KMCRIC

대뇌 피층 뉴런 정보의 해독 메커니즘 해석

Probing Sensory Readout via Combined Choice-Correlation Measures and Microstimulation Perturbation

9월 20일 <뉴런> 정기 간행물 온라인에는 중국과학원 신경과학연구소, 뇌과학 및 지능기술 우수혁신센터, 중국과학원 영장류신경생물학중점연구실 공간감지연구과제 팀에서 발표한 “선택-연관 결정과 미세 자극 교란에 의한 감각 해독 조사(Probing Sensory Readout via Combined Choice-Correlation Measures and Microstimulation Perturbation)”라는 제목의 연구 논문이 실렸다. 연구자들은 원숭이의 공간운동 방향판별 임무를 진행하면서 대뇌 피층 상두엽 내측 피층, 중두엽 피층 및 상복부 피질 세 가지 영역에서 뉴런 반응을 기록하였다. 수학적 방법에 의해 이러한 반응 중 두 가지 성분, 즉 뉴런 암호화의 지각 신호와 원숭이 인지 결정 신호를 분리하고 미세전류 자극 교란의 새로운 수술 방법을 통해 뇌의 세 가지 위치에서의 뉴런 신호가 아래 단계에서 우선하는지와 중요도를 각각 조사하였다.

대뇌의 공간감지는 두 가지의 중요한 단계를 포함한다. 하나는 암호화(code)의 단계이다. 즉 외부 환경의 소리, 색, 빛 등 자극이 각종 감각기관을 통해 대뇌로 들어와서 해당하는 감각 자극 뉴런 성분을 활성화한다. 그래서 외부 자극 분별 코드를 해당하는 뉴런의 전기 활동 중에서 예를 들어 특정한 운동 방향을 좋아하게 한다거나 특정 공간으로 향하게 하거나 공간특정 위치의 세포를 선호하게 한다. 두 번째는 해독(decode)의 단계이다. 즉 이와 같은 뉴런의 전기신호와 신경 시스템의 층별 전달을 통해서 아래 단계의 뉴런에 의해서 정보를 추출하고 최종적으로 대뇌가 외부 자극의 감지로 바뀌게 된다. 그리고 이러한 기초 위에서 최종 결정을 내려서 특정한 행위를 하게 된다.

대뇌 뉴런의 암호화 메커니즘에 대해서는 광범위한 연구가 있었다. 그러나 두 번째 단계인 해독에 대한 연구는 상대적으로 적었고 구체적인 해독 메커니즘에 대해서도 불분명했던 것이 사실이다. 그 가운데 중요한 한 가지 방법은 실험동물을 가지고 인지 결정을 진행함과 동시에 해당하는 감각 뉴런의 전기 발생 파동 중에서 어떤 것이 관련 신호를 결정하는 것인지를 측정한다.

비록 지금까지 여러 감각 피층 가운데서 결정과 관련된 신호를 발견하였지만, 이러한 신호가 결국 직접 뉴런이 암호화하는 신호를 대뇌가 해독하고 이용하여 결정하게 되는지를 반영하지 못하고 대뇌가 결정한 후에 다시 위 단계의 뉴런이 아래 방향 신호에 피드백을 해주는지에 대해서 아직도 격렬한 논쟁이 이루어지고 있다. 이러한 논쟁은 현재 모두 이론적으로만 이루어질 뿐, 논쟁의 쌍방이 결정적인 실험적 증거를 제시하지 못하고 있다.

이번 연구에서 신경연구소의 석사과정 학생인 여설비(Yu Xuefei)와 공간감지연구과제 팀의 팀장인 고용(Gu Yong)은 원숭이를 훈련시켜 눈을 움직이게 함으로써 원숭이들이 감지한 빛의 흐름의 운동 방향을 보고하였고, 동물이 임무를 수행함과 동시에 상두엽내측 피층(MST), 중두엽 피층(MT), 그리고 상복부 피질(VIP) 세 가지 뇌의 위치에서 뉴런 세포 바깥의 전기생리학적 활동을 기록하여 수학적 방법에 의해서 두 가지 성분으로 분리하였다. 하나는 뉴런이 암호화하는 시각 운동 방향 신호, 즉 감각 성분이고 두 번째는 원숭이의 인지 결정에 관련된 신호, 즉 결정 신호이다. 분석을 통해 세 가지 뇌의 영역에서 감각 신호는 결코 결정 신호와 계속 일치하지 않았고 어떤 경우는 반대되는 상황을 나타내기도 했다. 예를 들어 어떤 뉴런은 좌로 운동하는 암호화를 선호하고 뉴런의 신호가 증가하는 때에 원숭이가 좌로 운동하는 것을 선택하도록 했다(감각-결정 일치 세포).

그러나, 행동에서 원숭이는 우측 운동을 더 많이 선택했다(감각-결정 상반 세포). 미세전류를 이용하여 자극하는 실험을 통해 상두엽내측 피층(MST)과 중두엽 피층(MT)에서 미세전류를 통해 두 가지 세포를 흥분시켰을 때, 원숭이의 인지 결정상에서 현저하게 편차가 발생하였다. 또한 편차의 방향은 전기에 의해 자극된 뉴런에 의해 암호화된 감각 정보가 선호되는 경향을 보이고 결정 신호를 반영하는 방향이 아니다.

미세전류로 ‘감각-결정 일치 세포’가 원숭이의 인지 결정의 편차는 ‘감각-결정 상반 세포’를 자극했을 때보다 배 이상 컸다. 이는 전자의 해독의 중요성이 후자보다 크다는 것을 의미한다. 미세전류로 VIP 뉴런을 자극하면 원숭이의 인지 결정에 영향을 주지 못하는데 이는 뇌의 이 부위의 운동 정보가 그때 임무 중에 뇌의 아랫부분에서 신호를 받아 이용하지 못한다는 것을 보여준다.

이러한 직접적인 실험 결과는 대뇌 피층 뉴런이 암호화하는 감각 정보와 동물이 표현하는 결정 관련 정보가 해독 과정에서 하는 작용을 처음으로 해석하였다고 볼 수 있다. 결정 정보가 감각지각 피층에서 하는 역할에 대해서 장기간 있었던 논쟁에 대해 중요한 실험적 증거를 제공하였고 대뇌 뉴런 정보의 해독과정에서 중요도가 특정 뇌의 위치와 연관이 있을 뿐 아니라, 특정 뇌의 위치의 뉴런 군집과 관련이 있음을 나타낸다. 이뿐 아니라 모델을 세워서 일정한 이론적 예측을 제공하였는데, 두 가지 뉴런 군집 사이에 반비례의 잡음이 존재하는지가 후속 실험을 통해 밝혀지기를 기대한다.

본 연구는 고용 교수의 지도하에 위설비가 완성하였으며 해당 연구과제는 중국국가자연과학기금 및 과학기술부의 지원으로 이루어졌다.

관련연구자: Gu Yong

관련기관: Institute of Neuroscience, Key Laboratory of Primate Neurobiology, CAS Center for Excellence in Brain Science and Intelligence Technology, Chinese Academy of Sciences

본문키워드(한글): 감각, 뉴런, 결정

본문키워드(영문): sensory, neuron, choice

국가: 중국

원문출판일: 2018-09-21

출처: https://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(18)30739-6