인간 고유의 수많은 고급 인지기능의 기초이다. 그 예로 읽기, 사고, 언어학습 등을 들 수 있다. 약 반세기에 거친 연구를 통해 과학계는 대뇌가 작업기억 중 어떻게 정보를 저장하는지와 관련해 1)지속성 코딩과 2)즉시성 코딩 등 2가지 가능한 신경메커니즘이 존재한다고 제시하였다. 전자는 대뇌가 소량 뉴런의 지속성 방전만으로도 정보를 저장할 수 있다고 주장하는 반면 후자는 대뇌가 대량 뉴런의 즉시성 방전(단일 세포수준에서)을 통해 정보를 저장한다는데 무게를 두고 있다. 기존의 전기생리학적 기록에 기반한 상관성 연구에서 상기 2가지 정보 코딩 방식 모두 그 역할을 발휘하는 것으로 나타났지만 그동안 실험기술 조건의 제한으로 아직까지 해당 2가지 정보 코딩 방식과 작업기억 행동조절의 대응관계를 직접적으로 비교한 연구보고는 없다. 이를 감안해 연구팀은 행동학, 광유전학, 전기생리학 등 수단을 종합적으로 응용해 심층연구를 수행하였다.

연구팀은 머리부를 고정시킨 생쥐를 이용해 후각자극 기반의 작업기억 행동패러다임 및 고효율 안정적 행동훈련시스템을 성공적으로 개발하였다. 아울러 반증법을 통해 다음과 같은 타당성 있는 실험방안을 고안해냈다. 즉, 생쥐 행동수준에 대한 하향조절 또는 상향조절을 통해 즉시성 및 지속성 뉴런이 어떤 변화를 발생하는지를 모니터링한다.

연구팀은 광유전학적 수단을 통한 무과립 섬피질(agranular insular cortex, aAIC)의 유도기(lag phase) 전기활동 억제가 생쥐 학습기 작업기억 임무수행의 행동표현 수준을 뚜렷이 하향조절할 수 있음을 발견하였다. 3그룹 대조실험과 결합해 연구팀은 aAIC 뇌영역은 감각정보, 동기수준(motivation level), 운동제어 등을 코딩하는 것이 아닌 작업기억의 단기적 정보저장 과정에 주로 관여함을 입증하였다. 심층적 연구를 통해 내측 전전두피질(medial prefrontal cortex, mPFC)부터 aAIC까지 투사 억제도 생쥐의 행동표현 수준을 효과적으로 하향조절할 수 있고, 즉시성 뉴런 비율도 효과적으로 하향조절할 수 있음을 발견하였다. 하지만 지속성 뉴런 비율이 이와 일치한 변화를 발생하는 것은 발견하지 못했다. 반대로 mPFC부터 aAIC까지 투사 활성화는 행동 수준을 뚜렷하게 상향조절할 수 있고, 즉시성 뉴런 비율도 뚜렷하게 상향조절할 수 있었다. 상기 결과는 즉시성 뉴런(지속성 뉴런이 아님)이 생쥐 작업기억 수행의 행동표현 수준과 더 밀접하게 연관됨을 시사한다. 즉, 즉시성 코딩 신경메커니즘이 작업기억 중 정보저장을 관장할 가능성이 더 크다.

상기 결론을 더한층 검증하기 위해 연구팀은 두 번째 실험을 설계하였다. 해당 실험의 논리적 기반은, 작업기억 과정 중에 다양한 교란성 자극을 인위적으로 추가하는 한편 즉시성 및 지속성 뉴런과 생쥐 외부 교란성 자극 저항능력의 연관성을 모니터링함으로써 작업기억에서 어느 유형의 뉴런집단이 정보저장을 관장하는지를 추정하려는데 있다. 실험 결과, 생쥐가 비교적 약한 교란을 성공적으로 저항할 경우 즉시성 뉴런 비율은 뚜렷하게 증가하였다. 반대로 복잡한 교란성 자극을 효과적으로 저항하지 못할 경우 즉시성 뉴런 비율에도 상응한 상승이 발생하지 않았다. 2그룹 실험에서 지속성 뉴런 비율 모두 유의적 변화를 발생하지 않았다. 해당 결과는 즉시성 뉴런이 외부 교란성 자극 저항에 이용될 수 있어 대뇌의 임무 관련 정보 정확적 저장을 보장함으로써 임무를 성공적으로 수행함을 시사한다.

연구팀은 상기 2그룹 실험을 결합해 즉시성 뉴런(지속성 뉴런이 아님)이 작업기억 과정 중 정보저장을 관장하는 핵심 성분임을 유력하게 논증하였다. 다시 말해 기존의 실험 조건 하에서 대뇌는 즉시성 코딩 신경메커니즘을 통해 작업기억 과정에서 정보를 저장한다는데 무게를 두고 있다.

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