카이스트(KAIST)는 생명과학과 한진희 교수 연구팀이 뉴런과 시냅스 연결로 구성된 복잡한 신경 네트워크에서 기억을 인코딩하는 뉴런이 선택되는 근본 원리를 규명했다고 13일 밝혔다.
카이스트 생명과학과 정이레 연구원이 제1저자로 참여한 이번 연구는 네이처 출판 그룹의 오픈 액세스(Open-access) 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 6월 24일자로 게재됐다. (논문명: Synaptic plasticity-dependent competition rule influences memory formation)
과거의 경험은 기억이라는 형태로 뇌에 저장되고 나중에 불러오며, 기억은 뇌 전체에 걸쳐 극히 적은 수의 뉴런들에 인코딩되고 저장된다고 알려져 있다. 하지만 이 뉴런들이 미리 정해져 있는 것인지, 아니면 어떤 원리에 의해 선택되는 것인지는 확실하게 알려지지 않았다.
이는 신경과학의 미해결 난제 중 하나인 기억이 뇌에서 어떻게 형성되는지를 규명할 단서로, 학문적으로 매우 중요할 뿐 아니라 치매를 치료할 수 있는 단서가 된다.
반 세기 이전 캐나다의 신경심리학자 도널드 올딩 헤브(Donald O. Hebb)는 '행동의 조직화(The Organization of Behavior)(1949)' 에서 두 뉴런이 시간상으로 동시에 활성화되면 이 두 뉴런 사이의 시냅스 연결이 강화될 것이라는 시냅스 가소성(synaptic plasticity) 아이디어를 제시했으며, 실험을 통해 학습으로 특정 시냅스에서 실제로 장기 강화(long-term potentiation, 이하 LTP)가 일어난다는 것이 증명됐다.
이후 지금까지 LTP가 기억의 핵심 메커니즘으로 생각돼왔을뿐, LTP가 기억을 인코딩하는 뉴런을 어떻게 결정하는지 지금까지 규명되지 않았다. 그림 = 서로 연결된 뉴런 집합체 형성을 통한 기억형성 모식도(카이스트 연구팀 제공).
이를 규명하기 위해 연구팀은 생쥐 뇌 편도체(amygdala) 부위에서 자연적인 학습 조건에서 LTP가 발생하지 않는 시냅스를 광유전학 기술을 이용, 특정 패턴으로 자극함으로써 인위적으로 시냅스 연결을 강하게 만들거나 혹은 약하게 조작했다. 기억을 인코딩하는 뉴런이 달라지는지를 조사하는 방식으로 연구를 수행했다.
연구 결과 생쥐가 공포스러운 경험을 하기 전에 이 시냅스를 미리 자극해서 LTP가 일어나게 했을 때, 원래는 기억과 상관없었던 이 시냅스에 기억이 인코딩되고 LTP가 일어난 뉴런이 주변 다른 뉴런에 비해 매우 높은 확률로 선택적으로 기억 인코딩에 참여함을 발견했다.
학습하고 난 바로 직후에 이 시냅스를 다시 광유전학 기술로 인위적으로 자극해서 이 시냅스 연결을 약하게 했을 때, 더는 이 시냅스와 뉴런에 기억이 인코딩되지 않는 결과를 얻었다.
반면 정상적으로 생쥐가 공포스러운 경험을 하고 난 바로 직후에 LTP 자극을 통해 이 시냅스 연결을 인위적으로 강하게 했을 때, LTP를 조작해준 이 시냅스에 공포 기억이 인코딩되고 주변 다른 뉴런들에 비해 LTP를 발생시킨 이 뉴런에 선택적으로 인코딩되는 것으로 나타났다.
이 같은 결과는 시냅스 강도를 인위적으로 조작했을 때 기억 자체는 변하지 않지만, 그 기억을 인코딩하는 뉴런이 변경되는 것을 의미한다.
한진희 교수는 "LTP에 의해 뉴런들 사이에서 새로운 연결패턴이 만들어지고 이를 통해 경험과 연관된 특이적인 세포 집합체(cell assembly)가 뇌에서 새롭게 만들어진다"면서 "이렇게 강하게 서로 연결된 뉴런들의 형성이 뇌에서 기억이 형성되는 원리임을 규명한 것"이라고 설명했다.
한편 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구 사업 지원을 받아 수행됐으며 정이레 박사는 한국연구재단의 박사 후 국내 연수 사업의 지원을 받았다.
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