뇌에서 지속되는 감정: 인간과 생쥐에서 짧은 자극으로 지속되는 감정이 발생하는 방식

우리는 자신의 감정을 항상 이해하는 것은 아니지만, 감정 없이는 정상적인 삶을 살 수 없습니다. 감정은 우리의 삶을 이끌어가고, 우리가 내리는 결정과 취하는 행동을 이끌어줍니다. 하지만 감정이 부적절하거나 너무 오래 지속되면 문제를 일으킬 수 있습니다.

신경과학자와 정신과 의사들은 최선을 다하고 있지만, 감정의 기저에 있는 뇌 활동에 대해, 감정이 우리를 어떻게 움직이는지, 그리고 감정이 우리를 어떻게 아프게 만드는지에 대해 충분히 이해하지 못하고 있습니다.

5월 29일 Science 에 발표될 예정인 연구에서 스탠퍼드 의대 연구진은 약간 불쾌한 감각 경험에 의해 유발되는 감정 반응의 기저를 이루는 뇌 전반의 신경 처리 과정을 밝혀냈습니다. 이러한 뇌 활동의 특징은 인간과 쥐, 그리고 더 나아가 그 사이의 모든 포유류에서 공통적으로 나타나는 것으로 밝혀졌습니다. (어쩌면 당신의 반려동물이 이미 이 사실을 설명해 주었을지도 모릅니다.)

이번 연구 결과는 주로 괴로운 감정적 표현을 특징으로 하는 수많은 신경정신 질환의 근본 원인을 밝히는 데 도움이 될 수 있습니다.

스탠퍼드 의대 병원과 실험실에서 협력 연구팀을 이끈 생체공학 및 정신의학·행동과학 교수인 칼 다이서로스(Karl Deisseroth, MD, PhD)는 "감정 상태는 정신의학의 기본입니다."라고 말했습니다. 다이서로스 교수와 함께 이 연구의 공동 저자로 참여한 사람은 정신의학·행동과학 교수인 캐롤린 로드리게스(Carolyn Rodriguez, MD, PhD), 신경외과 조교수인 비벡 부흐(Vivek Buch, MD), 그리고 생체공학 및 신경외과 조교수인 폴 누유주키안(Paul Nuyujukian, MD, PhD)입니다. 이 연구의 주요 공동 저자는 박사후 연구원인 아이작 카우바르(Isaac Kauvar, PhD), 에단 리치먼(Ethan Richman, PhD), 그리고 박사/박사 과정생인 토니 리우(Tony Liu)입니다.

이 연구는 다이서로스가 설립하고 이끄는 다학제 협력 연구 프로그램인 스탠퍼드 의대 인간 신경 회로 연구 프로그램의 프로젝트로, 건강과 질병에 있어 인간 뇌의 내부 작용 원리를 이해하기 위해 설계되었습니다. HNC 프로그램은 입원 환자를 대상으로 인간 행동과 뇌 활동을 동시에 초정밀 측정하고 교란하는 최첨단 방법을 개발하고 통합합니다.

이 연구에서 다이서로스(Deisseroth)와 그의 동료들은 주로 부정적인 감각 경험에 대한 반응에 초점을 맞췄습니다. 하지만 그는 그의 팀이 관찰한 뇌 전반의 활동 패턴이 긍정적인 경험에도 일반화될 것이라고 생각합니다. (그의 연구팀은 긍정적인 경험에 대해서도 연구하고 있습니다.)

모두 하나로 모으기

"포유류 계통은 큰 뇌 크기에 엄청난 진화적 헌신을 해왔으며, 그에 따른 모든 비용과 편익을 감수해 왔습니다."라고 DH Chen 교수이자 하워드 휴즈 의학 연구소 연구원인 다이서로스는 말했습니다. 쥐의 뇌(같은 크기의 비포유류에 비해 큰 편)조차도 거의 1억 개의 뉴런을 가지고 있는데, 인간의 뇌는 거의 900 억 개로, 인간의 뇌 보다 약 1,000배 더 많습니다.

