공간위치 : 장소세포(place cell), 격자세포(grid cell)

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공간위치 : 장소세포(place cell), 격자세포(grid cell)

모방 : 미러뉴런

장소세포와 격자세포 연구로 뇌 위치추적 메커니즘 규명

(서울=연합뉴스) 김길원 기자 = 2014년도 노벨 생리의학상은 '뇌속 네비게이션'을 처음으로 찾아낸 영국 유니버시티 칼리지 런던(UCL) 존 오키프 교수와 부부 과학자인 노르웨이 마이-브리트 모서와 에드바드 모서 등 3명에게 돌아갔다.

전문가들은 이 과학자들이 연구성과를 낸 이후 뇌의 위치추적 메커니즘이 점차 규명되고 있는 것은 물론이고, 임상적으로도 질환을 조기 발견하거나 치료하는 데에 큰 도움이 될 것으로 보고 있다.

이들의 연구성과를 정리해본다.

◇ 뇌 내비게이션 시스템 핵심 '장소세포' 발견한 존 오키프

사람들은 흔히 길을 잘 찾는 사람을 두고 '길눈이 밝다'고 한다. 1970년대 영국 런던대(UCL) 교수로 재직 중이던 오키프 박사는 바로 '길눈이 밝은 사람'이 왜 있을 수 있는지를 뇌 연구를 통해 처음으로 밝혀낸 과학자다. 

그의 연구에 따르면 길눈이 밝은 사람들이 존재하는 건 해마에 있는 신경세포의 하나인 '장소세포(place cell)' 때문이다. 해마는 대뇌의 좌·우 측두엽 안쪽 깊숙이 자리한 기관으로 기억을 저장·상기시켜 '기억의 제조공장'으로 불린다. 그중에서도 장소세포는 공간을 탐색, 기억해 구분할 수 있다. 또 장소를 옮기면 이 신경세포가 활성화돼 우리가 어디에 있는지 인식할 수도 있다.

예를 들면 서울의 택시 운전기사 머릿속에 서울시내 구석구석의 지도가 들어 있는 것과 비슷하다. 택시 기사가 손님을 태우고 목적지 근처에서 골목길을 맞닥뜨렸다면 뇌 속의 장소세포가 신호를 보낸다. 또 도로 옆 전봇대를 마주쳤을 때는 다른 장소세포가 신호를 보낸다. 택시를 몰며 마주쳤던 여러 장소의 특정 사물이나 모양새가 각기 다른 신호를 보내는 셈이다.

오키프 박사는 이런 과정을 쥐 실험을 통해 과학적으로 입증됐다.

미로상자에 쥐를 가둔 뒤 행동을 관찰한 결과, 실험 쥐는 시간이 지날수록 일정한 위치에 가면 그전에 자신이 지나갔던 기억을 떠올리면서 멈칫거리는 행동을 보였다. 오키프 박사는 해마 속 신경에 위치정보가 저장됐기 때문에 쥐가 이런 행동을 보인 것으로 분석했다. 

한국과학기술연구원 신희섭 박사는 "오키프 교수의 장소세포 연구성과로 사람들이 길을 잃지 않고 찾아가는 뇌 속 메커니즘이 설명될 수 있었다"면서 "이후 뇌질환과 관련한 후속 연구성과로 이어진 점을 고려한다면 노벨상 가치는 충분하다"고 말했다. 

◇ 네비게이션 위도·경도 역할 '격자세포' 발견한 모세르 박사 부부

뇌의 네비게이션 시스템을 구성하는 데 있어 장소세포와 함께 핵심을 이루는 게 바로 부부 과학자인 노르웨이 마이브리트 모세르(여·50)와 에드바르드 모세르(51) 박사가 발견한 '격자세포(grid cell)'다. 

오키프 교수가 발견한 장소세포가 특정 지점이나 모양새 등에 관한 기억을 보관한다면, 격자세포들은 공간과 거리에 관한 감각을 제공한다. 예들 들면 네비게이션으로 길을 찾아가는 과정에서 공간상의 위치를 보여주는 위도와 경도의 역할을 하는 셈이다.

연구팀은 2005년 네이처에 발표한 동물실험 논문을 통해 격자세포의 비밀을 공개했다. 생쥐가 상자 안에서 먹이를 찾아 다닐 때의 뇌 신호를 분석한 결과 해마 바로 옆 내후각피질의 신경세포가 집단적으로 반응했다는 게 주요 내용이다.

이같은 세포의 움직임은 위도와 경도선처럼 일정한 격자 모양으로 관찰됐다. 특히 이 격자세포들은 생쥐가 일정 간격으로 나눈 특정 지점을 지날 때만 작동했다. 상자속 생쥐가 아무런 규칙없이 움직인 것으로 보이지만 실제로는 자기가 어느 지점을 지나고 있는지 알고 행동했다는 의미다. 

