Reading specific memories from human neurons before and after sleep

인간의 기억은 파일이 선반 위에 손도 대지 않은 채 놓여 있는 정적인 도서관이 아닙니다. 그것은 우리가 낮과 밤을 지나며 변화하는 살아 움직이는, 변동하는 과정입니다. 인간 정신의 가장 놀라운 능력 중 하나는 잠시 마주친 사람의 얼굴이나 처음 방문한 장소처럼, 단 한 번의 경험만으로도 특정한 하나의 사건을 회상할 수 있는 능력입니다. 과학자들은 뇌의 서로 다른 부분들이 이러한 순간들을 저장하기 위해 함께 작동한다는 것을 오래전부터 알고 있었지만, 뇌가 구체적인 기억을 어떻게 인코딩(부호화)하는지, 그리고 그 인코딩이 시간이 흐름에 따라 어떻게 변하는지를 정확히 이해하는 것은 여전히 난제로 남아 있었습니다. 우리가 뇌세포의 전기적 활동으로부터 특정 기억의 구체적인 내용을 실제로 읽어낼 수 있는지에 대한 의문은 신경과학의 주요 최전선이며, 이는 우리가 어떻게 학습하는지, 그리고 언젠가 기억하는 데 어려움을 겪는 이들을 어떻게 도울 수 있을지에 대한 시사점을 던져줍니다.

최근 한 연구는 인간 뇌세포의 전기 신호를 직접 경청함으로써 이 질문에 답하기 위한 중요한 진전을 이루었습니다. 연구진은 다른 질환으로 인해 이미 의료적 모니터링을 받고 있던 환자들을 대상으로, 뇌 내부에 삽입된 미세 전극을 사용하여 개별 뉴런의 발화(firing)를 기록했습니다. 환자들은 단 하나의 독특한 시청각 에피소드, 즉 특정 비디오 클립을 시청했고, 이후 잠을 포함한 일정 시간이 지난 뒤 해당 비디오의 세부 사항을 회상하도록 요청받았습니다. 연구팀은 복잡한 패턴을 인식하도록 설계된 인공지능의 일종인 정교한 컴퓨터 모델을 구축하여 뉴런의 전기적 스파이크를 분석했습니다. 이 모델은 초기 시청 중 발생한 뇌세포의 특정 발화 패턴을 환자가 나중에 기억하게 된 사람의 이름이나 장소와 같은 구체적인 개념들과 연결하는 법을 학습했습니다.

연구 결과는 기억이 어떻게 처리되고 저장되는지에 대한 역동적인 이야기를 보여주었습니다. 연구진이 잠들기 전의 기억에 대해 모델을 테스트했을 때, 새로운 기억 형성에 역할을 하는 것으로 알려진 뇌의 깊은 부위인 내측 측두엽(medial temporal lobe)에서의 전기적 활동이 환자가 무엇을 기억할지를 예측하기에 충분하다는 것을 발견했습니다. 그러나 환자들이 잠을 자고 난 후에는 양상이 바뀌었습니다. 동일한 모델에 내측 측두엽의 데이터만을 입력했을 때, 모델은 더 이상 기억을 해독할 수 없었습니다. 대신, 회상된 개념을 예측하는 능력은 고차원적 사고와 조직화에 관여하는 뇌 앞부분인 전두엽 피질(frontal cortex)로 이동했습니다. 전두엽 피질의 신호로 훈련된 모델은 잠을 자고 난 후의 기억에 대해서는 잘 작동했지만, 잠들기 전에는 그렇지 못했습니다. 더욱이 연구진은 전두엽 피질이 기억을 더 잘 해독할수록 환자가 경험한 비-REM(non-REM) 수면이 더 많았다는 점을 관찰했으며, 이는 수면의 질과 기억이 뇌의 어디에 머무는지에 대한 변화 사이에 직접적인 연관성이 있음을 시사합니다.

이러한 발견은 특정 기억이 뇌의 단일 지점에 고정되어 있는 것이 아니라, 서로 다른 신경 집단에 걸쳐 분산되어 있으며, 깨어 있는 상태에서 수면 상태로 이동함에 따라 이 분포가 변한다는 것을 시사합니다. 이 연구는 뇌가 단일 경험의 정보를 재구성하며, 수면이 진행됨에 따라 그 기억의 주요 표현(representation)을 깊은 기억 중심부에서 전두엽 피질로 이동시킨다는 것을 보여줍니다. 이러한 시스템 전반의 변화는 뇌가 단순히 파일을 저장하고 그대로 두는 것이 아니라, 기억 흔적의 위치를 능동적으로 다시 쓴다는 것을 의미합니다. 비록 이번 연구가 소수의 환자 그룹을 대상으로 수행되었고 특정 데이터로 훈련된 모델에 의존하고 있지만, 뇌 활동으로부터 내부적으로 생성된 기억을 해독할 수 있는 능력은 우리가 특정 기억을 강화하거나 심지어 억제할 수 있는 미래, 즉 사람들이 자신의 삶을 기억하는 방식에 영향을 미치는 장애를 치료하는 새로운 길을 제시할 수 있음을 시사합니다.