미국 조지아주립대(Georgia State University) 연구에 따르면 복잡한 인지 작업을 수행하기 위해 함께 작용하는 두뇌 개별 영역간 뇌 네트워크(brain networks) 형태와 연결성은 시간이 지남에 따라 근본적이고 반복적으로 변할 수 있다고 한다.

기능적 연결성(functionally connectivity)으로 알려진 뉴런들 사이의 상호작용과 의사소통은 뇌 네트워크를 발생시킨다. 오랫동안 이 네트워크들은 공간적으로 정적이며 고정된 뇌 영역 집합이 각 네트워크에 기여한다고 알려져 왔다. 그러나 과학저널 휴먼브레인맵핑(Human Brain Mapping)에 발표된 새로운 연구에서 조지아주립대 연구진은 뇌 네트워크가 공간적으로나 기능적으로 유동적이라는 증거를 발견했다.

연구진은 기능자기공명영상(fMRI) 뇌영상 데이터를 수집해 몇 분 동안 세분화된 수준에서 네트워크 활동의 스냅샷을 만들고, 네트워크의 기능, 크기, 위치 등의 급격한 변화를 관찰했다.

이 연구의 주저자인 TReNDS(Translational Research in Neuroimaging and Data Science) 센터 연구과학자 아민 이라지(Armin Iraji)는 “각 뇌의 영역이 시간이 지남에 따라 동일한 방식으로 뇌의 나머지 부분과 상호작용을 한다고 가정하는 것은 지나치게 단순화한 것”이라고 말했다.

이 연구의 공동 저자는 빈스 칼훈(Vince Calhoun) 심리학과 석좌교수 겸 TReNDS 소장, 제시카 터너(Jessica Turner) 심리학과 부교수 등이다.

연구자들은 주어진 뇌 네트워크의 공간적 특성은 다른 뇌 네트워크와의 관계와 마찬가지로 시간이 지남에 따라 변화한다는 것을 발견했다.

이라지는 “전체 시스템을 운영하기 위해 직원들이 함께 일하는 조직처럼 뇌를 생각할 수 있다”며 “오랫동안, 우리는 뇌 네트워크가 같은 사람들이 매일 같은 일을 하는 부서나 사무실과 같다고 생각했다. 하지만 뇌 연결망은 사람들이 드나들고 주어진 시간에 다른 직업들이 수행되는 동료들의 공간에 더 가깝다는 것이 밝혀졌다”고 설명했다.

이와 같은 공간적, 기능적 차이를 무시하면 두뇌에 대한 부정확하고 불완전한 이해가 이루어질 수 있다는 주장이다.

연구진은 “다른 시간대에 두 지역 간의 기능적 연결성을 측정, 어느 정도 변동성을 본다고 가정하자”며 “한 가지 관점은 특정 업무와 관련된 연결의 강도가 시간이 지남에 따라 변한다는 것이다. 하지만 만약 그 지역이 다른 시간에 다른 일을 담당한다면? 아마 이 두 사무실에는 서로 다른 날에 다른 사람들이 있기 때문에 소통의 차이를 보이는 것일 수 있다”고 말했다.

연구진의 이 연구는 기능적 연결 패턴이 시간에 따라 변하는 뇌의 모델인 크로넥톰(chronnectome) 개념을 기반으로 한다. 발견은 “공간적” 크로넥톰을 제시한 것일 수 있다.

뇌 네트워크

오히려, 주어진 뇌 네트워크의 공간적 특성은 다른 뇌 네트워크와의 관계와 마찬가지로 시간이 지남에 따라 변화한다는 것을 연구자들은 발견했다.

과학자들은 또한 정신분열증 환자와 건강한 통제그룹 대상자들 간에 뇌 네트워크가 다를 수 있는지 여부를 조사했다. 그들은 두 그룹 사이 대조에서 차이를 발견했지만, 이러한 차이가 일관되게 존재하는 것은 아니므로 일시적인 변화를 포착하는 것이 중요하다는 점에 주목했다.

저자는 “대부분의 이전 연구들은 시간이 지남에 따라 평균적인 네트워크 활동을 조사했다 하지만 평균치는 건강한 사람과 뇌 질환을 앓고 있는 사람들 사이의 차별화 요인이 될 수 있는 그런 작은 변동들을 모두 제거하게 될 것”이라고 말했다.

연구진은 미래에 이러한 질환을 연구하는 과학자들이 뇌를 모형화 할 때 공간적 동적 연결망의 가능성을 포함해야 한다고 말했다.

이 연구는 미국 국립보건원( National Institutes of Health)과 국립과학재단(NSF)이 지원했다.

*논문제목/저자/저널정보

“The spatial chronnectome reveals a dynamic interplay between functional segregation and integration” / Armin Iraji et al / Human Brain Mapping. doi:10.1002/hbm.245805