뇌연구원-존스홉킨스의대, 조현병 환자 환청·환각 정보처리 과정 규명

네이처 게재…뇌세포가 시각 등 정보 처리하는 과정 밝혀

조현병 환자의 환청이나 착시, 환각 증상을 일으키는 과정이 규명됐다.그러나 이 같은 증상이 왜 일어나는지 원인은 이 논문에 포함돼 있지 않다.

한국뇌연구원과 존스홉킨스의대 국제공동연구팀은 뇌에 있는 신경세포마다 방향-위치 특이성이 다른 이유를 밝혀냈다고 3일 밝혔다.

공동연구팀에는 존스홉킨스의대 홍인기 박사, 리차드 후가니어(Richard Huganir) 교수와 한국뇌연구원 정서인지질환 연구그룹 김주현 선임연구원 등이 참가했다.

이 연구결과는 국제학술지 네이처(Nature) 10월 2일호에 공개됐다.

존스홉킨스 의대 홍인기 박사(왼쪽)와 리차드 후가니어 박사.

뇌의 신경세포가 특정 자극에 강하게 반응하는 경향을 ‘속성 선택성(Feature selectivity)’이라고 한다. 예를 들어 어떤 신경세포(흥분성 세포)가 ‘우리 할아버지 콧수염’같은 특정 자극에만 민감하게 반응하는 현상을 말한다.

연구팀은 대뇌 시각피질의 흥분성 세포에 주목했다. 이 세포는 ‘특정 방향의 모서리(oriented edge)’에 선택적인 반응을 보인다.

반면 대뇌피질에서 가장 많은 억제성 뇌세포인 PV 뇌세포의 경우 방향 선택성이 현저히 낮게 나타난다.

뇌의 해마에서도 흥분성 뇌세포는 이와 유사한 성질을 나타낸다.

공동연구팀이 이 같은 작동 원리를 규명한 것. 연구팀은 뇌의 신경전달물질 수용체(AMPA)가 신경세포의 종류에 따라 서로 다른 방향-위치 선택성과 관련된 학습을 하는데 중요한 역할을 한다는 사실을 밝혀냈다.

특히 이 수용체를 구성하는 요소 중 칼슘 선택성을 결정짓는 'GRIA2'가 속성 선택성에 핵심적인 역할을 한다는 것을 알아냈다.

한국뇌연구원 김주현 선임연구원.

유전적 기법을 통해 억제성 뇌세포에서 'GRIA2' 발현을 통해 칼슘 투과성을 낮췄을 때, 흥분성 뇌세포처럼 방향 선택성이 높아졌다. 반대로, 흥분성 뇌세포에서 'GRIA2'를 없앤 경우 방향 선택성이 사라졌다.

공동 교신저자인 존스홉킨스 의대의 홍인기 박사와 리차드 후가니어(Richard Huganir) 교수는 “자폐증이나 조현병, 뇌전증 등의 정신질환에서 나타나는 감각정보의 인지 왜곡 현상도 속성 선택성의 문제로 이해할 수 있다”며 “이런 원리를 밝혀나가면 지능을 더 깊이 이해할 수 있을 뿐 아니라 이들 질환의 약물 치료 타깃도 찾을 수 있을 것”이라고 기대했다.

공동 제1저자인 김주현 박사는 “이번 연구는 ‘방향’과 같은 시각정보와 ‘위치’와 같은 공간 인식 정보를 흥분성 뇌세포와 억제성 뇌세포가 어떻게 서로 다르게 처리하는 지 그 작용 원리를 밝혀낸 것”이라며 “우리 뇌가 방향-위치 선택성을 어떻게 조절하는지 규명함으로써 뇌의 감각 정보 처리 방식에 대한 이해는 물론, 새로운 AI 네트워크 구조와 학습 알고리즘 설계에도 도움이 될 것”이라고 말했다.

그림 A는 2광자 칼슘 이미징 기술을 이용한 대뇌 시각 피질(해마 뇌세포) 활성도 측정 결과, 그림B는 세포 연결망, 흥분성, 시냅스 가소성에 대한 생리 신호 조사 결과, 그림 C는 기능선택성에 관여하는 'AMPAR 서브 유닛'의 특성을 나타낸다.