획기적인 연구를 통해 우리 뇌가 어떻게 학습하는지 밝혀내다

우리는 어떻게 새로운 것을 배울까요? 새 직장에서의 업무, 최신 히트곡 가사, 친구 집 가는 길 등이 어떻게 우리 뇌에 각인될까요?

대략적인 답은 우리의 뇌가 새로운 정보를 수용하기 위해 적응을 겪는다는 것입니다. 새로운 행동을 따르거나 새로 유입된 정보를 기억하기 위해 뇌의 회로는 변화를 겪습니다.

이러한 변화는 수조 개의 시냅스(개별 신경 세포, 즉 뉴런을 연결하는 연결부)를 통해 조율되며, 뇌에서 소통이 이루어집니다. 복잡하게 조율된 과정을 통해 새로운 정보는 특정 시냅스를 새로운 데이터로 더욱 강하게 만들고, 다른 시냅스는 더욱 약하게 만듭니다.

"시냅스 가소성"이라고 불리는 이러한 변화를 면밀히 연구해 온 신경과학자들은 이러한 가소성을 유발하는 수많은 분자적 과정을 밝혀냈습니다. 그러나 어떤 시냅스가 이러한 과정을 거치는지 선택하는 "규칙"에 대한 이해는 여전히 미지의 영역으로 남아 있으며, 이는 궁극적으로 학습된 정보가 뇌에 어떻게 저장되는지를 결정하는 미스터리입니다.

캘리포니아 대학교 샌디에이고의 신경생물학자 윌리엄 "제이크" 라이트, 네이선 헤드릭, 그리고 타카키 코미야마는 이 과정에 대한 핵심적인 세부 사항을 밝혀냈습니다. 이 다년간의 연구에 대한 주요 재정 지원은 미국 국립보건원(NIH)의 여러 연구 보조금과 교육 보조금으로 이루어졌습니다.

4월 17일 Science 저널에 발표된 연구진의 연구에 따르면 , 연구진은 2광자 이미징을 포함한 최첨단 뇌 시각화 방법을 사용하여 생쥐의 뇌 활동을 확대하고 학습 활동 중 시냅스와 뉴런 세포의 활동을 추적했습니다. 이전에는 볼 수 없었던 개별 시냅스를 관찰할 수 있게 된 이 새로운 이미지는 뉴런이 기존의 생각처럼 학습 과정에서 하나의 규칙을 따르지 않는다는 것을 보여주었습니다.

오히려, 이 데이터는 개별 뉴런이 여러 규칙을 따르고, 각 영역의 시냅스가 각기 다른 규칙을 따른다는 것을 보여주었습니다. 이러한 새로운 발견은 뇌 및 행동 장애부터 인공지능에 이르기까지 여러 분야의 발전에 기여할 것으로 예상됩니다.

"사람들이 시냅스 가소성에 대해 이야기할 때, 일반적으로 뇌 내에서는 시냅스가 균일하게 작용하는 것으로 간주됩니다."라고 생명과학대학 박사후연구원이자 이 연구의 제1저자인 라이트는 말했습니다.

"이 연구는 학습 과정에서 시냅스가 어떻게 변화하는지에 대한 명확한 이해를 제공하며, 많은 뇌 질환이 어떤 형태로든 시냅스 기능 장애와 관련이 있기 때문에 건강에 중요한 영향을 미칠 수 있습니다."

신경과학자들은 시냅스가 자신의 "지역적" 정보에만 접근하지만, 집단적으로는 광범위한 새로운 학습 행동을 형성하는 데 기여한다는 사실을 주의 깊게 연구해 왔습니다. 이 난제는 "학점 할당 문제"로 불립니다. 이 문제는 개별 개미가 전체 군집의 목표를 알지 못한 채 특정 작업을 수행하는 것과 유사합니다.

뉴런이 동시에 여러 규칙을 따른다는 사실은 연구자들을 놀라게 했습니다. 연구에 사용된 최첨단 방법론 덕분에 뉴런의 변화에 ​​따른 입력과 출력을 실시간으로 시각화할 수 있었습니다.

"이 발견은 개별 뉴런이 서로 다른 세포 소기관에서 병렬로 별개의 계산을 수행한다는 개념을 통해 뇌가 학점 할당 문제를 해결하는 방식을 근본적으로 바꾼다"고 이 연구의 수석 저자이자 할리주오을루 데이터 과학 연구소와 카블리 뇌 및 정신 연구소에 소속되어 있는 신경생물학과(생물과학부)와 신경과학과(의학부) 교수인 타카키 코미야마가 말했습니다.

이 새로운 정보는 인공지능과 그 기반이 되는 뇌와 유사한 신경망의 미래에 대한 유망한 통찰력을 제공합니다. 일반적으로 전체 신경망은 공통적인 가소성 규칙 집합에 따라 작동하지만, 이 연구는 개별 단위에 걸쳐 여러 규칙을 사용하여 고급 AI 시스템을 설계하는 새로운 가능성을 제시합니다.

건강과 행동 측면에서, 이번 연구 결과는 중독, 외상 후 스트레스 장애, 알츠하이머병은 물론 자폐증과 같은 신경발달 장애를 치료하는 새로운 방법을 제공할 수 있습니다.

라이트는 "이 연구는 뇌가 정상적으로 작동하는 방식을 이해하여 다양한 질병에서 무엇이 잘못되는지 더 잘 이해할 수 있는 잠재적인 기초를 마련하고 있습니다."라고 말했습니다.

이러한 새로운 연구 결과를 바탕으로 연구진은 뉴런이 어떻게 여러 규칙을 동시에 활용할 수 있는지, 그리고 여러 규칙을 사용하면 어떤 이점이 있는지 더욱 심층적으로 이해하기 위한 연구를 진행하고 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/04/250417144912.htm