새로운 자극, 뇌속 '메아리'로 식별…"조현병 치료 실마리"

조현병은 환각이나 망상, 행동이상 등의 증상을 보이는 정신질환으로 기억력 감퇴와 더불어 현실과 비현실, 과거와 현재를 구분하는 능력이 약화한다. 게티이미지뱅크 제공

뇌에서 새로운 자극을 구분하는 메커니즘이 발견됐다. 뇌는 '메아리'라고 불리는 흔적을 남겨 입력된 감각에 대한 단기적인 기억을 형성하고 새로운 자극에 대한 반응을 강화시켰다. 연구결과는 조현병 등 기억 관련 질환 치료에 실마리를 제공할 것으로 기대된다.

라파엘 유스테 미국 컬럼비아대 생물과학과 교수팀은 쥐 연구를 통해 뇌에서 기존 자극과 새로운 자극을 구분하는 과정에 개별 신경세포(뉴런)가 아닌 신경망 시스템이 관여한다는 사실을 밝혀내고 연구결과를 10일(현지시간) 국제학술지 '뉴런'에 공개했다.

대뇌 피질은 포유류 뇌에서 가장 크기가 큰 부분으로 인간의 경우 지각·사고·기억·의사결정 등 대부분의 정신 활동이 일어나는 곳이다. 가설에 따르면 대뇌 피질은 외부의 새로운 정보를 식별하고 이를 기존 예상과 비교해 미래에 일어날 일을 예측한다.

연구팀은 뇌에서 '참신성(Novelty)'을 판단하는 과정을 파악하기 위한 실험을 설계했다. 유스테 교수는 "참신성은 일어날 것으로 예측한 사건과 실제로 일어난 사건 사이의 차이"라고 설명했다.

연구팀은 쥐에게 익숙한 자극과 새로운 자극을 혼합해 제공하면서 반응을 살폈다. 다양한 음높이의 소리를 들려주며 소리 정보를 처리하는 쥐의 청각 피질을 영상화하는 방식이다.

실험 결과 쥐의 신경세포들은 어떤 음의 소리가 재생되는지뿐만 아니라 얼마나 새로운 소리인지에 대해서도 반응한다는 사실이 발견됐다. 각 소리는 '메아리(echo)'라고 부르는 신경활동 흔적을 남기며 최근 자극에 대한 단기적인 기억을 형성했다. 메아리는 입력된 자극이 고유한 반응으로 이어지도록 하고 새로운 자극이 들어오면 그 반응이 훨씬 강해지도록 하는 역할을 했다.

연구팀이 청각 피질을 모사한 인공신경망을 구축하고 새로운 자극을 감지하도록 훈련시키자 인공신경망도 신경활동의 흔적인 메아리를 활용해 변화를 감지한다는 사실이 확인됐다.

연구결과의 핵심은 새로운 자극에 대한 인지가 개별 뉴런에서 이뤄지는 것이 아니라 신경망 시스템의 작용이라는 사실이다. 정신질환인 조현병의 주요 증상은 새로운 정보와 기존 정보를 구별하는 데 어려움을 겪는 것이다. 과학자들은 환자의 개별 뉴런을 해석해 이를 설명하려고 했지만 진전에 어려움을 겪었다. 

유스테 교수는 "대뇌 피질은 미래에 대한 예측을 개선하기 위해 지속적으로 새로운 자극을 감지한다"며 "연구결과는 대뇌 피질이 오작동하는 조현병 등의 질병에 통찰을 제공한다"고 밝혔다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1016/j.neuron.2025.01.011

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]