간과된 세포가 인간 뇌의 거대한 저장 용량을 설명할 수 있다

인간의 뇌에는 약 860억 개의 뉴런이 있습니다. 이 세포들은 전기 신호를 발생시켜 뇌가 기억을 저장하고 뇌와 신경계 전체로 정보와 명령을 전달하는 데 도움을 줍니다.

뇌에는 수십억 개의 별모양 세포인 성상세포도 있습니다. 별모양 세포는 수많은 긴 돌기를 가지고 있어 수백만 개의 뉴런과 상호작용합니다. 오랫동안 성상세포는 주로 지지 세포로 여겨져 왔지만, 최근 연구에 따르면 성상세포는 기억 저장 및 기타 인지 기능에 중요한 역할을 할 수 있는 것으로 나타났습니다.

MIT 연구진은 성상세포가 기억 저장에 어떻게 기여하는지에 대한 새로운 가설을 제시했습니다. 이 모델이 제시하는 구조는 뉴런만을 사용하여 예상했던 것보다 훨씬 큰 뇌의 엄청난 저장 용량을 설명하는 데 도움이 될 것입니다.

"원래 성상세포는 신경 세포 주변을 청소하는 역할만 한다고 생각했지만, 각 성상세포가 수십만 개의 시냅스와 연결될 수 있기 때문에 계산에도 사용될 수 있다는 사실을 진화 과정에서 깨닫지 못한 특별한 이유는 없습니다."라고 MIT 기계공학과 뇌 및 인지과학 교수이자 이번 연구의 저자인 장 자크 슬로틴은 말합니다.

MIT-IBM 왓슨 AI 랩과 IBM 리서치의 연구원인 드미트리 크로토프는 5월 23일 미국 국립과학원 회보(PNAS) 에 게재된 오픈 액세스 논문의 선임 저자입니다 . 레오 코자치코프 박사(22년 졸업)는 이 논문의 주저자입니다.

메모리 용량

성상세포는 뇌에서 다양한 지원 기능을 수행합니다. 즉, 잔해를 청소하고, 신경 세포에 영양분을 공급하며, 적절한 혈액 공급을 보장하는 데 도움을 줍니다.

성상세포는 또한 돌기라고 불리는 많은 얇은 촉수를 내보내는데, 이 촉수는 각각 하나의 시냅스(두 뉴런이 서로 상호작용하는 연결부)를 감싸서 삼부(3부분) 시냅스를 형성합니다.

지난 몇 년 동안 신경과학자들은 해마의 성상세포와 뉴런 사이의 연결이 끊어지면 기억의 저장과 검색이 손상된다는 것을 보여주었습니다.

뉴런과 달리 성상세포는 뇌 전체에 정보를 전달하는 전기적 자극인 활동 전위를 발생시킬 수 없습니다. 그러나 칼슘 신호전달을 통해 다른 성상세포와 소통할 수 있습니다. 지난 수십 년 동안 칼슘 영상의 해상도가 향상됨에 따라, 연구자들은 칼슘 신호전달이 성상세포가 연결된 시냅스의 뉴런과 활동을 조율할 수 있도록 한다는 사실을 발견했습니다.

이러한 연구들은 성상세포가 신경 활동을 감지하여 스스로 칼슘 수치를 조절한다는 것을 시사합니다. 이러한 변화는 성상세포가 신경전달물질과 유사한 신호 분자인 교질전달물질을 시냅스로 분비하도록 유도할 수 있습니다.

"뉴런 신호 전달과 성상세포-뉴런 신호 전달 사이에는 닫힌 고리가 있습니다."라고 코자치코프는 말합니다. "아직 알려지지 않은 것은 성상세포가 뉴런에서 감지한 정보로 정확히 어떤 종류의 계산을 수행할 수 있는가 하는 것입니다."

MIT 연구팀은 이러한 연결이 어떤 역할을 하는지, 그리고 기억 저장에 어떻게 기여하는지 모델링하기 시작했습니다. 이 모델은 패턴을 저장하고 기억할 수 있는 신경망의 한 유형인 홉필드 네트워크를 기반으로 합니다.

1970년대와 1980년대에 존 홉필드와 아마리 슌이치가 처음 개발한 홉필드 네트워크는 뇌를 모델링하는 데 자주 사용되지만, 이러한 네트워크만으로는 인간 뇌의 방대한 기억 용량을 감당할 만큼 충분한 정보를 저장할 수 없다는 것이 밝혀졌습니다. 고밀도 연상 기억(Density Associative Memory)으로 알려진 홉필드 네트워크의 새롭게 수정된 버전은 두 개 이상의 뉴런 간의 더 높은 차수의 연결을 통해 훨씬 더 많은 정보를 저장할 수 있습니다.

