뇌의 GPS 기능

인간의 두뇌를 직접적으로 기록하는 기술을 이용해서 드렉셀 대학 (Drexel University)과 펜실베디니아 대학 (University of Pennsylvania) 그리고 UCLA 및 토마스 제퍼슨 대학 (Thomas Jefferson University)의 연구팀은 익숙하지 않은 환경에서 움직일 때 상대적인 위치를 추적할 수 있도록 하는 뇌의 새로운 형태의 세포를 발견했다.
격자세포(grid cell)라고 불리는 이 세포는 움직이는 과정에서 활성화되는 세포에서 삼각형태의 격자 패턴에서 기원했다. 이 세포는 다중 공간위치를 대표하기 때문에 다른 뇌세포들과는 구분된다. 이 행위는 어떻게 격자세포가 출발점에서 얼마나 멀리 왔는지 또는 언제 모퉁이를 돌았는지를 알아내고 추적할 수 있게 한다. 이러한 형태의 항법형태는 경로 집적화 (path integration)라고 불린다. 이번 연구의 수석 연구자인 드렉셀 대학의 생의학공학-과학 및 보건시스템대학의 조슈아 제이콥스 (Joshua Jabobs) 박사는 “이 격자패턴은 매우 일정하다는 것은 중요하다. 그 이유는 어떻게 사람들이 일관성 없는 배치를 갖는 새로운 환경에서 자신의 위치를 추적할 수 있는가를 보여주기 때문”이라고 말했다.

펜실베이니아 대학의 연구자인 마이클 카하나 (Michael Kahana) 박사와 UCLA의 이츠하크 프리드 (Itzhak Fried) 박사는 뇌의 깊은 곳까지 전극을 이식 받은 간질환자의 뇌기록을 연구할 수 있는 기회를 통해서 이들 세포를 발견할 수 있었다. 이들의 연구는 학술지 <Nature Neuroscience>지에 발표되었다. 뇌 기록과정에서 14명의 참가자들은 비디오 게임을 하면서 물체를 찾아오기 위해서 한 지점에서 다른 지점으로 움직이는 게임을 했다. 그리고 각 물체가 있었던 곳으로 어떻게 돌아갔는지를 기억해냈다. 이들 참여자들은 조이스틱을 이용해서 가상 자전거를 타고 컴퓨터에서 광범위하게 열린 공간을 돌아다니도록 했다. 참여자들이 각 물체가 멀리서 볼 수 있는 상태에서 시험적으로 조사한 후, 이들은 지도의 중간에서부터 가상 자전거를 타고 물체를 시각적으로 볼 수 있을 때까지 움직였다. 연구자들은 그 후에 참여자들에게 각기 다른 시점에서 특정 물체를 향해서 이동하도록 요구했다.

연구팀은 참여자들이 보여준 비디오 게임에서의 조사와 개별 뉴런의 활동 사이의 연관성을 조사했다. 제이콥은 “각 격자세포는 다중 공간적인 위치에 반응했으며 이를 통해서 격자의 모양을 배치하게 된다. 이러한 삼각형 격자패턴은 공간에서의 이동에서 근본적인 역할을 하는 뇌 패턴으로 나타난다. 격자세포가 없는 상태에서 인간은 자주 길을 잃거나 주변의 경계물에 의존해서 움직일 가능성이 있다. 격자세포는 그래서 어떤 환경에서 그 위치를 감지하고 유지하는데 중요하다”고 말했다.

이러한 세포는 동물들에게서는 특이한 것은 아니다. 이전에 쥐에서도 발견되었으며 2010년 이전에 이루어진 연구에서 비침습성 뇌 이미징을 이용해서 인간에서도 이들 세포의 존재를 발견했으며 이것은 인간에게서도 이들 세포가 존재한다는 것을 처음으로 발견했다. 펜실베이니아 대학의 심리학 교수이며 이번 연구의 수석 저자인 신경과학자, 카나하는 “인간의 뇌에서 발견된 격자세포는 이전에 해마상융기의 ‘위치세포 (place cells)’의 발견과 함께 일상적인 위치인식에 대한 강력한 증거를 제시하고 있으며 인간과 하등 동물에 걸쳐 이동시스템에 대한 증거가 된다”고 말했다.

이 연구팀의 발견은 또한 이들 격자세포가 사실 쥐보다는 인간에게서 더 많이 존재한다고 주장했다. 그 이유는 이번 연구에서 격자세포가 내비피질 (entorhinal cortex)에서 발견될 뿐 아니라 매우 다른 뇌 부분인 대상피질 (cingulate cortex)에서 발견되었기 때문이다. UCLA의 데이비드 게펜 의대 (David Geffen School of Medicine)의 신경의학교수인 프리드는 “격자세포는 인간의 기억시스템에서 중요한 지점인 내비피질에서 발견된다. 이번 발견은 기억에 치명적인 영향을 미치는 알츠하이머 질환을 앓고 있는 환자에 첫 번째로 영향을 주는 뇌의 부분에 대해 알 수 있는 결과”라고 말했다. 내비피질은 알츠하이머 질환 연구자들이 연구해온 뇌의 일부분이며 제이콥스에 의하면 격자세포를 이해하는 것은 왜 이 질병에 걸린 사람들이 자주 길을 잃어버리는지를 이해하는데 도움이 될 것이다. 또한 알츠하이머 질환을 앓고 있는 환자의 뇌기능을 증진시키는데 있어서도 도움이 될 수 있다.

http://www.sciencedaily.com/releases/2013/08/130804144401.htm

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