Heterogeneous single-cell dynamics support stable population codes for objects in the mouse anterior cingulate cortex

당신의 뇌를 거대하고 북적이는 도시라고 상상해 보세요. 그리고 **전대상피질(Anterior Cingulate Cortex, ACC)**은 당신의 세상 속 사물들이 어디에 있는지 기억하는 데 특화된 특정 구역입니다. 과학자들은 이 구역이 먼 과거의 일들을 기억하는 데 도움을 준다는 사실을 오래전부터 알고 있었지만, 우리가 동일한 물체를 반복해서 마주할 때 이 구역의 개별 일꾼들(뉴런)이 구체적으로 어떻게 자신의 직무를 수행하는지는 확실히 알지 못했습니다.

이를 알아내기 위해, 연구원들은 생쥐에게 작은 카메라를 부착하여 생쥐가 방 안의 물체들을 며칠 동안 매일 탐색하는 동안 수천 개의 뇌세포가 어떻게 활동하는지 관찰했습니다.

연구 결과는 다음과 같으며, 이해를 돕기 위해 몇 가지 간단한 비유를 사용했습니다.

"카멜레온" 팀

당신은 만약 생쥐가 첫째 날에 빨간 공을 본다면, 둘째 날, 셋째 날, 그리고 그 이후에도 "저것은 빨간 공이다!"라고 말하기 위해 정확히 똑같은 그룹의 뇌세포들이 불을 밝힐 것이라고 예상할 수도 있습니다.

하지만 실제로는 그렇지 않았습니다. 대신, ACC는 카멜레온 팀처럼 작동합니다.

• 팀의 규모는 일정하게 유지됩니다: "물체의 위치"라는 업무에 배정된 일꾼의 수는 매일 일정하게 유지됩니다.
• 개별 구성원은 계속 변합니다: 업무를 수행하는 특정한 일꾼들은 끊임없이 변합니다. 월요일에는 세포 A, 세포 B, 세포 C가 빨간 공에 대해 이야기할 수 있습니다. 하지만 화요일이 되면 세포 A는 퇴근하고, 세포 D, 세포 E, 세포 F가 대화를 이어받습니다.

마치 이 구역에 이런 규칙이 있는 것과 같습니다: "우리는 항상 빨간 공을 관리하기 위해 10명의 팀원이 필요하지만, 매일 라인업에 들어가는 구체적인 인원은 교체한다."

"열혈 일꾼" 규칙

이 지속적인 교체 과정에는 한 가지 예외가 있었습니다. 연구원들은 만약 생쥐가 어떤 물체를 냄새 맡고 탐색하며 많은 시간을 보낸다면, 그 물체에 대해 이야기하는 뇌세포들이 더욱 안정적으로 변한다는 것을 발견했습니다.
이것을 그룹 프로젝트라고 생각해 보세요: 만약 당신이 프로젝트에 정말 신경을 쓰고 그 데 온 힘을 쏟는다면, 당신과 당신의 팀원들은 더 오래 함께 머물게 됩니다. 만약 그냥 슥 훑어보고 지나간다면, 팀은 빠르게 바뀔 것입니다.

"합창"의 마법

그렇다면 개별 연주자들은 계속 바뀌는데, 생쥐는 어떻게 물체가 어디에 있는지 기억할까요? 뇌는 어떻게 혼란에 빠지지 않을까요?

답은 독창자가 아닌 **합창(chorus)**에 있습니다.
개별적인 목소리(개별 뉴런)는 변할지라도, 노래(그룹의 전체적인 패턴)는 동일하게 유지됩니다. 연구원들은 개별 세포는 가변적이고 역동적이지만, 집단적 전체(collective group)는 안정적이고 변하지 않는 그림을 만들어낸다는 것을 발견했습니다.

"큰 그림" 해독기

이를 테스트하기 위해, 과학자들은 생쥐의 마음을 "읽어서" 물체가 어디에 있는지 알아내려고 시도했습니다.

• 만약 그들이 단 몇 개의 특정 세포만을 읽으려 했다면, 그것은 무질서하고 이해하기 어려웠을 것입니다.
• 하지만 그들이 더 큰 집단(64개에서 128개의 세포로 이루어진 "합창단")을 관찰했을 때, 메시지는 믿을 수 없을 정도로 명확하고 읽기 쉬워졌습니다.

이것은 시끄러운 군중의 소리를 듣는 것과 같습니다. 만약 한 사람의 외침에만 집중하려 한다면 핵심을 놓칠 수 있습니다. 하지만 군중 전체의 함성을 듣는다면, 메시지는 크고 명확하며 안정적입니다.

결론

이 논문은 ACC가 결코 변하지 않는 몇몇 "슈퍼 뉴런"에 의존하는 것이 아니라고 결론짓습니다. 대신, ACC는 **창발적 조직화(emergent organization)**를 통해 안정성을 달 achieves 합니다. 이는 개별 부분들은 끊임없이 변화하고 역동적이지만, 전체 시스템은 견고하고 신뢰할 수 있는 기억을 만들어내는 시스템입니다. 뇌는 몸의 나머지 부분에 이렇게 말합니다. "누가 말하고 있는지는 신경 쓰지 마세요. 그저 집단의 목소리에 귀를 기울이면, 물체가 정확히 어디에 있는지 알 수 있습니다."