"더 큰 뇌는 더 풍부하고 복잡한 정신 생활을 의미합니다."라고 다이서로스는 말했다. "하지만 뇌가 커지면 실질적인 제약이 따릅니다. 인간의 뇌는 너무 커서 풍부하고 복잡한 신호가 뇌 전체로 완전히 전파되고, 수렴하여 제대로 통합되는 데 시간이 걸립니다. 하지만 정확한 결정을 내리려면 뇌가 여러 감각 데이터, 목표, 공간 내 위치, 생리적 욕구 등을 동시에 종합해야 합니다. 그렇지 않으면 잘못된 결정을 내리고 잘못된 행동을 하게 됩니다."

다이서로스는 감정은 지속적인 행동 패턴을 안내하기 위해 많은 양의 정보를 통합하는 상태를 나타낼 수 있지만, 그 통합을 이루기 위해서는 멀리 떨어져 있는 뇌 구조 간에 지속적인 소통이 이루어지는 일정 기간이 필요할 수 있다고 말했습니다.

리치먼은 "이러한 의사소통의 시간 척도를 조절하는 것은 전형적인 뇌 기능의 중요한 측면이 될 수 있습니다."라고 덧붙였습니다. "이는 피아노의 서스테인 페달이 짧게 연주된 음의 지속 시간을 늘리는 것과 유사합니다." 이러한 뇌 전체 의사소통 패턴의 안정성이 지나치게 짧거나 지나치게 길어지면 정서 기능 장애를 특징으로 하는 신경정신 질환의 원인이 될 수 있습니다.

감정을 유발하는 활동 패턴은 무엇일까요? 인간의 뇌 활동은 매우 복잡하기 때문에, 관찰된 신호 중 어떤 것이 중요한지 파악하는 것은 쉽지 않습니다.

다이서로스는 광유전학을 개발한 것으로 유명합니다. 광유전학은 표적 광활성 단백질과 빛 펄스를 함께 사용하여 특정 신경 세포 또는 그 집단이 스위치를 켰을 때 활성화되거나 비활성화되도록 유도하는 정교하고 현재 널리 사용되는 방법입니다. 그러나 (단기간 입원한 환자를 대상으로 한) 이번 연구에서는 광유전학을 전혀 사용하지 않았습니다.

대신 스탠퍼드 연구팀은 기발한 진화적 기법을 사용했습니다. 경험에 대한 반응으로 감정이 어떻게 나타나는지 확인하기 위해, 연구진은 약 7천만 년 전 같은 조상에서 유래한 쥐와 인간의 신경 활동에 대한 뇌 전체 스크리닝을 수행했습니다. 이를 통해 두 종 모두에서 동일한 감정 유발 자극에 의해 유발되고, 동일한 방식으로 측정되며, 동일한 고속 행동과 동기화되고, 동일한 개입으로 차단될 수 있는 활동 패턴을 찾아냈습니다.

카우바르는 "이러한 접근 방식을 통해 우리는 쥐와 인간이 공유하는 주요 원리에 대한 연구에 집중할 수 있었습니다."라고 말했습니다.

다이서로스는 그 광대한 진화적 시간 동안 특정 뇌 활동 패턴(궁극적으로 뇌 구조와 기능을 지배하는 유전자에 의해 결정됨)이 생존과 번식에 도움이 되지 않는다면 그 패턴은 사라질 것이라고 말했습니다. 반면 "그 시간 동안 뇌의 역동적 원리가 보존된다면 그것은 중요할 수 있다고 믿는 게 나을 겁니다."

숨을 들이쉬고, 눈을 깜빡이고, 눈을 가늘게 뜨다

먼저 반사 작용, 그다음 감정적 반응: 스토브에 손이 데면 반사적으로 손을 빼고, 고통이 퍼지는 것을 느끼며 욕설을 합니다. 늦은 밤 낯선 동네의 어두운 거리에서 총소리나 비슷한 소리가 들리면 반사적으로 몸을 숙이고, 그다음 두려움과 경계심을 느낍니다.

불쾌한 감각 자극에서 비롯되는 감정의 예는 너무 많아서 일일이 나열하기 어렵습니다. 하지만 이러한 사례는 측정하기 어렵고, 실험하기 어렵고 위험할 수도 있습니다. 실험에서 촉발 자극은 안전하고 재현 가능하며 전달하기 쉬워야 합니다. 이 경우에는 쥐와 사람 모두에게 적용 가능해야 합니다.

