뇌의 타임키퍼? 어떤 신경세포의 발견으로 뇌의 정보전달 수법의 해명에 가까워졌다

뇌의 타임키퍼? 어떤 신경세포의 발견으로 뇌의 정보전달 수법의 해명에 가까워졌다.

<뇌의 신경세포는 어떻게 해서 정보를 공유하고 있을까?> 그런 소박한 질문이 신경과학 분야에서는 오랜 동안의 논쟁의 과녁이 되고 있다.

물론 신경세포끼리는 시납으로 연결되어 있어서 하나의 신경세포가 <발화>하면 그에 이어지는 다른 신경세포에로 전기신호가 보내진다는 것은 잘 알려진 일이다.

그리고 이 단순한 모델만으로는 해명되지 않는 것도 얼마는 있다. 에를 들면 <신경세포의 발화의 어디에 정보가 실려 있는가?> 등이다. 이러한 의문을 해결해가면 <사고>의 물리적 성질을 이해할 수 있게 되는 것이다.

 

신경세포의 타임키퍼는 어디에

 

신경세포에 의한 정보의 부호화를 설명하려고 한 이론은 2개가 있다. <발화율 표현>모델과 <타이밍 표현> 모델이다.

발화율 모델은 일정기간에 몇 번 스파이크(신경세포의 발화)가 일어나는가에 정보가 실려지고 있다는 사고 방법이다. 한편 타이밍표현 모델에서는 몰스 신호와 같은 여러 가지 발화 패턴이 있어서 그 패턴에 정보가 실려 있다고 생각한다.

그런데 이 타이밍표현 모델에는 난문이 있다. 다음 발화하기까지의 기간이 <길다> 또는 <짧다>고 한다면 길다 짧다고 하는 기준이 필요하게 된다. 곧 메트로놈처럼 일정한 리듬을 찍는 무엇인가가 뇌에 갖추어져 있을 필요가 있는 것이다.

컴퓨터의 CPU에는 내부에 시계가 탑재되어 있어서 컴퓨터 내부의 모든 회로가 이 시계신호에 시간을 맞추어 동작한다. 타이밍표현 모델이 바르다면 뇌에도 이 시계와 비슷한 것이 없어서는 안 된다.

뇌의 시계는 감마진동이라 부르는 반(半)규칙적인 뇌파에 존재한다고 생각하는 신경과학자도 있다. 그러나 이 시계는 일정한 리듬을 찍는 것은 아니다. 눈부신 빛 등 그 사람의 체험에 응하여 시계가 빨라지거나 느려지거나 할 가능성이 있는 것이다.

그런 제멋대로의 시계로는 신경세포끼리가 신호를 시간을 맞출 방법의 전 모습을 설명할만하지 않다. 그래서 신경과학에 있어서는 원래 감마진동이란 무엇인가 하는 격한 논쟁이 일어났던 것이다.

 

거의 일정 시간을 찍는 신경세포의 발견

 

브라운대학에서 감마진동을 연구하고 있는 크리스토파 무아(Christopher W. Moore) 와 신 혜영은 어느 정도 일정한 빈도로 발화할 뿐 아니라 어떤 자극 아래에서도 발화 빈도를 지탱하는 신경세포를 발견하여 놀랐다.

<지금까지 본 일이 없는 재미있는 무엇인가가 일어나고 있는 것이라는 것을 곧 알았다.>고 무아는 말한다. 무아와 신의 연구결과는 2019년 7월에 <Neuron>지에 발표되었다.

과거의 실험에서 무아의 연구팀은 인공적으로 자연스러운 감마진동을 마우스에게서 일어나게 함으로써 마우스의 수염 털의 감도가 좋아진 것을 실증하고 있었다. 조금의 감촉도 검지할 수 있다는 것은 보다 주의 깊어졌다고 해석할 수 있다.

이번 연구에서도 마우스의 수염에 약간 건드리는 실험을 실시하였는데 신은 이 프로세스에서 억제성신경세포의 역할에 주목하였다. 억제성신경세포는 둘레의 신경세포의 활동을 억제하여 뇌 안의 과잉전류가 흐르지 않도록 하는 세포이다. 뇌 안에서의 감마진동의 하나의 원인이 되기도 한다.

