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해외과학 기술 동향

2015-07-15

일본 과학기술진흥기구(JST)는 전략적 창조연구추진사업으로 수행된 연구에 의해 학습이 어떻게 마우스의 뇌내 정보처리 형태를 변화시키는지 밝혀냈다고 발표했다.

우리의 지각은 외부세계 정보를 뇌가 번역하는 것으로 인식된다. 이 과정은 뇌의 신경세포군의 활동은 외부의 입력뿐만 아니라, 학습에 의해 얻어지는 뇌 내부의 예측이나 기대, 혹은 주의라는 정보에 의해서 좌우된다. 예를 들어 착각은 우리가 지각하는 무언가를 보는 그대로가 아니라, 전에 본 어떤 지식이나 문맥에 의해 일어난다. 학습은 일상적인 경험을 통해 이러한 외부 세계의 ‘내부 모델’을 뇌 내에 구축하는 과정이다. 이러한 주장은 과학자들 사이에서 오랫동안 제창되어 왔으며, 주로 인간을 대상으로 검증하고자 하였지만, 뇌부세계와 뇌의 내부모델을 신경활동을 구별하여 장기적으로 관측하는데에는 기술적으로 한계가 있어 명확한 답을 얻어내지는 못했다.

본 연구에서는 마우스의 뇌를 이용한 연구를 통해 위의 문제를 해결하고자 장기적으로 뇌의 신경활동을 관측하였다. 학습에 의한 뇌의 정보처리 형태의 변화를 관찰하기 위해 시각정보를 활용한 능동 회로 학습과제를 마우스에 부여하고, 대뇌 지각야에서 개개의 동일 세포군의 활동을 2광자 현미경으로 며칠간관찰하였다. 이 학습과제에서는 머리가 고정된 마우스가 화면의 영상에 나오는 특정 시각을 받으면서 트레이드밀 위를 달리고, 일정 속도 이상이 되면 전기자극을 회피할 수 있도록 하였다. ([그림 1]) 이 학습과제를 통해 외부 세계의 특정 시각정보에 대해 학습 전과 후에 다른 의미를 가지며, 이러한 새로운 ‘의미갖기’가 뇌의 내부모델 변화로 연결된다.

본 연구에서는 흥분성 신경세포와 억제성 신경세포를 개별적으로 관측할 수 있는 유전자 변형 마우스와 톱다운의 입력의 기점이 되는 고차 뇌영역 유전자를 이용하여, 이 신경세포 활동을 대뇌 시각야의 뇌내 개개의 신경세포군종 활동을 체계적 그리고 장기적으로 관측하는데 성공하였다. ([그림 2]) 그 결과 뇌 내부 모델에서 예측 및 기대 혹은 주의에 관한 정보를 전달하는 톱 다운 입력을 가시화하여, 학습을 통해 대뇌 시각야에 대해 톱다운 입력의 영향이 강화되는 것을 확인하였다. 또한 외부세계의 정보를 처리하는 바텀업 입력의 학습이 진행됨에 따라 톱다운 입력이 감소하여, 톱다운 입력과 바텀업 입력이 비대칭으로 변화한다는 것을 확인하였다. ([그림 2])

다음으로 학습을 통해 톱다운 입력과 바텀업 입력이라는 두 가지 정보처리 기재의 비대칭 변화 메커니즘을 밝혀내기 위해, 여러 가지 억제성 신경세포의 활동을 개별적으로 평가하여 톱다운 입력을 제어하면 특정 억제군 신경세포군의 활동을 저하된다는 것을 확인하였다. 이러한 과정을 통해 톱 다운 입력에 의한 대뇌시각야의 영향이 더욱 높아지는 것을 밝혀내었다.

본 연구에서는 학습에 의해 특정 시각정보에 대한 뇌의 정보처리 형태가 변화하는 것을 보여주었다. ([그림 3]) 또한 톱다운 입력과 바텀업 입력이라는 두 가지 정보처리 기재가 비대칭적으로 변화하는 메커니즘도 일부 해명하였다. 한편 학습에 의해 뇌의 개별 신경회로 소자에 관한 체계적이고 장기적인 관측이 세계 최초로 수행되어 지금까지 실험에서 입증하지 못한 이론을 깊게 이해하는데 성공하였다.

본 연구를 통해 우리들이 일상적인 체험을 통해 학습한 외부세계의 정보를 선입관 등으로 만드는 메커니즘의 일부를 해결하였다. 정신분열병과 같은 정신질환에서 보이는 환각 및 망상 등은 이 톱다운 입력 및 바텀업 입력의 조화가 무너진 것으로 보이며, 이러한 신경회로에서 정보처리 기재를 체계적으로 이해하는 것은 정신질환의 발증 기재를 밝혀내는데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

본 연구에 대한 자세한 연구내용은 nature neuroscience에 게재된 논문 “Learning enhances the relative impact of top-down processing in the visual cortex”에서 확인할 수 있다.

[그림 1] 두부를 고정시킨 상태의 마우스에 의한 회피학습과제
[그림 2] 2광자 현미경에의한 개개의 신경회로소자의 활동의 관측
[그림 3] 연구과제의 개념도

키워드 : 시각력, 뇌과학, 학습

출처: KISTI 미리안 글로벌동향브리핑

원문: http://www.jst.go.jp/pr/info/info1114/index.html