과학자들은 결국 이 격자세포와 장소세포가 서로 정보를 나눔으로써 사람이 길을 찾아가도록 도와주는 것으로 보고 있다. 반대로 길을 잘 잃어버리거나 특정 장소를 찾아가지 못하는 사람들은 이 2개 세포간 대화가 효율적으로 작동하기 못하기 때문으로 보고 있다.

서울성모병원 신경과 양동원 교수는 "이번 노벨상 수상자들의 연구 덕분으로 치매환자나 길을 잘 찾지 못하는 사람, 물건 두기를 잘 잊는 사람 등의 인지능력 저하가 설명될 수 있었다"면서 "질환의 궁극적인 치료에서부터 재활에 이르기까지 연구성과가 폭넓게 적용된다는 측면에서 노벨상 수상의 의미가 크다"고 평가했다.

  

책] 뇌의 시대(The Brain Supremacy)

책] 뇌의 시대(The Brain Supremacy)

2013년 3월 13일  |  By: veritaholic  |  과학  |  댓글이 없습니다

우리의 생각을 스캔하거나 기억을 조작하는 것은 공상과학소설의 단골 소재입니다. 신경과학자 캐서린 테일러는 이러한 미래가 머지않아 올 것이라 생각합니다.

테일러는 그녀의 새 책 “뇌의 시대(The Brain Supremacy)”를 다른 사람의 마음을 들여다볼 수 있으며 자신의 마음을 원하는 대로 조작할 수 있는 가상의 미래에 대한 묘사로 시작합니다. 오늘날 과학자들은 fMRI를 통해 상대방이 어떤 단어를 생각하고 있는지 해석할 수 있으며, 새로운 유전자를 주입하는 것으로 우리의 인지능력 만이 아니라 성격이나 성향도 바꿀 수 있으리라 생각하고 있습니다.

이 책은 현재 신경과학자들이 할 수 있는 일들을 매우 잘 설명하고 있습니다. 그녀의 연구팀은 쥐의 뇌에 전극을 삽입하고 감각 수용체들의 반응을 관찰하기 위한 화학물질을 주입한 후 뇌를 꺼내 분석합니다.

최근 그들은 세로토닌 수용체의 수가 항 우울제의 효능과 직접적인 관계가 있다는 사실을 발견했습니다. 곧, 수용체의 수가 적은 쥐들은 프로작에 반응을 보였지만, 수용체의 수가 많은 쥐들은 그렇지 않았습니다. 이는 우리의 약물에 대한 반응의 차이가 유전적 차이에 기인한다는 가설을 지지해주는 결과로서, 유전자의 조작을 통해 환자가 약물에 더 잘 반응하게 만들 수 있다는 뜻이기도 합니다.

이 책은 최근 신경과학의 한계와 능력을 종합적으로 다루고 있습니다. 그녀가 예측하는 미래에 대한 동의 여부와는 무관하게 이 책은 이 분야에 대해 사람들의 관심과 호기심을 불러일으키겠다는 목적을 잘 달성하고 있습니다. (Scientific American)

인간은 정말 뇌의 10%만 사용할까?

허핑턴포스트코리아  | 작성자 김도훈

게시됨: 2014년 07월 23일 16시 47분 KST 업데이트됨: 2014년 09월 06일 12시 40분 KST

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과연 인간은 정말로 뇌의 10%만 사용할까?

그걸 알기 이전에 먼저 위 동영상을 먼저 보시라. 한국에서는 9월 3일 개봉한 뤽 베송 감독의 신작 '루시' 예고편이다. 루시역의 스칼렛 요한슨에 맞서는 악당 '미스터 장'은 한국 배우 최민식이 연기한다.

그보다 더 흥미진진한, 그리고 논쟁적인 사실이 하나 있다. '루시'는 브래들리 쿠퍼 주연의 '리미트리스'처럼, 인간이 평소에는 뇌 기능의 10%밖에 사용하지 않는다는 속설을 소재로 한 영화다. 과연 이런 속설은 사실일까?

허핑턴포스트US에 따르면 이건 뇌과학계의 오랜 도시 전설 중 하나다. 우리는 사실 뇌의 대부분을 항상 쓰며 살고 있다. 과학자들이 밝힌 팩트다.

유튜브에 과학 시리즈인 ASAPScience를 연재 중인 미첼 모티프는 "대부분의 영화와 SF소설은 인간이 뇌 기능의 단 10% 정도만 사용한다고 우리를 믿게 만들죠. 완전히 거짓입니다"라고 말한다.

모티프는 "새로운 두뇌 스캐닝 테크놀로지에 따르면, 우리는 뇌의 모든 부분을 항상 사용하고 있습니다"라고 설명한다. "한 번에 모든 부분을 동시에 사용하는 건 아닙니다만, 우리 뇌의 부위 중에서 아무 일도 하지 않는 부분은 전혀 없습니다".

