[쿠키과학] KAIST, ‘기억 선택회로’ 세계 최초 규명

KAIST가 우리 뇌 속에서 과거 기억과 최신 기억 사이를 전환하고 상황에 맞는 최신 정보를 선택하는 핵심 신경 스위치를 세계 최초로 규명했다.

이번 연구는 치매·알츠하이머병 환자들이 과거 기억에 머무르거나 새로운 상황에 유연하게 적응하지 못하는 원인을 찾는 연구에 적용할 수 있을 전망이다.

KAIST는 생명과학과 한진희 교수팀은 내측중격(MS)과 내측내후각피질(MEC)을 연결하는 특정 억제성 신경회로가 과거 기억과 최신 기억 사이를 전환하는 핵심 역할을 한다는 사실을 밝혀냈다.

연구팀은 뇌가 수많은 기억 가운데 현재 상황에 맞는 정보를 선택하는 능동적 시스템으로 작동한다는 점에 주목했다

사람은 매일 새로운 경험을 기존 기억과 비교하며 판단을 바꾼다.

평소 다니던 출근길에서 공사로 정체를 겪으면 뇌는 이 경로 대신 새 우회도로 정보를 더 중요하게 반영한다.

이런 기억 업데이트 능력은 의사결정과 문제 해결, 미래 예측, 논리적 추론 같은 고차원 인지 기능의 기반으로 작동한다.

하지만 지금까지 뇌가 어떤 방식으로 과거 기억과 최신 기억을 구분하고 필요한 기억을 선택하는지 명확히 알려지지 않았다.

연구팀은 기억과 학습을 조절하는 뇌 영역인 내측중격에 주목했다.

이 영역은 해마 활동 리듬을 조절하며 정보를 저장하고 불러오는 과정을 돕는 일종의 조율자 역할을 한다.

연구팀은 생쥐 실험을 통해 내측중격의 GABA성 신경세포가 내측내후각피질(MEC)로 보내는 억제성 신호가 기억 업데이트 과정에서 핵심 스위치로 작동한다는 사실을 확인했다.

실험에서는 생쥐에게 특정 공간에서 전기 충격을 주고 회피 행동을 학습시켰다.

이후 같은 공간에서 물 보상을 제공하자 생쥐는 기존 회피 행동 대신 해당 공간을 다시 찾는 행동으로 바뀌었다.

연구팀은 이 과정에서 뇌 신경회로 활동 변화를 추적했다.

분석 결과 최신 기억을 떠올릴 때만 MS-MEC 회로가 선택적으로 활성화됐다.

반대로 광유전학 기술로 이 회로를 인위적으로 억제하자 생쥐는 새롭게 학습한 정보를 사용하지 못하고 이전 기억에 따라 행동했다.

특히 뇌의 기억 저장 핵심 영역인 해마 CA1에서도 동일한 변화가 관찰됐다.

해마 신경 활성 패턴은 최신 상태가 아니라 과거 기억 상태로 되돌아갔다.

연구팀은 이를 통해 뇌가 기존 기억을 삭제하는 방식이 아니라 여러 기억 가운데 최신 정보를 우선 선택하는 방식으로 작동한다는 사실을 확인했다.

아울러 연구팀은 뇌의 리듬 상태와 기억 인출 능력 관계도 함께 분석했다.

뇌는 학습과 집중 시 나타나는 ‘온라인 상태(세타파)’와 휴식·수면 시 나타나는 ‘오프라인 상태(델타파)’를 반복적으로 오간다.

연구 결과 온라인 상태가 오래 유지될수록 최신 기억 인출 성능이 높아졌고, 두 상태 전환이 잦아질수록 기억 인출 능력이 크게 떨어졌다.

연구팀은 이번 발견이 치매와 조현병, 자폐 스펙트럼 장애 같은 질환 연구에도 중요한 단서를 제공할 것으로 기대했다.

특히 알츠하이머병 초기에는 내측중격을 포함한 기저핵 영역 신경세포가 가장 먼저 손상되는 것으로 분석했다.

연구팀은 이번에 규명한 MS-MEC 회로가 기억력 감퇴와 인지 유연성 저하 현상에 직접 관여할 가능성이 클 것으로 분석했다.

이에 따라 향후 약물이나 비침습적 뇌 자극 기술로 해당 회로를 정밀 조절하는 방식의 치료 기술 개발 가능성을 제시했다.

현재 광유전학 기술은 인간에게 직접 적용하기 어렵지만, 특정 회로가 기억 스위치 역할을 한다는 점을 확인한 만큼 새로운 치료 전략으로 이어질 가능성이 높다.

아울러 이번 연구는 인공지능(AI) 분야에도 응용 가능성을 제시했다.

현재 AI는 새로운 데이터를 학습할 때 기존 데이터를 잊어버리는 망각 문제를 겪는다.

연구팀은 뇌의 기억 전환 원리를 모방하면 인간처럼 과거 정보를 유지하면서 새로운 정보를 유연하게 반영하는 차세대 AI 알고리즘 개발에도 기여할 수 있을 것으로 기대했다.

한 교수는 “과거에는 기억 인출을 단순히 저장된 흔적을 재생하는 과정으로 이해했지만, 이번 연구를 통해 뇌가 경쟁하는 기억들 사이에서 최신 정보를 능동적으로 선택하는 조절 시스템을 갖고 있다는 사실을 입증했다”고 설명했다.

한편, 이번 연구는 KAIST 생명과학과 김무준 박사가 제1저자로, 서보인 박사과정, 소선회 박사과정, 최정욱 박사과정, 황재민 박사과정, 박주희 박사과정이 참여했고, 연구결과는 지난달 29일 국제학술지 ‘네이처 뉴로사이언스(Nature Neuroscience)’에 게재됐다.
(논문명: A septo-entorhinal GABAergic pathway that enables switching between episodic memories / ※저자: Mujun Kim(KAIST, 제1저자), Boin Suh(KAIST), Sunhoi So(KAIST), Jung Wook Choi(KAIST), Jaemin Hwang(KAIST), Juhee Park(KAIST) & Jin-Hee Han(KAIST, 교신저자))

이재형 기자 jh@kukinews.com