특정 공간과 장소 찾아가는 뇌 전략 찾았다

물체를 완전히 비우거나(왼쪽) 배치한(오른쪽) 원형의 통을 이동할 때 CA1 장소세포의 활성 정도. KIST 제공.

국내 연구진이 뇌의 해마에 있는 장소세포가 장소에 대한 정보를 마치 바코드처럼 저장한다는 사실을 규명했다. 

한국과학기술연구원은 세바스쳔 로열 뇌과학연구소 책임연구원 연구팀이 뇌 해마의 장소세포가 빈도코드와 위상코드를 이용해 장소 정보를 저장한다는 사실을 알아냈다고 19일 밝혔다. 빈도코드는 하나의 신경세포가 활동전위를 발생시키는 빈도를, 위상코드는 여러 신경세포들 사이에서 발생하는 활동전위 사이의 시간적 간격을 뜻한다. 

길을 찾거나 특별한 장소를 기억하는 것은 뇌 속 어딘가 내비게이션 역할을 하는 영역이 있기 때문이다. 자주 가는 곳을 쉽게 찾아가는 것도 이같은 뇌의 기능 때문이다. 

과학자들은 그동안 뇌 속 해마의 장소세포가 공간 지각 능력을 담당한다는 사실을 규명했다. 하지만 위치와 공간에 대한 장기 기억을 형성하고 저장하는 장소세포가 특정 장소에서 어떻게 활성화되는지는 밝혀지지 않았다. 

연구진은 두 가지 유형의 공간 실험으로 해마의 장기 기억 형성과 활성화 기초 원리를 확인했다. 첫 번째 공간실험은 트레드밀의 긴 벨트에 빈 구간과 작은 물체들이 산재한 구간을 만들어 쥐가 순차적으로 달리는 훈련을 하도록 구성됐다. 두 번째 공간실험은 원형의 통에 물체를 배치하거나 완전히 비우는 방식으로 이뤄졌다. 

그리고 공간 기억 형성에 중요한 역할을 하는 것으로 추정됐지만 구체적인 기능을 파악하지 못했던 해마의 소영역인 CA1과 CA3에 실리콘 탐침 전극을 심어 신경세포 활성도를 분석했다. 

두 실험을 진행한 결과 해마는 공간과 위치, 물체의 상황과 환경 조건에 따라 서로 다른 뇌 영역과 별개의 입력장치 및 정보처리 전략을 활용하는 현상이 관찰됐다. 

물체가 없는 단순한 환경에서는 CA1 표면에서 하나의 신경세포가 활동전위를 발동시키는 빈도수를 공간과 위치 정보와 매칭해 저장하는 ‘빈도코드(rate code)’를 사용하는 세포 집단이 활성화되는 경향이 나타났다. 반대로 물체가 많은 복잡한 환경에서는 CA1 심층부의 활성도가 높아지면서 정보처리에 여러 신경세포들 사이의 시간 간격들을 함께 저장하는 ‘위상코드(phase code)’가 주로 활용되는 것으로 나타났다. 

빈도코드는 포괄적인 위치와 공간 감각을 제공해야 할 때, 위상코드는 물체의 정확한 위치 및 공간과의 관계를 기억해야 할 때 연관된다는 것이다. 

연구진은 또 단순한 환경에서는 주로 CA3가 CA1에 정보를 제공하고, 복잡한 환경에서는 해마와 함께 있는 뇌의 영역으로 기억과 연관되는 것으로 알려진 내후각 피질이 CA1에 정보를 제공한다는 사실도 규명했다. 

세바스쳔 로열 책임연구원은 “이번 연구를 통해 해마가 어떻게 정보를 처리하는지를 이해할 수 있으며, 이는 기억의 기초 원리를 보다 심층적으로 밝히는 토대가 될 것”이라며 “알츠하이머 치매, 기억상실, 인지장애 같은 해마 손상 관련 뇌질환 치료에 기여할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다. 이번 연구결과는 국제학술지 '뉴런' 최신호에 게재됐다. 

[김민수 기자 reborn@donga.com]