신경과학자들은 우리가 새로운 움직임을 배울 때 뇌 회로가 어디에서 어떻게 재형성되는지 정확히 알아냈습니다.

캘리포니아 대학교 샌디에이고 캠퍼스 과학자들이 발표한 획기적인 연구는 학습 방식에 대한 과학적 이해를 재정립하고 있습니다. 네이처 (Nature) 저널에 게재 되고 미국 국립보건원(NIH)과 미국 국립과학재단(NSF)의 지원을 받은 이 연구 결과는 학습 기간 동안 뇌 회로가 어떻게 변화하는지에 대한 새로운 통찰력을 제공하며, 신경 질환을 치료하는 새로운 치료법과 기술 개발의 길을 제시합니다.

수년 동안 신경과학자들은 전두엽 영역에 위치한 뇌의 일차 운동 피질(M1)이 학습 과정에서 복잡한 운동과 관련된 신호를 전달하는 중추 역할을 한다는 사실을 밝혀왔습니다. 최근에는 뇌 중앙에 위치한 운동 시상이 운동 학습 기능 수행 중 M1에 영향을 미치는 영역으로 여겨지고 있습니다.

하지만 이런 발전에도 불구하고, 뇌 영역 전반의 세포 상호작용을 모니터링하는 일이 복잡하기 때문에 이러한 학습 과정이 어떻게 전개되는지에 대한 증거가 부족했습니다.

타카키 코미야마 교수 연구실이 이끄는 연구팀은 강력한 신경생물학 연구 기법을 이용하여 생쥐에서 이러한 메커니즘을 최초로 규명했습니다. 첨단 영상 기술과 새로운 데이터 분석 기법을 활용하여, 연구진은 시상과 피질을 연결하는 시상피질 경로가 학습 과정에서 변화하는 핵심 영역임을 확인했습니다.

연구진은 주요 경로를 확인하는 것 외에도, 학습 과정에서 영역 간의 연결이 물리적으로 변한다는 사실을 발견했습니다. 운동 학습은 단순히 활동 수준을 조절하는 것 이상의 역할을 합니다. 회로의 배선을 조형하고, 세포 수준에서 시상과 피질 사이의 소통을 정교하게 만듭니다.

"우리 연구 결과는 학습이 국소적인 변화를 넘어 뇌 영역 간의 소통을 재구성하여 더 빠르고, 더 강하고, 더 정확하게 만든다는 것을 보여줍니다."라고 이 연구의 주저자이자 코미야마 연구실 박사후연구원인 아사프 라못은 말했다. "학습은 단순히 뇌의 기능만을 바꾸는 것이 아니라, 뇌가 학습을 수행하도록 연결된 방식까지 변화시킵니다."

쥐가 특정 동작을 학습하는 동안 진행된 이 연구는 학습이 시상과 피질의 상호작용을 집중적으로 재편성한다는 것을 밝혀냈습니다. 학습 과정에서 시상은 학습된 동작을 부호화하기 위해 M1 뉴런을 활성화하고, 학습된 동작과 관련 없는 뉴런의 활성화를 억제하는 것으로 나타났습니다.

"학습 과정에서 시상은 특정 M1 뉴런 하위 집합을 활성화하여 이러한 병렬적이고 정확한 변화를 생성하고, 이 뉴런 하위 집합은 다시 다른 M1 뉴런을 활성화하여 학습된 활동 패턴을 생성합니다."라고 할르주오을루 데이터 과학 연구소(컴퓨팅, 정보 및 데이터 과학 연구소)와 카블리 뇌 및 정신 연구소에 임명된 신경생물학과(생물과학부)와 신경과학과(의학부)의 교수인 코미야마가 말했습니다.

연구진은 특정 뉴런의 활동에 초점을 맞추기 위해(이 연구의 핵심 통찰력) 신경생물학 조교수인 마커스 베나와 대학원생인 펠릭스 타슈바흐와 공동 연구자로 ShaReD(공유 표현 발견)라는 새로운 분석 방법을 개발했습니다.

데이터 분석 절차 개발을 주도한 타슈바흐에 따르면, 다양한 피험자 간에 공통적으로 인코딩된 행동을 식별하는 것은 동물마다 행동과 그 신경 표현이 상당히 다를 수 있기 때문에 상당한 어려움을 야기합니다. 이 문제를 해결하기 위해 연구진은 ShaReD를 개발했습니다. ShaReD는 다양한 피험자의 신경 활동과 상관관계가 있는 단일 공유 행동 표현을 식별하여 각 동물의 다양한 뉴런 활동에 미묘한 행동 특징을 매핑할 수 있도록 합니다.

기존 방법들은 일반적으로 개인의 변동성을 줄이기 위해 인위적인 정렬을 강요합니다. 마치 모든 사람이 목적지까지 정확히 같은 경로를 따라가도록 요구하는 것과 같습니다. 반면, ShaReD는 특정 경로 선택과 관계없이 어떤 랜드마크가 지속적으로 길 안내에 도움이 되는지 파악하는 데 더 중점을 둡니다. ShaReD 방법은 이 연구 결과에 중요한 역할을 했습니다.

"이 새로운 방법을 사용하면 여러 실험에서 얻은 데이터를 결합하여 개별 뇌에서 기록된 제한된 수의 관련 뉴런만을 사용했을 때는 불가능했을 세부적인 발견을 할 수 있습니다."라고 이 연구의 공동 책임 저자이자 계산 신경 과학자인 베나가 말했습니다.

이 새로운 연구는 최근 코미야마 연구실이 주도하여 우리 뇌의 학습 방식을 밝힌 두 번째 연구입니다. 4월, 윌리엄 라이트, 네이선 헤드릭, 코미야마는 사이언스지에 뉴런이 학습 과정에서 따르는 여러 가지 규칙을 설명하는 연구를 발표했습니다 . 각 영역의 시냅스는 각기 다른 규칙을 따릅니다.

네이처 연구 결과를 바탕으로 연구진은 학습 과정에서 학습된 동작을 뒷받침하는 신경 회로가 어떻게 형성되는지에 대한 새로운 종합 모델을 제시함으로써 학습 과정에 대한 과학적 이해를 더욱 심화시켰습니다. 이 새로운 정보는 신경 질환을 겪는 사람들에게도 희망을 제공합니다.

"이 연구는 학습이 단순한 반복이 아니라는 것을 보여줍니다."라고 라못은 말했습니다. "학습은 뇌가 말 그대로 특정 방향으로 스스로를 재구성하는 것입니다. 새로운 기술을 배우든, 뇌졸중에서 회복하든, 신경 보철물을 사용하든, 뇌 영역이 어떻게 의사소통을 재구성하는지 이해하는 것은 뇌의 자연스러운 학습 메커니즘 에 맞는 더 나은 치료법과 기술을 설계하는 데 도움이 됩니다."

이 논문은 2023년 몬트리올 건물 화재로 비극적으로 사망한 코미야마 연구실의 보조 연구원 안 우(An Wu)를 추모하기 위해 작성되었습니다. 그녀는 자신이 영향을 준 수많은 사람들의 삶에 긍정적인 영향을 미친 뛰어난 신경과학자로 기억되고 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/05/250507125707.htm