Biased projection neuron-Kenyon cell connectivity shapes odor representations and learning in the Drosophila mushroom body

동물이 어떻게 학습하는지 이해하기 위해, 과학자들은 종종 뇌의 기억 중심지를 살펴본다. 이곳은 가공되지 않은 감각 데이터가 마음이 저장하고 회상할 수 있는 무언가로 변환되는 장소이다. 이 중심지가 직면한 핵심 과제는 두 가지 상충하는 필요 사이에서 균형을 잡는 것이다. 즉, 방대한 양의 서로 다른 것들을 인식할 수 있어야 하는 동시에, 음식의 냄새나 포식자와 같이 생존에 중요한 특정 신호에는 특별히 더 주의를 기울여야 한다는 점이다. 초파를 포함한 많은 동물에서 이러한 처리는 '머쉬룸 바디(mushroom body)'라고 불리는 구조에서 일어난다. 이 구조 내부에서는 밀집된 감각 신호들이 훨씬 더 큰 규모의 처리 세포 집단으로 전달된다. 이론적 모델들은 뇌가 가능한 한 가장 많은 정보를 처리하기 위해서, 이 두 집단 사이의 연결은 모든 카드가 어느 위치에나 떨어질 확률이 동일하도록 카드를 섞는 것처럼 완전히 무작위적이어야 한다고 오랫동안 시사해 왔다. 이러한 무작위성이 가장 뚜렷하고 구별 가능한 기억을 만들어낼 것이라고 생각되었다. 그러나 순수하게 무작위적인 시스템에는 결함이 있다. 그것은 위험한 냄새와 중립적인 냄새를 똑같이 취급하여, 무엇이 중요한지에 우선순위를 둘 수 있는 내장된 방법을 제공하지 못한다는 점이다.

초파(Drosophila melanogaster)를 연구하는 연구자들은 이제 뇌가 순수한 무작위성을 고수하는 것이 아니라, 배선에 미묘하고 체계적인 편향을 도입함으로써 이 문제를 해결한다는 것을 보여주었다. 초파의 머쉬룸 바디 내에서, 향기 정보를 운반하는 투사 뉴런으로부터 기억 처리기 역할을 하는 케니언 세포(Kenyon cells)로 신호가 이동한다. 이 세포들 사이의 개별적인 연결은 무작위적으로 보이지만, 연구자들은 전체적인 패턴은 그렇지 않다는 것을 발견했다. 특정 유형의 투사 뉴런은 다른 유형보다 케니언 세포에 훨씬 더 자주 연결된다. 구체적으로, 일부 유형의 입력 뉴런은 그 상대적 대응물보다 최대 15배 더 빈번하게 연결된다. 이것은 혼란스러운 혼합이 아니라, 뇌가 세상에 반응하는 방식을 변화시키는 구조적인 선호이다.

이 연구는 이러한 배선 편향이 파리의 학습 방식을 직접적으로 형성한다는 것을 밝혀냈다. 어떤 냄새가 대규모의 케니언 세포 집단(구체적으로, 전체의 20%를 초과하는 세포들)을 활성화할 때, 파리는 그 향기에 대해 강하고 지속적인 기억을 형성한다. 반면, 10% 미만의 세포를 활성화하는 냄새는 매우 서투르게 학습된다. 연구자들은 입력 뉴런과 기억 세포 사이의 연결 강도가 냄새가 뇌에 얼마나 넓게 느껴지는지를 결정한다는 것을 발견했다. 그러나 시스템은 단지 부피에 관한 것만이 아니다. 연구자들은 VL1로 알려진 특정 입력 뉴런 그룹이 다르게 행동한다는 것을 확인했다. 이 뉴런들은 기억 세포들과 약하게 연결되어 있음에도 불구하고, 여전히 광범위한 세포들의 활동을 유발해 낸다. 하지만 이러한 광범위한 활동에도 불구하고, 이 특정 뉴런들에 의해 전달되는 냄새는 좋은 학습을 만들어내는 데 실패한다. 이는 뇌가 활동량이 얼마나 많든 상관없이, 어떤 신호는 기억으로 통과시키고 다른 신호는 차단하는 특정 게이트나 필터를 가지고 있음을 시사한다.

이러한 발견은 초파의 뇌가 기억을 저장하기 위해 순수하게 무작위적인 섞기에 의존하지 않는다는 것을 보여준다. 대신, 뇌는 자신의 물리적 연결 속에 중요성의 위계를 직접 심어 놓는다. 특정 유형의 입력 뉴런을 다른 유형보다 선호함으로써, 뇌는 엄청나나 다양한 향기를 구별할 수 있는 능력을 잃지 않으면서도 동시에 가장 생물학적으로 유의미한 것들이 가장 효과적으로 학습되도록 보장한다. 이 연구는 뇌의 구조 자체가 생존을 우선시하며, 동물이 세상의 나머지 것들을 인식하는 능력을 잃지 않으면서도 중요한 것을 기억할 수 있게 해준다는 점을 입증한다.