휴식 중인 뇌에서 뉴런은 미래 경험을 연습합니다.

실제로 일부 꿈은 미래를 예측할 수도 있습니다. 새로운 연구에 따르면 수면 중에 일부 뉴런이 최근 과거를 재생할 뿐만 아니라 미래 경험도 예상한다는 사실이 밝혀졌습니다.

이번 발견은 수면과 학습에 관한 연구에서 얻은 통찰력 중 하나입니다. 자연 라이스 대학교와 미시간 대학교 연구팀이 이 연구는 쥐의 해마에 있는 개별 뉴런이 동물이 처음으로 미로를 달린 후 휴식 기간 동안 어떻게 공간 표현을 안정화하고 조정하는지에 대한 전례 없는 관점을 제공합니다.

미시간 대학 마취과 부교수이자 이번 연구의 교신 저자인 Kamran Diba는 “특정 뉴런은 특정 자극에 반응하여 활성화됩니다.”라고 말했습니다. “적절한 시각적 자극이 제시되면 시각 피질의 뉴런이 활성화됩니다. 우리가 연구하고 있는 뉴런은 장소 선호도를 보여줍니다.”

Rice의 신경과학자 Caleb Kemere는 Diba가 이끄는 미시간의 신경 회로 및 기억 연구소의 공동 작업자와 함께 이러한 특수 뉴런이 새로운 경험 후 세계에 대한 표현을 생성하는 과정을 연구해 왔습니다. 구체적으로 연구자들은 새로운 기억을 통합하는 역할을 하는 것으로 알려진 신경 활성화 패턴인 날카로운 파동을 추적했으며, 최근에는 새로운 경험의 어느 부분이 기억으로 저장되는지에 태그를 지정하는 것으로 나타났습니다.

“이 논문에서 처음으로 우리는 이러한 개별 뉴런이 휴식 기간 동안 어떻게 공간 표현을 안정화하는지 관찰했습니다.”라고 Rice 대학의 전기 및 컴퓨터 공학 및 생명 공학 부교수인 Kemere는 말했습니다.

수면은 기억력과 학습에 매우 중요합니다. 과학은 잠에서 깬 후 또는 심지어 수면이 부족한 후가 아니라 낮잠을 자고 난 후의 기억력 테스트 성능을 측정하여 이 오래된 직관을 정량화했습니다.

수십 년 전, 과학자들은 휴식 직전에 새로운 환경을 탐색하도록 허용된 잠자는 동물의 뇌에 있는 뉴런이 탐색 중에 동물의 궤적을 재생하는 방식으로 활성화된다는 사실도 발견했습니다. 이 발견은 수면이 새로운 경험을 안정적인 기억으로 결정화하는 데 도움이 된다는 지식과 일치하며, 따라서 해마에 있는 이러한 특수 뉴런 중 다수의 공간 표현이 수면 중에 안정적임을 시사합니다. 그러나 연구자들은 이야기에 더 많은 내용이 있는지 확인하고 싶었습니다.

Kemere는 “우리는 일부 뉴런이 자신의 표현을 변경할 수 있다고 상상했습니다. 이는 우리 모두가 문제에 대한 새로운 이해를 가지고 깨어난 경험을 반영하는 것입니다.”라고 말했습니다. “그러나 이를 보여주기 위해서는 개별 뉴런이 공간 조정, 즉 뇌가 새로운 경로나 환경을 탐색하는 방법을 배우는 과정을 어떻게 달성하는지 추적해야 합니다.”

연구자들은 쥐들이 양쪽 끝에 액체 보상이 있는 높은 트랙에서 앞뒤로 달리도록 훈련시켰고 그 과정에서 동물의 해마에 있는 개별 뉴런이 어떻게 “급증”하는지 관찰했습니다. 연구자들은 앞뒤로 여러 바퀴를 돌면서 평균 스파이크 속도를 계산함으로써 뉴런의 위치 필드, 즉 주어진 뉴런이 가장 “관심”하는 환경 영역을 추정할 수 있었습니다.

Kemere는 “여기서 중요한 점은 동물의 행동을 사용하여 장소 필드를 추정한다는 것”이라고 Kemere는 말하면서 동물이 미로를 통해 물리적으로 움직이지 않는 휴식 기간 동안 필드를 배치하는 데 어떤 일이 일어나는지 평가하는 과제를 강조했습니다.