월스트리트저널 역시 "우리가 뇌의 10%밖에 사용하지 못한다는 개념은 분명히 거짓이다."라고 쓴 바 있다.

‘10% 신화’로 알려진 이 개념은 일반인들(심지어 심리학자들과 신경과학자들)의 사고에 어찌나 뿌리깊게 박혀있다. 이 같은 통념과는 다르게 우리는 뇌 전체를 활용한다. 사용되지않는 뉴런은 죽고, 쓰지않는 뇌 회로는 위축된다. 뇌에서 일부 영역에만 ‘불이 들어온’ 이미지를 보여준 뇌영상연구 때문에 이 같은 잘못된 믿음이 공고해졌는지도 모른다. 활동량이 기준치를 넘는 영역에만 불이 들어오는 것일뿐, 어두운 부분이 잠들어 있거나 사용되지 않는 것이 아니다. 2012년 11월 22일 월스트리트저널 보도

그러니 '루시'와 '리미트리스'의 주인공처럼 약물을 먹는다고 해서 갑자기 초인간적인 능력을 갖는 일은 벌어지지 않는다. 그런 사실을 안다고 해서 최민식과 스칼렛 요한슨이 격돌하는 '루시'를 즐기지 못할 까닭은 없다만.

*아래는 '10% 신화'에 대한 미첼 모티프의 유튜브 동영상 강의다(영어).

더 보기:

라이프스타일인간 두뇌 활용IT·과학두뇌 활용인체뇌 10%s루시 영화인간두뇌 루시리미트리스 루시

실체없는 ‘의식’을 실증적 과학으로 풀다 ▲ 의식…크리스토퍼 코흐

[책과 삶]실체없는 ‘의식’을 실증적 과학으로 풀다

백승찬 기자 myungworry@kyunghyang.com

▲ 의식…크리스토퍼 코흐 지음·이정진 옮김 |알마 | 352쪽 | 1만9500원

캘리포니아공과대학교(칼텍)에 조교수로 막 임용된 생물물리학자 크리스토퍼 코흐가 ‘의식’을 전문분야로 삼고 싶다고 말했을 때 주변 사람들은 모두 말렸다고 한다. 생물학계에서 의식이란 수십 년간 연구에 아무런 진척이 없고 결과를 예측하기 어려운 분야였기 때문이다.

코흐는 과감히 미지의 분야에 도전했다. DNA이중나선구조 발견으로 유명한 프랜시스 크릭이 코흐와 함께 의식에 관한 공동연구를 수행했다. 둘의 연구로 인해 심리학, 문학, 철학, 신학의 영역에서만 언급되던 의식은 과학자들의 실험실로 진입했다.

<의식>을 통해 코흐는 자신의 연구성과를 총체적으로 회상한다. 코흐는 뇌에서 일어나는 일을 설명하기 위해 물리학을 도입했다. 세포막 안팎의 전하가 변형되는 방식을 설명하기 위해 미분방정식을 풀었다.

당시 생물학계는 이 같은 접근방식을 낯설어했으나 얼마 지나지 않아 의식을 물리적으로 설명할 수 있다는 사실이 밝혀지기 시작했다. 의식을 생성하고 촉발하는 시냅스, 뉴런, 회로를 찾아낸 것이 코흐와 크릭의 업적이다.

코흐는 “행동의 대부분이 의식적 접근이 불가능한 무의식적 과정에서 이루어진다는 것”을 인정하면서도 무의식의 우월성을 주장하지는 않는다. 일상의 의사결정에는 의식, 무의식적 과정이 혼합돼 있고 명제의 추리, 복잡한 조작, 돌발사태에 대한 대응은 시간을 들여 깊게 사고해야만 성공적으로 수행할 수 있는 행동들이기 때문이다.

코흐는 학계에서 ‘낭만적 환원주의자’로 불린다. 수십억 개의 신경세포와 수만 개의 시냅스로 의식을 계량적으로 설명한다는 점에선 ‘환원주의자’이지만, 먼 우주와 인간 내면 깊은 곳에서 세계의 의미를 포착하려 한다는 점에서는 ‘낭만적’이기 때문이다.


이 같은 그의 성향은 <의식>의 글쓰기 방식에서도 드러난다. 가톨릭 집안에서 자라났지만 종교적 세계관을 버리고 과학적 세계관을 받아들이는 과정, 전망이 확실치 않은 분야로 뛰어드는 젊은 과학자의 불안감, 장성한 자녀들을 떠나보낸 후 ‘빈 둥지 증후군’을 앓는 중년 과학자의 고독 등 개인적인 이야기를 솔직하게 털어놓음으로써 과학적 용어에 익숙하지 않은 독자도 끌어들인다.

물리학자, 생물학자인 동시에 “존재의 수수께끼를 이해하는 과정을 즐기는 사람”임을 자처하는 저자의 면모가 책 전반에 드러나 있다.

http://news.khan.co.kr/kh_news/khan_art_view.html?artid=201409051941565&code=960205