뇌는 우리가 감각 기관을 통해 수집한 정보를 암호화한다. 그러나 환경을 인식하고 건설적으로 상호 작용하려면 이러한 감각 신호를 이전 경험과 현재 목표의 맥락에서 해석해야 한다.

사이언스(Science) 저널 최신호 논문에서 막스 플랑크 뇌 연구 연구소(Max Planck Institute for Brain Research)의 연구 그룹 리더 요하네스 렛커스(Johannes Letzkus) 박사가 이끄는 과학자 팀은 이러한 경험에 의존하는 하향식 정보의 핵심 소스를 확인했다.

신피질(neocortex)은 인간 두뇌의 가장 큰 영역이다. 포유류 진화 과정에서 엄청나게 확장되고 분화돼 인간과 가장 가까운 친척을 구별하는 많은 능력을 매개하는 것으로 생각된다. 더욱이, 이 영역의 기능 장애는 또한 많은 정신 질환에서 중심적인 역할을 한다. 신피질의 모든 상위 인지 기능은 주변 환경에서 신호를 전달하는 ‘bottom-up’흐름과 이전 경험과 현재 목적을 인코딩하는 내부 생성 정보를 전송하는 ‘top-down’흐름을 결합해 기능한다.

렛커스는 “수십 년간의 조사를 통해 환경으로부터의 감각 입력이 처리되는 방식이 밝혀졌다. 그러나 내부에서 생성된 정보에 대한 우리의 지식은 아직 초기 단계에 있다. 이것은 감각 지각과 같은 고등 뇌 기능에 대한 이해에서 가장 큰 차이 중 하나다. 우리와 다른 많은 과학자들의 이전 연구는 신피질의 최상층이 하향식 정보를 전달하는 입력을 받는 핵심 장소일 가능성이 높다고 제안했다. 이를 시작점으로 삼아 이러한 내부 정보의 주요 후보 소스로서 전뇌 깊숙이 박힌 시상 영역을 식별할 수 있었다”고 말했다.

연구의 제1 저자이자 실험실의 박사후연구원 레벤 파르디(M. Belén Pardi) 박사는 이러한 관찰에 동기를 부여해 학습 패러다임 전후에 마우스 신피질에서 단일 시상(thalamic) 시냅스의 반응을 측정할 수 있는 혁신적인 접근 방식을 고안했다.

연구에 따르면 관련성이 없는 중립 자극은 이 경로에서 작고 일시적인 반응에 의해 암호화된 반면, 학습은 그들의 활동을 강력하게 촉진하고 신호를 시간이 지남에 따라 더 빠르고 더 지속하게 했다. 이것은 신피질의 시냅스가 동물의 이전 경험을 암호화한다는 것을 시사한다.

렛커스는 “우리는 획득한 기억력의 강도를 시상 활동의 변화와 비교했을 때 이것이 사실이라고 확신했다. 이것은 강력한 양의 상관 관계를 드러냈고, 이는 시상으로부터의 입력이 자극의 학습된 행동 관련성을 두드러지게 인코딩한다는 것을 나타낸다”고 말했다.

그러나 이 메커니즘은 이러한 하향식 메모리 관련 신호에 대해 선택적인가? 감각 자극은 우리가 그들과 연관시키는 법을 배웠기 때문에 관련될 수 있지만 단순히 물리적 특성 때문이기도 하다.

예를 들어, 소리가 클수록 인간과 동물 모두에게 더 쉽게 관심을 끌 수 있다. 그러나 이것은 이전 경험과 거의 관련이 없는 저수준 기능이다. 파르디는 “흥미롭게도 우리는 이러한 상향식 관련성에 대해 매우 다른, 실제로 반대되는 인코딩 메커니즘을 발견했다”고 말했다.

그 중요성을 감안, 과학자들은 이러한 신호가 대뇌 피질에서 수신되는 방식이 엄격하게 규제돼야 한다고 추측했다. 연구팀은 TUB(Technische Universität Berlin) 연구팀과 협력해 계산 모델링과 결합한 추가 실험에서 이 문제를 해결했다. 결과는 실제로 이 경로를 따라 정보를 미세 조정할 수 있는 이전에 알려지지 않은 메커니즘을 확인, 이러한 하향식 신호의 동적 게이트 키퍼로서 신피질의 최상층에 있는 특수한 유형의 뉴런을 식별했다.

렛커스는 “이 결과는 감각 신피질에 대한 시상 입력이 감각 자극과 관련된 과거 경험에 대한 정보의 핵심 소스임을 보여준다. 이러한 하향식 신호는 자폐증 및 정신분열증과 같은 여러 뇌 질환에서 교란되며 우리의 희망은 현재의 발견은 또한 이러한 심각한 조건의 기초가 되는 부적응적 변화에 대한 더 깊은 이해를 가능하게 할 것”이라고 설명했다.

*M. Belén Pardi, Johanna Vogenstahl, Tamas Dalmay, Teresa Spanò, De-Lin Pu, Laura B. Naumann, Friedrich Kretschmer, Henning Sprekeler, Johannes J. Letzkus. A thalamocortical top-down circuit for associative memoryScience, 2020; 370 (6518): 844