신은 3종류의 억제성신경세포를 발견하였다. 수염을 건드린 때 발화한 신경세포, 란담에 발화했다고 생각되는 신경세포, 그리고 감마진동에 맞추어서 놀랄 정도로 일정빈도로 발화하는 신경세포다.

마우스 특유의 신경세포인가?

 

캘리포니아대학 샌프란시코교 산도라신경과학센터의 정신의학 박사 비커스 소할(Vikers Sohar)은 이 신경세포의 발견으로 감마진동에 대한 논의가 끝날 가능성이 있다고 생각하고 있다.(소할은 이 연구에 관여하고 있지 않다)

신경과학에서는 감마진동의 목적에 대해서 대충 생각하고 있었으나 이 발견으로 더 명확한 기능이 있음이 시사되었다고 소할은 지적한다. <감마진동에 대한 생각이 크게 발전한 것이다. 이것은 매우 중요한 것이다. 무엇이라 해도 감마진동은 큰 논쟁의 과녁이 되었었으니까.>

이러한 신경세포가 마우스에세 발견되었다는 사실은 이 논쟁에서 반론하고 있던 연구자로서 한 순간 멈추어서 생각할 이유를 주었다.

<나에게는 이 연구결과의 중요성은 이해하기 어렵다고 생각한다.>고 이제까지 타이밍 표현 모델에 대해서 비판적이었던 뉴욕대학 신경과학자 토니 모프존(Tony Movchon)은 말한다. <이 신경세포가 여기 저기 존재한다면 벌써 발견되었을 터이다.> 곧 이 신경세포는 마우스 특유의 것이라고 하는 것이 그의 주장이다.

그러나 소할은 동의하지 않는다. <신경세포를 발견한다면 여러 가지가 말해진다. 신경과학에서는 우연에 지나지 않다는 반론이 나온다.>고 말한다. <그러나 이런 신경세포는 존재하고 있지만 단지 지금까지 특정 하는 방법이 없었을 뿐이라고 말할 가능성이 높은 것이다.>

 

뇌 전체와 일부분으로 일치하지 않는 감마진동의 수수께끼

 

그렇게 말하지만 해결해야 할 의문은 달리 있다.

통상 뇌의 감마진동은 뇌 전체의 전기적 활동, 곧 국소전장전위(局所電場電位)（LFP）를 합계하여 검지하는 것인데 이번 새로 발견된 신경세포의 진동은 국소전장전위(LFP) 전체의 감마진동과 일치하지 않는다.

인도 과학연구소 신경과학센터의 슈프라팀 레이(Supratim Ray) 박사는 이번 발견에서는 이 정합성(整合性)에 대하여 새로운 조사가 필요하다고 생각하고 있다. 참으로 시계와 같은 신경세포라면 시간 관리를 행하고 있는 증후가 국소전장전위(LFP)의 리듬에도 나타날 터인데 그것이 보이지 않는다고 레이는 말한다. <마치 침묵의 시계와 같다.>

이에 대하여 무아는 이 현상을 감마진동이 뇌 전체의 신호가 아니라 국소 규모의 두드러지게 나타나는 신호일 가능성을 나타내는 징후라고 생각하고 있다.

<감마진동이 뇌에 관계하고 있다고 생각하는 것은 이치에 맞는다.>고 무아는 말한다. 그리고 그 감마진동은 뇌 전체의 합계신호에서 계측하는 것이 아니라 뇌 안의 작은 각 영역을 구성하는 신호로서 계측해 볼 필요가 있을는지 모른다. <국소 레벨의 신경세포집단까지 파내어 보지 않으면 신경세포가 실제로 무엇을 하고 있는지 모른다.>

무아와 신은 이번 발견된 신경세포와 뇌 전체의 리듬의 불일치에 대하여 금후에도 조사를 계속할 예정이다. 그러나 그것만이 아니라 뇌의 다른 부위에서도 이 신경세포를 발견하여 그들 신경세포를 활발하게 함으로써 마우스의 수염의 감도를 올릴 수 있을 것인지도 조사하고 싶다고 한다.

그러나 더 중요한 것은 이 신경세포를 사람의 뇌에서 발견하는 것이다. 그러면 신경세포끼리 어떻게 해서 극히 적은 전기신호의 작열에 정보를 전달하고 있는지 하는 미스테리를 해명할 수 있을는지 모른다.
https://wired.jp › 2019/11/06 › newfound-neuron-mig

(2019. 11.9 마이니치)