카이스트(KAIST)는 생명과학과 이승희 교수 연구팀이 시각 정보를 인식해 목표 지향적 행동을 결정하는 대뇌 전두엽의 신경회로 기전을 새롭게 규명했다고 26일 밝혔다.
이 교수 연구팀은 시각 피질과 상호 작용하는 전측 대상회(전대상) 피질(Anterior cingulate cortex, ACC)의 억제성 신경회로가 동물이 시각 정보를 인식하고 이에 맞는 정확한 행동을 개시하는 데 중요한 역할을 하는 것으로 확인했다.
인간은 외부 환경에서 유입되는 다양한 감각 정보를 인지해 상황에 맞는 행동을 수행한다. 예를 들어 운전할 때 신호등 앞에서 빨간색 신호를 보면 출발하지 않고 멈춰야 하며, 초록색 신호로 바뀌면 출발한다.
시각 정보를 인식하고 이에 맞는 운동 행동을 결정하기 위해 우리 뇌는 받아들인 감각 정보를 적절한 운동 정보로 변환해야 한다.
연구팀은 시각 정보가 운동 정보로 전환하는 과정을 규명하기 위해 시각 자극을 보면 물을 핥고 그렇지 않으면 물 핥기를 멈추는 목표 지향적 행동을 학습시킨 생쥐의 전대상 피질에 고밀도 실리콘 전극을 삽입해 생체 내 신경 신호를 측정·분석하는 연구를 진행했다. 사진 = 전대상 피질에서 시각-운동 변환이 이뤄지는 신경 메커니즘 모식도(이승희 교수팀 제공)
그 결과, 전두엽 전대상 피질 내에서 시각 피질로부터 정보를 받는 시각 반응성 신경세포들이 주변의 세포들을 억제할 경우 생쥐가 운동을 개시하는 것으로 나타났다.
또한 약물적 방법을 이용해 전대상 피질의 활성 정도를 낮추게 되면 생쥐는 시각 자극이 주어지지 않았음에도 불구하고 충동적으로 목표 지향적 행위를 지속하는 비정상적인 행동 양상을 보였다.
이 교수 연구팀은 이번 연구를 통해 '전대상 피질의 억제성 회로'에 의해 이뤄지는 것을 확인했다.
전대상 피질은 정상적인 감각-운동 변환 과정에서도 핵심적인 기능을 수행할 뿐 아니라, 시각 정보가 없을 때 운동 개시를 멈추고 기다려야 하는 충동 조절에도 중요한 역할을 했다.
바이러스 추적자, 광유전학, 다채널 전극 레코딩과 같은 신경과학 최첨단 실험 기법을 활용해 전대상 피질 내의 신경세포 타입과 회로가 어떠한 방식으로 시각 정보를 목표 지향적 운동 행위로 변환하는지에 대한 신경 메커니즘 원리를 규명한 것이다.
연구팀은 전대상 피질에는 시각 정보에 반응하는 시각 반응성 신경세포, 운동 개시를 억제하는 운동 억제성 신경세포, 시각 정보와 운동 개시에 반응하지 않는 나머지 신경세포 등이 존재하는 것을 확인했으며, 이 같은 세 종류의 뉴런들의 신경 활성도는 생쥐가 시각 정보를 인지해 행동을 개시하는 반응 속도와 유의미한 상관관계가 있다는 점을 확인했다.
특히 광유전학적(optognetics) 방법을 이용한 실험에서 전대상 피질의 시각 반응성 뉴런들은 시각 피질로부터 신경 정보를 직접 전달받음을 확인했으며, 광 자극으로 해당 신경 회로를 활성화할 때 시각 자극이 없어도 생쥐의 목표 지향적 행동을 유발할 수 있음을 증명했다.
이승희 교수는 "이번 연구를 통해 포유류 전두엽 전대상 피질의 신경회로가 어떻게 시각 인지 행동, 충동적 행동 등을 제어할 수 있는지를 새롭게 규명했다"면서 "주의력결핍과잉행동장애(ADHD), 조현병 등에서 전대상 피질이 정상적으로 작동하지 못할 때 나타나는 행동 장애를 치료하기 위한 정밀한 신경회로 타겟을 제시한만큼, 추후 인지장애 및 충동성을 주 증상으로 하는 뇌질환 치료 방법 개발에 적용될 수 있을 것"이라고 말했다.
이어 "이 연구에서 규명한 억제성 신경회로의 작동 원리는 외부 정보를 인식해 인지적 행동을 정교하게 제어할 수 있는 인공지능 기술 개발에도 활발히 응용될 수 있을 것"으로 내다봤다.
카이스트 생명과학과 김재현 박사가 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 네이처 뉴로사이언스(Nature Neuroscience, IF 20.071) 8월 19일자 온라인판에 게재됐다(논문명 : Gated feedforward inhibition in the frontal cortex releases goal-directed action).
한편 이번 연구는 한국 연구재단 및 KAIST 글로벌 특이점 프로그램의 지원을 통해 수행됐다.
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