Individual differences in fear memory expression engage distinct functional brain networks
본 연구는 제브라피쉬의 공포 기억 표현에서 나타나는 얼어붙기(freezing)부터 회피(evasion)에 이르는 개체 간 차이가 소뇌, 팰리엄(pallium), 시상하부와 같은 영역들을 포함하는 고유한 신경 연결 패턴과 연관된 독특한 전뇌 기능 네트워크에 의해 뒷받침된다는 것을 입증한다.
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공포는 동물계의 동물들이 숙달해 온 생존 도구입니다. 생명체가 위험을 감지하면, 도망칠지, 싸울지, 아니면 얼어붙을지를 빠르게 결정해야 합니다. 이 결정은 무작위적인 것이 아니라, 위협의 구체적인 성격에 대한 계산된 반응입니다. 포식자가 적극적으로 공격하고 있다면 도망치는 것이 최선의 선택일 수 있습니다. 만약 포식자가 근처에 숨어 있다면, 완벽하게 가만히 있는 것이 탐지를 피하는 유일한 방법일 수도 있습니다. 과학자들은 동물이 특정 장소를 위험과 연관 짓는 법을 어떻게 배우는지, 즉 공포 조건화라고 알려진 과정을 오랫동안 연구해 왔습니다. 그러나 우리는 동물이 이러한 교훈을 배운다는 사실은 알고 있지만, 왜 같은 종 내의 개체들이 이토록 다르게 반응하는지에 대해서는 거의 이해하지 못하고 있습니다. 어떤 개체는 공포로 인해 얼어붙는 반면, 다른 개체는 정확히 같은 장소에서 정확히 같은 위협을 경험했음에도 불구하고 급히 달아나기도 합니다. 이러한 개별적 차이를 이해하는 것은 매우 중요한데, 왜냐하면 공포 반응의 변이는 불안 및 외상 후 스트레스 장애와 같은 인간의 질환과도 연결되어 있기 때문입니다.
웨인 주립 대학교의 연구팀은 제브라피시를 연구함으로써 이러한 차이의 근원을 밝혀내고자 했습니다. 그들은 성체 물고기가 특정 수조를 경고 신호와 연관시키도록 설계된 실험을 진행했습니다. 이 신호는 부상당한 물고기로부터 방출되는 자연적인 화학 물질인 '경보 물질'이었는데, 이는 물속에서 보편적인 구조 신호 역할을 합니다. 연구진은 화학 물질이 더 이상 존재하지 않는 하루 뒤에 물고기들이 이 위험을 어떻게 기억하는지 확인하고자 했습니다. 이를 위해 그들은 네 가지 서로 다른 유전적 계통의 물고기 300여 마리를 추적하며, 각 개체가 어떻게 움직이는지 면밀히 관찰했습니다. 그들은 첨단 컴퓨터 비전 기술을 사용하여 모든 헤엄, 회전, 멈춤을 정밀한 데이터 포인트로 세분화하였고, 이를 통해 위협에 대한 기억에 어떻게 반응하는지에 따라 물고기들을 뚜렷한 행동 그룹으로 분류할 수 있었습니다.
결과에 따르면 물고기들은 모두 동일하게 반응하지 않았습니다. 단일한 균일한 반응 대신, 개체군은 네 개의 명확한 그룹으로 나뉘었습니다. 어떤 물고기들은 행동의 변화가 거의 없는 비반응형을 보였습니다. 다른 물고기들은 회피형으로, 빠르고 불규칙하게 움직였습니다. 세 번째 그룹은 완전히 얼어붙어 움직임 없이 가만히 있었습니다. 그러나 가장 흥러운 그룹은 혼합형이었는데, 이들은 오랫동안 얼어붙어 있다가도 가끔씩 빠른 회피 동작을 보였습니다. 연구진은 이러한 서로 다른 행동 유형이 단순히 무작위적인 변동이 아니라 일관된 패턴이라는 것을 발견했습니다. 예를 들어, 수컷 물고기는 위험을 기억할 때 회피 동작을 증가시키는 경향이 있었던 반면, 특정 유전적 계통의 물고기는 비반응 상태를 유지하는 경향이 더 컸습니다. 이는 유전과 성별이 공포가 어떻게 표현되는지에 역할을 한다는 점을 시사했습니다.
물고기의 뇌 내부에서 어떤 일이 일어나고 있는지 이해하기 위해, 연구진은 물고기가 공포 기억을 떠올리는 동안 뇌 전체의 뉴런 활성도를 매핑했습니다. 그들은 서로 다른 행동 그룹과 일치하는 활동 패턴을 찾았습니다. 그들은 이 행동들을 뒷받침하는 뇌 네트워크가 놀라울 정도로 뚜렷하다는 것을 발견했습니다. 대부분의 시간을 얼어붙은 채 보내는 물고기는 냄새를 처리하는 부분과 균형 및 운동과 관련된 영역인 소뇌 사이에 강한 연결성을 보였습니다. 이는 얼어붙는 것이 단순히 기능을 끄는 것이 아니라, 환경을 지속적으로 모니터링하고 자세를 유지하는 능동적이고 조율된 상태임을 시사합니다. 반면, 얼어붙음과 회피 동작을 혼합하여 보이는 물고기는 다른 패턴을 보였습니다. 이들의 뇌는 시상하부와 같이 스트레스를 조절하고 신체의 자동 기능을 담당하는 영역에서 매우 활발했습니다. 이는 이 물고기들이 높은 수준의 내부적 스트레스를 경험하고 있으며, 이것이 얼어붙음과 달리기 사이를 전환하도록 유도한다는 것을 나타냅니다.
연구는 또한 시각 및 감각 처리와 관련된 뇌 영역이 물고기의 행동에 따라 다르게 작동한다는 것을 밝혔습니다. 얼어붙은 물고기는 시각 중심지와 공간 탐색을 돕는 뇌 부위 사이의 연결이 강화되어 있었는데, 이는 움직이지 않으면서도 위협을 주의 깊게 살피고 있음을 시사합니다. 반면, 회피하는 물고기는 탈출에 필요한 빠른 움직임에 온전히 집중하기 위해 특정 감각 입력을 억제하는 것처럼 보였습니다. 연구진은 물고기가 초기 학습 단계에서 어떻게 행동했는지가 그 사건을 기억할 때 어떻게 행동할지를 예측할 수 있지만, 기억 그 자체는 물고기가 사용하는 특정한 신경 회로에 의해 형성된다는 것을 발견했습니다.
이러한 발견은 개별적인 공포의 차이가 뇌에 뿌리를 두고 있다는 명확한 그림을 제공합니다. 이 연구는 모든 공포 행동을 통제하는 단일한 '공포 센터'가 존재하지 않는다는 것을 보여줍니다. 대신, 뇌는 서로 다른 전략을 만들어내기 위해 다양한 네트워크를 사용합니다. 한 네트워크는 정지와 경계의 전략을 지원하고, 다른 네트워크는 높은 경계 상태와 빠른 움직임을 지원합니다. 연구진은 이러한 차이가 동물이 느끼는 공포의 양에 관한 것뿐만 아니라, 그 공포가 어떻게 행동으로 번역되는지에 관한 것이라고 제안합니다. 이러한 특정 뇌 회로를 식별함으로써, 이 연구는 왜 개체들이 동일한 트라우마 사건에 대해 서로 다르게 반응하는지를 바라보는 새로운 시각을 제공합니다. 이는 공포 반응의 다양성이 뇌 설계의 근본적인 특징이며, 위험한 세상에서 동물들이 생존을 위한 여러 선택지를 가질 수 있도록 해준다는 것을 보여줍니다.
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