뇌의 정보처리 수수께끼 규명

과학기술진흥기구는 뇌에서 정보를 처리할 때 대부분이 근접한 뇌세포가 서로 1/1000초 단위의 정밀도로 동시에 반응하여 처리한다는 사실을 증명했다.

뇌의 정보처리방법에 대해서는 현재까지 알려진 바가 거의 없다. 신경회로망을 만들어 신호를 전달하는 세포(뉴런)가 정보처리를 담당한다는 사실은 틀림없으나 세포 하나하나의 활동은 매우 불안정하며 때로는 세포 그 자체가 사멸되거나 파괴되는 경우도 있다. 이런 불안정한 활동 속에서 어떻게 뇌가 뛰어난 정보처리활동을 하는지는 오랫동안 수수께끼였다.

이런 수수께기를 풀기 위해 실제 정보처리를 수행하고 있는 동물의 여러 뇌세포활동을 동시에 기록함으로써 근접한 세포들이 서로 어떻게 작용하는지를 살펴볼 필요성이 제기되었다.

과제를 수행하는 동물의 뇌세포활동을 기록하는 작업 자체는 이전에도 가능했다. 그러나, 이웃해 있는 여러 세포의 활동을 동시에 기록하고, 게다가 개별 세포의 활동으로 정확히 분리하는 작업은 기술적으로 불가능한 것으로 생각되어 왔다.

이는 근접한 세포의 반응은 가까이 있는 같은 전극에서 검출되는데, 반응의 파형 만으로 개별 셕糖 정확히 구분하는 일은 불가능한데다, 근접한 여러 세포가 동시에 반응한 경우에 전극상으로 파형이 겹쳐지기 때문에 세포를 구별하기가 전혀 불가능했기 때문이다.

이번 연구에서는 공학적인 신호처리기술인 독립성분분석을 응용한 독자적인 분리법이 개발되었다. 이 방법은 파형의 변동에 영향을 받지 않고 완전히 겹쳐진 파형에서 개별 세포활동을 정확히 분리할 수가 있는 기술이다.

이번에 이 방법을 이용함으로써 근접한 세포들이 서로 높은 정밀도의 동시반응을 수행하고 이것이 뇌의 정보처리에 따라 변한다는 사실을 세계 최초로 발견했다

구체적으로 살펴보면, 본 연구팀은 원숭이에게 두 종류의 기억과제를 훈련시켰다. 기억과제Ａ는 눈앞에 제시된 시각자극의 제시 시간을 기억하여 답하는 과제이며, 기억과제B는 동일하게 제시된 시각자극의 색깔을 기억했다 답하는 과제이다. 이 훈련 이후에 가는 금속선 4개를 묶은 특수전극을 원숭이의 전두연합 몇 군데에 설치하여 2개의 기억과제를 순차적으로 수행할 때의 여러 세포활동을 동시기록했다.

그리고 독자적으로 개발한 방법으로 각각의 세포활동으로 분리하여 해석했다 . 그런데 0.1mm의 범위 내에 있는 근접한 세포들의 약 80％가 0.001~0.005초의 정밀도로 동시에 반응한다는 사실을 발견했다. 또한 이런 동시반응에서 세포의 45%는 원숭이가 기억과제가 상이해지면 동시반응을 하지 않는다는 사실도 밝혀내어 동시반응이 정보처리의 차이에 따라 변한다는 사실을 밝혀냈다.

본 성과를 통해 개별 뇌세포 활동이 불안정하며 때로는 사멸해 버리는 경우가 있는데도 불구하고 뇌가 정상적으로 정보를 처리할 수 있는 것은 가까이 있는 세포들이 사로 높은 정밀도를 유지하며 함께 활동을 하고 상호 보완하기 때문인 것으로 나타났다.

이는 뇌의 정보처리방식을 이해하는데 큰 발전이며 뇌 타입의 컴퓨터나 브레인 머신 인터페이스 등 뇌의 정보처리 방식을 구현하여 활용하는 기계시스템 구축에도 크게 기여할 것으로 생각된다. 또한 뇌는 단순한 정밀기계와는 달리 작은 부상으로는 그 기능이 그다지 손상되지 않으며 큰 부상일 경우에도 재활을 통해 기능이 회복되는 등의 ‘강력한 뇌’의 메커니즘에 대해서도 이 성과를 계기로 이해가 진전될 것으로 기대된다.

이 성과는 미국 학술지 ‘Journal of Neuroscience 온라인 속보판에 2006년 10월 4일자로 공개되었다.

출판날짜 2006년 10월 04일
정보제공 : 한국과학기술정보연구원(KISTI) 해외과학기술동향
(본 내용은 KISTI의 정보이용 승인을 통해 제공되며 저작권은 KISTI에 있습니다.)

• 
• 

•   골절 수복에 필요한 단백질 확인   2006-11-17 17:44
•   손상된 척수신경의 재생에 성공   2006-11-17 17:42
•   뇌의 정보처리 수수께끼 규명    
•   수면과 기억   2006-10-31 15:37
•   환자에게 독립성을 제공하는 로봇 휠체어   2006-10-31 15:35