비즈니스 기회
휴식 중인 뇌에서 뉴런은 미래의 경험을 연습
어떤 꿈은 실제로 미래를 예측할 수 있습니다.
새로운 연구는 수면 중에 일부 뉴런이 최근의 과거를 재생할 뿐만 아니라 미래의 경험을 예측한다는 것을 발견했습니다.
이 발견은 라이스 대학과 미시간 대학의 연구팀이 네이처(Nature)에 발표한 수면과 학습에 관한 연구가 제공하는 일련의 통찰력 중 하나입니다.
이 연구는 쥐의 해마에 있는 개별 뉴런이 동물이 처음으로 미로를 달리는 후 휴식 기간 동안 공간 표현을 안정화하고 조정하는 방법에 대한 전례 없는 관점을 제공합니다.
"특정 뉴런은 특정한 자극에 반응하여 발화합니다."라고 미시간 대학의 마취학 부교수이자 이번 연구의 교신 저자인 캄란 디바(Kamran Diba)는 말했습니다. "시각 피질의 뉴런은 적절한 시각적 자극이 주어졌을 때 발화합니다. 우리가 연구하고 있는 뉴런은 장소의 선호도를 보여줍니다."
라이스 대학의 신경과학자 케일럽 케미어(Caleb Kemere)는 디바(Diba)가 이끄는 미시간 주의 신경 회로 및 기억 연구소(Neural Circuits and Memory Lab)의 공동 연구자들과 함께 이러한 특수 뉴런이 새로운 경험 후 세계를 표현하는 과정을 연구해 왔습니다. 특히, 연구진은 새로운 기억을 통합하는 데 중요한 역할을 하는 것으로 알려진 신경 활성화 패턴인 날카로운 파동을 추적했으며, 최근에는 새로운 경험의 어떤 부분을 기억으로 저장해야 하는지 태그하는 것으로 나타났습니다.
"이 논문에서 처음으로, 우리는 이 개인적인 뉴런이 휴식기간 동안 공간 표현을 안정시키는 방법을 관찰했습니다," Kemere교수는 말했습니다.
수면은 기억력과 학습에 매우 중요합니다. 과학은 깨어 있거나 수면 부족 기간이 지난 후가 아닌 낮잠 후의 기억력 테스트에서 성능을 측정함으로써 이 오래된 직관을 정량화했습니다.
수십 년 전, 과학자들은 잠자는 동물의 뇌에 있는 뉴런이 휴식을 취하기 직전에 새로운 환경을 탐험하도록 허용된 상태에서 동물의 궤도를 재생하는 방식으로 발화한다는 것을 발견했습니다.
이 발견은 수면이 새로운 경험이 안정적인 기억으로 결정화되는 데 도움이 된다는 지식과 일치하며, 따라서 해마에 있는 이러한 많은 특수 뉴런의 공간적 표현이 수면 중에 안정적임을 시사합니다. 하지만, 연구원들은 그 이야기에 더 많은 것이 있는지 보고 싶었습니다.
"우리는 일부 뉴런이 그들의 표현을 바꿀 수 있다고 상상했습니다. 우리 모두가 문제에 대한 새로운 이해로 깨어난 경험을 반영합니다."라고 Kemere는 말했습니다. "그러나 이것을 보여주기 위해서는 개별 뉴런이 공간 조정, 즉 뇌가 새로운 경로나 환경을 탐색하는 방법을 배우는 과정을 추적해야 했습니다."
연구진은 쥐가 양쪽 끝에 액체 보상이 있는 돌출된 궤도를 앞뒤로 달리도록 훈련시켰고, 그 과정에서 동물의 해마에 있는 개별 뉴런이 어떻게 "급증"하는지 관찰했습니다. 연구진은 여러 바퀴를 앞뒤로 돌면서 평균 스파이킹 속도를 계산함으로써 뉴런의 위치장(place field) 또는 주어진 뉴런이 가장 신경 쓰는 환경 영역을 추정할 수 있었습니다.
"여기서 중요한 점은 동물의 행동을 사용하여 장소 필드를 추정한다는 것입니다"라고 Kemere는 동물이 미로를 통해 물리적으로 움직이지 않는 휴식 시간 동안 장소 필드에 어떤 일이 발생하는지 평가하는 데 어려움을 강조했습니다.
"나는 수면 중과 같이 미로 밖에서 뉴런의 선호도를 어떻게 평가할 수 있는지에 대해 오랫동안 생각해왔습니다"라고 디바는 말했습니다. "우리는 각 개별 뉴런의 활동을 다른 모든 뉴런의 활동과 관련시킴으로써 이 문제를 해결했습니다."
연구진은 조사된 다른 뉴런을 이용해 동물이 꿈을 꾸고 있는 위치를 추정하는 통계적 기계 학습 접근법을 개발했습니다. 그런 다음 그들은 꿈꾸는 위치를 사용하여 데이터 세트의 각 뉴런에 대한 공간 조정 과정을 추정했습니다.
"자극 없이도 뉴런의 선호도를 추적할 수 있는 능력은 우리에게 중요한 돌파구였습니다"라고 Diba는 말했습니다.
이 방법은 새로운 환경을 경험하는 동안 형성되는 공간적 표현이 대부분의 뉴런에서 경험 후 수면 시간 동안 안정적이라는 것을 확인했습니다. 그러나 연구진이 예상했던 대로, 그 이상의 이야기가 있었습니다.
"우리는 수면 중에 일어나는 다른 변화들을 볼 수 있고, 동물들을 두 번째로 환경에 돌려놓았을 때, 우리는 이러한 변화들이 동물들이 잠들어 있는 동안 학습된 것을 실제로 반영한다는 것을 검증할 수 있습니다. 마치 동물이 잠을 자고 있을 때 공간에 두 번째 노출이 일어나는 것과 같습니다."
이것은 수면 중에 발생하는 신경 가소성에 대한 직접적인 관찰을 구성하기 때문에 중요합니다. 케미어 교수는 뉴런이 다시 연결되고 새로운 표상을 형성할 수 있도록 하는 메커니즘을 조사하는 거의 모든 가소성 연구는 관련 자극이 없는 수면 중이 아니라 자극이 제시되는 깨어 있는 시간 동안 어떤 일이 일어나는지를 살펴본다고 강조했습니다.
디바는 "뇌의 가소성(plasticity)이나 재배선(re-wire)은 정말 빠른 시간 척도를 필요로 하는 것 같습니다"고 말하며, "몇 초, 몇 분, 몇 시간 또는 며칠이 걸릴 수 있는" 실제 경험의 지속 시간과 "매우 압축된" 실제 기억 사이의 매혹적인 관계를 지적했습니다.
"기억나는 것이 있다면, 그 기억은 순간적이다." 디바는 프랑스 모더니즘 작가 마르셀 프루스트(Marcel Proust)의 유명한 문학 구절을 언급하며 어린 시절의 기억이 순식간에 과거의 경험이라는 잃어버린 세계를 통째로 풀어낸다고 말했습니다.
이 연구는 지난 수십 년 동안 안정적인 고해상도 신경 프로브 설계의 기술 발전과 기계 학습 기반 계산 능력에 의해 가능해진 신경 과학의 발전의 한 예입니다.
이상의 기사는 2024년 5월 30일 MedicalXpress에 게재된 “In the brain at rest, study indicates neurons rehearse future experience”제목의 기사 내용을 편집하여 작성하였습니다.
* 원문정보 출처 : In the brain at rest, study indicates neurons rehearse future experience (medicalxpress.com)
* 추가정보 출처 : Retuning of hippocampal representations during sleep | Nature