이 연구에서는 모든 안과에서 사용하는 도구를 사용했습니다. 다이서로스 연구팀은 안과 의사가 환자의 안압을 확인하기 위해 작은 공기를 분사하는 데 사용하는 장치를 활용했습니다. 고통스러운 경험은 아니지만, 분명 다소 불쾌할 수 있습니다. 이 연구에서는 이러한 혐오스럽지만 의학적으로 안전한 자극을 사용함으로써 자극의 타이밍, 지속 시간, 그리고 강도를 정밀하게 조절할 수 있었습니다. 연구진은 각 공기 분사가 언제 시작되고 언제 멈추는지 정확히 알고 있었는데, 이는 각 피험자의 뇌 전반적 반응을 추적하는 데 매우 중요한 요소였습니다.

과학자들은 참가자들에게 정확한 시간에 맞춰 여러 차례 "눈물 뿜기"를 시행했습니다. 참가자들은 눈물 뿜기에 대한 느낌을 묻자 "짜증나고", "불쾌하고", "불편하고", "아프다"고 표현했지만, 고통스럽지는 않았습니다. 눈물 뿜기를 반복적으로 빠르게 할수록 참가자들은 눈물 뿜기가 지속되는 동안 점점 더 짜증이 났습니다.

다이서로스는 그런 낙담한 마음 상태가 적응적일 수 있다고 지적했습니다. "부정적인 사건들이 반복적으로 일어나는 것은 뇌에 중요하며, 미래의 행동을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다."

뇌 전체의 활동을 고해상도로 기록하기 위해 다이서로스와 그의 동료들은 스탠포드 병원에서 약물에 적절히 반응하지 않는 잦은 발작을 겪고 있는 환자 집단을 모집했습니다. 이 환자들은 수술적으로 뇌 깊숙이 전극을 삽입했습니다. 그 결과 신경과 의사와 신경외과 의사로 구성된 팀은 더욱 집중적인 치료를 위해 각 환자만의 고유한 초점, 즉 발작이 건강한 뇌 조직으로 퍼지는 과흥분성 원점을 찾을 수 있었습니다.

순전히 임상적 이유로 환자의 뇌에 전극을 이식한 것이지만, 이를 통해 다른 방법으로는 수행하기 어렵거나 불가능했을 실험을 위한 뜻밖의 길이 열렸습니다.

"이 환자들은 일반적으로 이동이 제한된 상태로 병원 침대에서 약 일주일을 보내는데, 이는 이식된 두개내 전극을 통해 기록하는 동안 치료팀이 자발적인 발작이 일어나기를 기다리는 동안입니다."라고 류 박사는 말했습니다. 이 긴 기간 동안 환자들은 연구진의 혁신적인 연구에 기꺼이 자원하여 참여했습니다.

무작위로 눈을 깜빡이는 것에 대한 피험자들의 시각적 반응은 상당히 일관적이었습니다. 피험자들은 눈을 깜빡일 때마다 즉시 반사적으로 눈을 깜빡였습니다. 눈을 깜빡인 후 몇 초 동안, 피험자들은 눈을 가늘게 뜨거나 빠르게 깜빡였습니다. 이러한 눈 깜빡임은 불쾌한 자극에 대한 자연스러운 반응이었습니다(피험자들은 다음 눈 깜빡임의 시점을 예측할 수 없었기 때문입니다). 또한, 이 반응은 정확하게 정량화할 수 있어 감각 자극 직후 감정에 의해 유발되는 행동에 대한 통찰력을 제공했습니다.

실험자들은 피험자들의 뇌 활동을 추적했습니다. 그 과정에서 두 단계로 이루어진 독특한 패턴을 발견했습니다. 눈을 뜬 후 약 200밀리초 동안, 뇌 전체에 눈 뜬다는 "뉴스"를 전달하는 강렬하지만 짧은 활동 급증이 관찰되었습니다. 이후 약 700밀리초 동안 눈 뜬다는 행위로 유발되는 별도의, 더 오래 지속되는 뇌 활동이 나타났는데, 이는 감정과 관련된 뇌의 특정 회로 하위 집합에 더욱 구체적으로 국한되었습니다. 다이서로스는 이 패턴이 연구팀의 동시 전기 기록 및 행동 기술 덕분에 발견될 수 있었다고 지적했습니다. 이는 뇌 전체의 의사소통에 필요한 시간적 범위를 확장시켜 주는 흥미로운 특성을 보였으며, 이는 감정과 관련이 있을 수 있습니다.