디바는 “나는 잠자는 동안과 같이 미로 밖의 뉴런의 선호도를 어떻게 평가할 수 있는지 오랫동안 고민해 왔다”고 말했다. “우리는 각 개별 뉴런의 활동을 다른 모든 뉴런의 활동과 연관시켜 이 문제를 해결했습니다.”

이것이 연구의 핵심 혁신이었습니다. 연구원들은 조사된 다른 뉴런을 사용하여 동물이 꿈꾸는 곳을 추정하는 통계적 기계 학습 접근 방식을 개발했습니다. 다음으로 그들은 그 꿈의 위치를 ​​사용하여 데이터 세트의 각 뉴런에 대한 공간 조정 과정을 추정했습니다.

Diba는 “자극 없이도 뉴런의 선호도를 추적하는 능력은 우리에게 중요한 돌파구였습니다.”라고 말했습니다.

Diba와 Kemere는 모두 미시간 대학의 박사후 연구원이자 이번 연구의 주요 저자인 Kourosh Maboudi가 학습된 튜닝 접근 방식 개발에 기여한 역할에 대해 칭찬했습니다.

이 방법은 새로운 환경을 경험하는 동안 형성되는 공간적 표상이 대부분의 뉴런에서 경험 후 수면의 몇 시간 동안 안정적이라는 것을 확인했습니다. 그러나 연구자들이 예상한 대로 이야기에는 더 많은 것이 있었습니다.

Kemere는 “이 연구에서 내가 가장 마음에 들었던 점과 내가 이 연구에 대해 매우 흥미로웠던 이유는 수면 중에 이 뉴런이 하는 유일한 일은 경험에 대한 기억을 안정시키는 것뿐이라는 사실을 발견했다는 것”이라고 말했습니다. . “일부 뉴런은 결국 다른 일을 하는 것으로 밝혀졌습니다.

“우리는 수면 중에 일어나는 이러한 다른 변화를 볼 수 있으며 동물을 다시 환경에 두었을 때 이러한 변화가 실제로 동물이 자는 동안 학습한 내용을 반영하는지 확인할 수 있습니다. 이는 마치 두 번째 노출과 같습니다. 동물이 자고 있는 동안 실제로 공간에 일어나는 일이 일어난다.”

이는 수면 중에 발생하는 신경가소성을 직접 관찰하기 때문에 중요합니다. Kemere는 뉴런이 재배선되어 새로운 표현을 형성할 수 있게 하는 메커니즘을 조사하는 거의 모든 가소성 연구에서 관련 자극이 없을 때 수면 중이 아니라 자극이 제시되는 깨어 있는 기간에 어떤 일이 일어나는지 조사한다고 강조했습니다.

Diba는 “뇌의 가소성이나 재배선에는 매우 빠른 시간이 필요한 것 같습니다.”라고 Diba는 말하면서 “몇 초, 몇 분뿐 아니라 몇 시간 또는 며칠이 걸릴 수도 있는” 실제 경험 기간 사이의 흥미로운 관계를 지적했습니다. “매우 압축된” 실제 기억입니다.

Diba는 프랑스의 모더니스트 작가 마르셀 프루스트(Marcel Proust)의 유명한 문학 구절을 언급하면서 “기억이 무엇이든 기억한다면 그 기억은 순간적입니다”라고 말했습니다. 어린 시절의 기억이 거의 한 순간도 눈치 채지 못한 채 잃어버린 과거 경험의 세계 전체를 풀어낸다는 것입니다.

이 연구는 안정적인 고해상도 신경 프로브 설계의 기술적 진보와 기계 학습 기반 계산 능력을 통해 지난 수십 년 동안 가능해진 신경과학 발전의 예입니다.

이러한 발전에 비추어 Kemere는 뇌 과학이 미래에 상당한 진전을 이룰 준비가 되어 있는 동시에 최근 예산 삭감이 지속적인 연구에 미치는 영향에 대한 우려를 표명했다고 말했습니다.

Kemere는 “우리가 오늘 이 작업을 시작했다면 이러한 실험을 수행하고 이러한 결과를 얻지 못했을 가능성이 높습니다.”라고 말했습니다. “기회가 있었다는 사실에 우리는 확실히 감사하고 있습니다.”

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/05/240530182203.htm