한꺼번에 반짝, 의사 결정은 뇌 전체가 부르는 합창
하이커뮤니티매니져
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의사결정을 할 때의 뉴런 활동을 보여주는 뇌 지도. 뇌 전체 영역이 활성화됐음을 알 수 있다. 지도에 표시된 것은 7만5천개의 뉴런 신호다. 국제뇌연구소 제공
아침에 일어나 물이나 커피 중 뭘 마실지 결정할 때 우리 뇌에선 어떤 일이 일어날까? 우리 뇌가 어떻게 의사 결정을 하는지는 과학자들이 여전히 완전히 이해하지 못하고 있는 분야 가운데 하나다.
과학자들이 생쥐 실험을 통해 어떤 의사 결정이 필요할 경우, 기존에 생각했던 것처럼 뇌의 특정 영역이 아니라 뇌 전체 영역이 활성화한다는 걸 발견해 국제학술지 네이처에 두편의 논문으로 발표했다.
이는 의사 결정이 뇌 전체에 분산된 여러 영역이 복잡하게 얽히며 고도로 협력하는 네트워크 방식으로 이뤄진다는 걸 보여주는 것으로, 전통적인 계층적 관점(hierarchical view)에 이의를 제기하는 연구다. 계층적 관점에선 뇌의 정보 처리가 마치 피라미드처럼 특정 영역에서 시작해 순차적으로 상위 영역으로 전달된다고 본다. 이 관점에서는 복잡한 행동이나 의사결정은 뇌의 특정 상위 영역이 주도하고, 다른 영역들은 정보를 전달하는 ‘하위 기관’ 역할을 한다고 생각한다. 예컨대 감각 영역이 결정 영역으로 정보를 전달하고, 결정 영역이 운동 영역을 활성화하는 식이다.
생쥐 실험을 묘사한 그림. 화면에 나타난 줄무늬 원을 가운데로 옮기면 물을 주고, 그렇지 않으면 소음을 내는 실험을 하면서 이때 활성화하는 뇌 영역을 기록했다. 아래 그림은 실험 횟수를 거듭할수록 줄무늬 원 판별이 잘 안되도록 했다는 뜻이다. 국제뇌연구소 제공
크리스마스트리 점등하듯 한꺼번에 빛나
국제뇌연구소(IBL)에 참여하고 있는 영국 유니버시티칼리지런던, 미국 로스앤젤레스 캘리포니아대(UCLA) 등 유럽과 미국의 12개 연구소 과학자들은 생쥐 139마리의 뇌에 전극을 삽입한 뒤, 생쥐가 어떤 행동을 하기로 결정할 때 62만여개의 개별 뇌 신경세포(뉴런)에서 일어나는 신호를 기록했다. 연구진을 이끈 알렉상드르 푸제 제네바대 교수는 의사 결정 활동은 마치 크리스마스트리를 점등하듯 뇌를 환하게 밝혔다고 말했다.
연구진은 뉴로픽셀(Neuropixels)이라는 최첨단 전극 덕분에 생쥐 뇌 전체의 95%에 해당하는 279개 영역을 모니터링할 수 있었다고 밝혔다. 의사 결정 과정에서 뇌 전체에 걸친 개별 뉴런의 활동을 기록한 것은 이번이 처음이다.
연구진은 화면 앞에 생쥐를 놓고, 화면 왼쪽이나 오른쪽에 검은 줄무늬 원이 뜰 때 생쥐가 바퀴를 돌려 원을 중앙으로 옮기면 보상으로 설탕물을 한 모금 주는 실험을 실시했다. 실패하면 펑하는 소리와 함께 짧은 휴식이 주어졌다. 연구진은 실험이 진행될수록 화면의 빛을 점차 약하게 했다. 이는 화면의 원이 보이지 않을 경우, 이전에 원이 어느 쪽에 얼마나 자주 나타났는지에 기반해 생쥐가 바퀴를 돌리는 방향을 스스로 결정하도록 유도하기 위한 것이다.
연구진이 생쥐 실험에 사용한 전극 뉴로픽셀. 국제뇌연구소 제공
조현병·자폐증 원인 규명에 기대
실험 결과 생쥐가 결정을 내리는 순간 뇌 전체에서 뉴런 활동 신호가 나타났다. 보상 반응은 시각 처리 영역부터 운동 제어 중추에 이르기까지 다양한 영역을 활성화시켰다. 심지어 기본적인 감각 영역도 움직임을 보였다. 과거 경험에 기반한 행동에서도 고차원적 사고 영역뿐 아니라 감각 처리, 행동 제어를 포함한 뇌 전체 영역이 활성화했다. 이는 뇌가 예측 기계로 작동할 때도 감각, 행동 등 여러 뇌 영역에 각인돼 있는 경험을 모두 활용한다는 걸 뜻한다.
연구진은 이번 발견은 조현병이나 자폐증 같은 정신 질환의 원인을 규명하는 데 도움이 될 수 있을 것으로 기대했다. 뇌에는 어떤 기대를 했다가 실제와 다르면 그 기대를 수정하는 과정이 있는데, 조현병이나 자폐증은 이 과정이 일반인들과 다른 데서 생기는 것으로 추정한다.
이번 연구는 생쥐를 대상으로 한 연구이지만, 설치류는 인간과 뇌 구조 및 기능에서 비슷한 점이 많다는 점에서 인간의 복잡한 인지 기능에 대한 이해를 ‘전체론’(holistic) 관점으로 확장하는 중요한 첫걸음이라고 할 수 있다.
로스앤젤레스 캘리포니아대의 케네스 해리스 교수는 “이번 연구는 어느 한 연구실에서 감당하기에는 너무 큰 프로젝트”라며 “전통적으로 신경과학은 뇌 영역을 개별적으로 연구해 왔는데 이제 뇌 전체를 기록함으로써 모든 조각들이 어떻게 맞물리는지 이해할 수 있게 됐다”고 말했다.
유니버시티칼리지런던의 톰 미세스-플로겔 교수는 “뇌는 우주에서 우리가 아는 가장 복잡한 구조이며, 뇌가 어떻게 행동을 유발하는지 이해하려면 그 복잡성에 걸맞은 규모의 국제 협력이 필요하다”고 덧붙였다.
https://www.hani.co.kr/arti/science/science_general/1220605.html#ace04ou
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