이 연구의 핵심 아이디어는 인간과 쥐 사이에 공통된 원리를 찾는 것이었기에, 과학자들은 쥐를 대상으로 동일한 실험을 병행하여 수행했습니다. 놀랍게도 연구팀은 쥐에서 매우 유사한 두 단계의 뇌 활동 패턴을 관찰했습니다. 더욱이, 쥐에게 눈알을 빠르게 연속 여덟 번 뿜어주자 두 번째 단계의 뇌 활동이 축적되어 쥐는 일반화된 부정적인 감정 상태에 빠졌습니다. 이는 보상 추구 행동에 대한 의지가 지속적으로 감소하는 것으로 더욱 분명하게 드러났습니다. (이러한 지속성과 일반화 가능성은 감정의 전형적인 특징입니다.)

곁눈질과 함께 사라지다

연구진은 인간과 생쥐 모두에 사용하기 적합한 약물을 선택하여 이러한 지속적인 활동 패턴의 중요성을 추가로 검증했습니다. 마취에 고용량으로 널리 사용되는 케타민은 저용량 항우울제로 FDA 승인을 받았습니다. 이처럼 저용량에서도 케타민은 해리(dissociation)라는 현상을 유발하는 것으로 알려져 있는데, 이는 자극에 대한 전형적인 감정 반응이 감소하거나 사라지는 현상입니다.

"케타민을 투여받은 사람들은 감각적 경험을 충분히 인지하지만, 그 경험에 대해 일반적인 감정을 느끼지 못하는 경우가 많습니다. 비록 그 감각이 보통 불쾌할지라도 말입니다."라고 다이서로스는 말했습니다. "마치 다른 사람이나 다른 무언가에게 일어나는 것 같습니다." 그는 케타민의 이러한 해리 효과는 한 시간 정도면 사라진다고 덧붙였습니다.

과학자들은 병원에서 전극을 이식한 인간 피험자에게 케타민을 단 한 번 안전하게 투여할 수 있도록 연구 프로토콜을 신중하게 설정하고, 모든 정보를 제공받고 동의를 얻은 후, 환자들이 묘사한 대로 공기를 반복적으로 불어넣는 것으로 인해 발생한 부정적인 감정이 실제로 크게 억제된다는 것을 발견했습니다.

임상 연구에서 중요한 부분 중 하나는 참가자들에게 그들의 경험에 대해 직접 물어볼 수 있다는 점이라고 류 박사는 말했습니다.

한 참가자는 "공기 분사가… 재밌었어요."라고 말했고, 다른 참가자는 "마치 눈알에 작은 속삭임이 들리는 것 같았어요."라고 말했습니다.

주관적인 짜증감의 상실과 일관되게, 인간 피험자들은 자기 보호 행동을 보이지 않았습니다. 그들은 입김을 완전히 인지하고 있었음에도 불구하고 입김 사이에 눈을 뜬 채로 있었고, 계속해서 강한 반사적 눈깜빡임을 보였습니다. 놀랍게도, 마우스에서도 동일한 행동 선택적 효과(눈을 오랫동안 감아 자기 보호는 차단하면서 반사적 눈깜빡임은 유지하는 효과)가 관찰되었습니다.

연구팀은 핵심 가설을 검증하기 위해 최종 확정 측정을 수행했습니다. 만약 지속적인 두 번째 단계의 뇌 활동이 감정 반응에 중요하다면, 이 느린 단계는 두 종 모두에서 케타민에 의해 선택적으로 감소되어 뇌의 반응을 효과적으로 가속화할 것으로 예측됩니다. 연구팀은 인간과 생쥐 모두에서 초기의 빠른 뇌 활동 폭발이 케타민에 의해 전혀 영향을 받지 않는다는 것을 발견했습니다. 그러나 과학자들이 눈을 깜빡인 후 느린 두 번째 단계의 뇌 활동이 가라앉는 속도를 측정했을 때, 케타민이 이러한 감소를 가속화하여 뇌의 반응을 효과적으로 예리하게 하고 눈 깜빡임으로 유발되는 활동을 짧은 시간 동안만 제한한다는 것을 발견했습니다(피아노의 서스테인 페달을 놓아 음을 끝내는 것과 유사합니다).

