물리적 예측 통한 두뇌 출현 속성 조정 가능성

뉴런의 불활성과 혼돈 사이 미세한 지점인 임계(criticality)를 실험적으로 입증한 연구 결과가 나왔다.

두뇌 800억 개 이상 독립 뉴런과 100 조 이상으로 추정되는 시냅스 결합은 컴퓨터를 능가하는 생물학적 기계를 안정적으로 구축한다.

지난 20여년 간 과학자들은 뇌가 상전이(phase transition)와 유사하게 무질서에 빠지지 않고 최대로 활성화하는 지점까지 자율 조정된다는 이론을 뒷받침하는 증거를 찾아 왔다.

이 임계 가설(criticality hypothesis)은 뇌가 불활성(quiescence)과 혼돈(Chaos) 사이의 미세한 선상에서 활성화한고 설명한다. 임계 가설은 국소(local) 대뇌 피질 네트워크가 정보 처리를 최적화 할 수있는 방법으로 이 임계 지점에서 정보 처리가 최대화 된다는 이론이다. 이 같은 임계 이론의 핵심 예측은 실제로 검증된 적이 없었다.

미국 세인트루이스의 워싱턴대(Washington University in St. Louis)의 새로운 연구는 이 오랜 가설을 직접 실험을 통해 검증했다.

신경과학 저널 뉴런(Neuron)에 10월 7일자(현지시각)로 발간 된 논문의 수석저자 케이스 헨겐(Keith Hengen) 생물학 조교수는 “뉴런이 결합 할 때, 뉴런들은 임계 체제(critical regime)를 적극적으로 찾는다”며 “우리의 새로운 연구는 임계에 대한 이론적 관심의 많은 부분을 검증하고 임계가 정상적으로 작동하는 네트워크의 특징임을 보여 준다”고 말했다.

뉴런들의 임계 체제가 조율되고 있다는 것으로 헨겐은“우리 모델에서는 억제 뉴런 집단에 의해 설명됐는데, 이는 회귀적으로 더 큰 네트워크 조직을 조정할 준비가 돼 있다는 것”이라고 말했다.

뉴런 발화 임계

임계(criticality)는 그 정의에 의해 기억, 동적 범위 및 복잡한 패턴을 인코딩 및 전송하는 능력과 같은 정보 처리를 최적화하는 유일하게 알려진 계산 방식이다. 이론 물리학자들은 뇌가 임계적일 수 있다고 제안했다. 신경 과학자들은 엇갈린 반응을 보였다.

헨겐에 따르면 임계에 대한 이론적 연구의 오랜 논쟁은 두 측면에서 접근했다. 첫째, 설명적 접근이다. 관련 데이터 세트는 수집하기 어렵고 분석하기가 어렵기 때문에 임계와 뇌 작동에 대한 직접적인 증거가 없었다.

둘째, 임계를 측정하기 위해 사용하는 수학에 대해 많은 논쟁이 있었다. 최근에는 단순히 발화 강도를 측정하는데서 나아가 무작위 노이즈가 발생할 수 있으며, 그것이 지수 관계라는 것을 연구하기 시작했다.

헨겐 실험실은 높은 해상도(단일 뉴런)와 장기적 관찰로 전례없이 긴 기간 임계 역학을 시간 함수로 구성할 수 있었다.

단일 뉴런 관점 프랙탈 뇌

이 연구는 헨겐이 브렌데이스대(Brandeis University)에서 수집한 자유롭게 행동하는 실험 쥐의 신경 기록 데이터를 기반으로 한다. 이후 그는 워싱턴대에서 자체 실험실을 구축, 수 개월간 수백 개의 뉴런에 걸친 자체 기록을 수집하고 있다. 이러한 기록은 매우 데이터 집약적이고 기술적으로 까다로운 작업이다.

새로운 연구의 제1저자는 최근 졸업한 물리학박사 전규 마(Zhengyu Ma)로 랄프 베셀(Ralf Wessel) 물리학 교수와 연구했다. 마는“시간 해상도가 매우 높기 때문에 이점이 있다. 9 일의 기록에 도달 할 수 있는 실험실은 많지 않다”고 말했다.

헨겐과 공동 저자는 시간이 지남에 따라 많은 단일 뉴런 기록의 데이터를 결합하고 처리, 전체 신경망 활동을 모델링했다. 일주일 넘게 뉴런의 활동을 지속적으로 추적, 연구원들은 시각 피질의 네트워크 역학이 밝은 주기와 어두운 주기에 걸쳐 임계에 강한 조정을 하는 것을 확인했다.

개별 뉴런의 발화 속도에 영향을 미치는 한 눈의 시력을 차단한 연구자들은 하루 전보다 임계가 심각하게 무너진 것을 확인했다. 24시간 후, 기록에서 임계가 다시 나타났으며, 이 시점에서 개별 뉴런은 시각 상실에 의해 억제됐다.

헨겐은 “동물이 기대하는 것과 그 눈을 통과하는 것이 일치하지 않는 즉시 계산 역학이 무너지는 것 같다”며 “이것은 임계 체제가 발화율에 독립적이라는 이론 물리학 주장과 일치한다”고 말했다. 그는 시력 박탈 초기 단계에서 발화 속도가 전혀 변하지 않았지만 임계 체제가 무너졌기 때문에 이는 네트워크 총 스파이크 수와 무관하다고 덧붙였다.

연구자들은 뇌의 임계도가 계산 역학을 부과하고 조직하는 억제 뉴런(inhibitory neurons)과 관련이 있다고 생각한다. 연구 결과는 운동 학습과 질병에 중요한 영향을 미칠 수 있다.

헨겐은 “두뇌 임계도와 관련한 자율 조정은 활발한 과정”이라며 알츠하이머, 간질, 레트(Rett) 증후군, 자폐증 및 정신 분열증과 같은 심각한 병리학에는 손상된 항상성 조절과 관련이 있음을 지적했다.

헨겐은 “이 연구에 대한 한 가지 해석은 임계도가 뇌 네트워크 항상성의 최종 목표라는 것”이라며 “물리학자들이 예측할 수 있는 수준으로 두뇌가 출현하는 속성을 조정할 수 있다는 것은 좋은 착안이다. 직관적으로 최적 솔루션을 제공하는 비트와 부분들을 위해 진화가 선택된 것으로 보인다. 그러나 해야 할 일이 많이 있다”고 말했다.

*상전이(phase transition)

상전이(相轉移)란 통계역학적 계의 매개변수를 바꾸는 과정에서 물리적 성질 가운데 일부가 급격하게 변하는 현상이다. 물리적 성질이 매끈하게 변하는 매개변수 구역을 상이라고 한다. 즉, 상전이는 상과 상 사이의 경계다.

상전이라는 개념은 물리학 뿐만 아니라 복잡계를 설명할 때에도 사용된다. 생물학적, 사회학적인 계에서도 상전이라는 개념을 사용한다.