그러나 일반적인 시냅스는 시냅스 전 세포와 시냅스 후 세포, 두 개의 뉴런만 연결하기 때문에, 뇌가 가상의 시냅스에서 이러한 다중 뉴런 연결을 어떻게 구현할 수 있는지는 불분명합니다. 바로 이 부분에서 성상세포가 중요한 역할을 합니다.

"쌍으로 연결된 뉴런 네트워크가 있다면, 그 네트워크에 인코딩할 수 있는 정보는 매우 적습니다."라고 크로토프는 말합니다. "밀도 높은 연상 기억을 구축하려면 두 개 이상의 뉴런을 연결해야 합니다. 하나의 성상세포가 여러 뉴런과 여러 시냅스에 연결될 수 있기 때문에, 이 생물학적 세포를 매개로 시냅스 간에 정보 전달이 존재할 것이라는 가설을 세우고 싶어집니다. 이것이 우리가 성상세포를 연구하게 된 가장 큰 영감이었고, 생물학에서 밀도 높은 연상 기억을 구축하는 방법에 대한 고민을 시작하게 된 계기가 되었습니다."

연구자들이 새로운 논문에서 개발한 뉴런-성상세포 연관 기억 모델은 기존의 홉필드 네트워크보다 훨씬 더 많은 정보를 저장할 수 있습니다. 이는 뇌의 기억 용량을 설명하기에 충분합니다.

복잡한 연결

뉴런과 성상세포 사이의 광범위한 생물학적 연결은 이러한 모델이 뇌의 기억 저장 시스템의 작동 방식을 설명할 수 있다는 가설을 뒷받침한다고 연구진은 말한다. 연구진은 성상세포 내에서 기억이 칼슘 흐름 패턴의 점진적인 변화에 의해 부호화된다는 가설을 세웠다. 이 정보는 성상세포 돌기가 연결된 시냅스에서 분비되는 신경교전달물질을 통해 뉴런으로 전달된다.

코자치코프는 "세포 내 칼슘의 시공간적 패턴과 뉴런으로의 신호 전달이라는 두 가지 요소를 신중하게 조화시키면 엄청나게 증가된 기억 용량에 필요한 역학을 정확하게 얻을 수 있다"고 말했습니다.

새로운 모델의 주요 특징 중 하나는 성상세포를 단일 개체가 아닌 여러 과정의 집합으로 취급한다는 것입니다. 각 과정은 하나의 계산 단위로 간주될 수 있습니다. 고밀도 연상 기억의 높은 정보 저장 능력 덕분에, 저장된 정보량과 계산 단위의 수의 비율은 매우 높으며 네트워크 크기에 따라 증가합니다. 이는 시스템의 용량을 높일 뿐만 아니라 에너지 효율도 높여줍니다.

"저자들은 성상세포가 시냅스 전 및 시냅스 후 뉴런과 역동적으로 상호작용하는 삼중 시냅스 영역을 뇌의 기본적인 계산 단위로 개념화함으로써, 각 단위가 네트워크 내 뉴런 수만큼의 기억 패턴을 저장할 수 있다고 주장합니다. 이는 원칙적으로 뉴런-성상세포 네트워크가 크기에 의해서만 제한되는, 매우 많은 수의 패턴을 저장할 수 있다는 놀라운 의미를 내포합니다."라고 토론토 대학교 크렘빌 연구소의 생리학 조교수인 마우리지오 데 피타는 말합니다. 그는 이 연구에 참여하지 않았습니다.

이 모델이 뇌가 기억을 저장하는 방식을 정확하게 나타내는지 테스트하기 위해 연구자들은 성상세포의 돌기들 사이의 연결을 정확하게 조작하는 방법을 개발한 다음, 그러한 조작이 기억 기능에 어떤 영향을 미치는지 관찰해 볼 수 있을 것입니다.

크로토프는 "이 연구의 결과 중 하나는 실험론자들이 이 아이디어를 진지하게 고려하고 이 가설을 테스트하기 위한 실험을 수행하는 것이기를 바란다"고 말했습니다.

이 모델은 뇌가 기억을 저장하는 방식에 대한 통찰력을 제공할 뿐만 아니라, 인공지능 연구자들에게도 지침을 제공할 수 있습니다. 프로세스 간 네트워크의 연결성을 변화시킴으로써, 연구자들은 다양한 목적으로 탐구될 수 있는 매우 다양한 모델을 생성할 수 있습니다. 예를 들어, 대규모 언어 모델에서 고밀도 연상 기억과 주의 메커니즘 간의 연속체를 구축할 수 있습니다.

슬로타인은 "신경과학이 처음에는 AI의 핵심 아이디어에 영감을 주었지만, 지난 50년간의 신경과학 연구는 이 분야에 거의 영향을 미치지 못했으며, 많은 현대 AI 알고리즘이 신경 유추에서 벗어났습니다."라고 말합니다. "이러한 의미에서 이 연구는 최근 신경과학 연구를 바탕으로 AI에 기여한 최초의 연구 중 하나일 수 있습니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/05/250527180917.htm