카우바르는 "이 모든 것은 뇌 활동의 지속적인 두 번째 단계가 감정 상태와 긴밀하게 연관되어 있음을 보여줍니다."라고 말했습니다.

뇌 활동의 가속화가 감정 상태 형성을 방해한다면, 케타민으로 인한 이러한 가속화는 눈 부풀림이 없는 상태에서도 감지될 수 있어야 합니다. 예상대로, 연구팀은 뇌 활동 패턴의 상관관계를 나타내는 시간 척도인 "내재적 시간 척도"가 눈 부풀림이 없더라도 케타민에 의해 가속화되는 것을 발견했습니다. 두 종 모두에서 케타민 효과가 사라진 후 내재적 시간 척도는 정상 지속 시간으로 빠르게 회복되었습니다.

마지막으로, 연구팀은 케타민이 두 종 모두에서 뇌 전체의 동기화를 가역적으로 감소시킨다는 것을 발견했습니다. 다이서로스는 "해리성 약물은 뇌 활동의 안정화 단계를 너무 일시적으로 만들어 정보가 뇌 전체에 제대로 통합되지 못하게 할 수 있으며, 감정 상태를 형성하는 데에도 영향을 미칠 수 있습니다."라고 말했습니다.

타이밍에 기반한 감정의 과학?

이러한 조정 가능하고 측정 가능한 타이밍 속성은 일반적인 범위를 넘어서면(느려지거나 빨라지는 방향) 신경정신 질환을 분류하고 정량화하고 심지어 치료하는 데에 대한 단서를 제공할 수 있습니다.

다이서로스는 "케타민이 유발하는 통합 뇌 활동의 급격한 감퇴는 뇌의 다양한 영역에서 흘러 들어오는 정보의 조정을 방해할 수 있습니다."라고 말했습니다. 이는 오른손이 왼손이 하는 일을 말 그대로 알지 못하는 상황을 초래할 수 있습니다. "조현병 환자들은 스스로 만들어낸 통제력이 아니라, 낯선 통제력으로 자신의 행동을 통제한다고 느낀다고 합니다."라고 다이서로스는 말했습니다.

반면, 뇌 질환으로 인해 두 번째 뇌 활동 파동이 너무 느리게 감소하거나 과도한 강도가 축적되는 경우(아마도 뇌 배선이나 유전자 발현의 차이, 또는 개인적인 경험과 관련이 있을 수 있음), 이는 과안정화된 뇌 상태를 초래할 수 있으며, 결과적으로 외상 후 스트레스 장애, 강박 장애, 우울증, 섭식 장애를 가진 사람들이 경험하는 것과 같은 지속적이거나 시기적절하지 않은 감정이나 침투적 사고를 초래할 수 있습니다. 이러한 변화된 지속성을 나타내는 특정 회로에 따라 다양한 증상(및 장애)이 나타날 것으로 예상됩니다.

건강과 질병에서의 감정과는 달리, 이러한 신호 지속성의 동일한 질은 정보 처리의 기본 속도에 강력한 영향을 미칠 수 있는데, 이는 인간 집단 내에서 상당히 다른 또 다른 특성입니다. 다이서로스는 "자폐 스펙트럼 장애를 가진 사람들은 언어 및 사회 정보 처리에 필요한 능력인 고속 정보 폭발을 따라잡는 데 어려움을 겪는 경우가 많습니다."라고 말했습니다. 과안정화된 뇌 상태가 빠르게 변화하는 입력을 따라잡는 데 어려움을 겪는 원인일 수 있을까요?

"이것들은 매우 흥미로운 가능성들이며, 우리는 현재 이를 탐구하고 있습니다."라고 다이서로스는 말했다. "편견 없는 뇌 전체 분석이 얼마나 많은 것을 보여줄 수 있는지, 특히 적절한 기술과 수백만 년의 진화 과정을 거치면서 얼마나 놀라운지 알 수 있습니다."

스탠포드 대학 기술 라이선스 사무국은 이 연구와 관련된 지적 재산권에 대한 특허를 신청했습니다.

재향군인회 팔로 알토 의료 시스템과 와일 코넬 의대의 연구자들이 이 연구에 기여했습니다.

이 연구는 미국 국립보건원(보조금 P50DA042012, R01MH105461, R01MH133553 및 R01NS095985), AE 재단 및 익명의 기부자들의 자금 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/05/250529140137.htm