Random innervation of cerebellar Purkinje cells as a substrate for diverse representational learning

소뇌를 복잡한 움직임과 타이밍을 학습하는 데 전념하는 거대하고 고속인 오케스트라라고 상상해 보십시오. 수십 년 동안 과학자들은 이 오케스트라의 지휘자인 **푸르키네 세포(Purkinje cell)**가 방 안의 모든 음악가에게 귀를 기울이고 있다고 생각했습니다. 이 과거의 관점에서는, 만약 백만 명의 음악가(평행 섬유, parallel fibers)가 있다면, 모든 지휘자가 한 번에 백만 명 모두의 소리를 듣는다는 것이었습니다. 이것이 바로 "모두가 모두에게 말하는" '전부 대 전부(all-to-all)' 규칙이었습니다.

하지만 새로운 고해상도 지도(뇌의 미시적인 거리 뷰와 같은)는 놀라운 반전을 드러냈습니다. 알고 보니 각 지휘자는 오케스트라 전체의 소리를 듣는 것이 아니었습니다. 대신, 각 지휘자는 무작위로 선택된 특정한 소수의 음악가 소리만을 듣고 있었습니다.

이 논문은 다음과 같은 쉬운 비유를 사용하여 이 발견을 설명합니다.

1. 무작위 좌석 배치도

연구진은 강력한 전자 현미경을 사용하여 뇌의 배선을 조사했고, 연결 방식이 엄격하고 예측 가능한 패턴으로 조직되어 있지 않다는 것을 발견했습니다. 대신, 그것은 마치 복권처럼 작동합니다.

수천 명의 사람들(음악가)과 수천 명의 VIP 게스트(지휘자)가 있는 거대한 방을 상상해 보십시오. 만약 좌석을 무작위로 배정한다면, 어떤 VIP는 앞줄의 몇 명을 얻게 될 것이고, 다른 VIP는 뒷줄의 사람들을, 또 다른 이는 중간 줄의 사람들을 얻게 될 것입니다. 논문은 뇌가 정확히 이 무작위 복권처럼 작동한다는 것을 밝혀냈습니다. 특정 음악가가 특정 지휘자에게 연결될지 여부는 마스터 플랜에 의한 것이 아니라, 오직 물리적 공간에 의해서만 제약을 받는 우연의 문제라는 것입니다.

2. "예측 불가능한 사촌"

여러분은 이렇게 생각할 수도 있습니다. "만약 한 음악가가 한 지휘자에게 닿는 가지를 가지고 있다면, 그들의 다른 가지들은 같은 지휘자나 혹은 그 이웃에게 닿지 않을까?" 논문은 아니오라고 말합니다.

두 개의 팔을 뻗고 있는 음악가를 생각해 보십시오. 왼쪽 팔이 한 VIP와 악수를 했다고 해서, 오른쪽 팔이 반드시 그 VIP나 근처에 있는 사람과 악수를 해야 하는 것은 아닙니다. 이러한 연결은 독립적입니다. 그것은 매번 악수를 할 때마다 주사위를 던지는 것과 같습니다. 한 번의 주사위 결과가 다음 결과를 예측하지 못하는 것과 같습니다.

3. 왜 "모두가 듣는 것"보다 무작위성이 더 나은가?

그렇다면 왜 뇌가 이렇게 하는 것일까요? 왜 모든 지휘자가 모든 음악가의 소리를 듣게 하지 않는 것일까요?

연구진은 이를 테스트하기 위해 컴퓨터 모델을 구축했습니다. 그들은 두 가지 시나리오를 비교했습니다.

• 시나리오 A (과거의 방식): 모든 지휘자가 모든 음악가의 소리를 듣습니다.
• 시나리오 B (새로운 방식): 모든 지휘자가 무작위로 선택된 고유한 음악가 조합을 듣습니다.

그들은 시나리오 B가 승리한다는 것을 발견했습니다.

이것을 미스터리를 해결하는 탐정 팀이라고 생각해 보십시오. 만약 모든 탐정이 똑같은 1,000페이지짜리 파일을 읽는다면, 그들은 모두 똑같은 이론을 내놓을 것입니다. 하지만 각 탐정에게 그 파일에서 무작위로 선택된 서로 다른 페이지들을 준다면, 각 탐정은 독특한 단서들을 포착하고 다양한 이론을 세울 것입니다. 그들의 서로 다른 이론들을 모두 합치면, 팀은 모두가 동일한 정보를 가졌을 때보다 훨씬 더 빠르고 정확하게 미스터리를 해결할 수 있습니다.

핵심 요약

이 논문은 이러한 "무작위 부분 연결성(random partial connectivity)"이 실수가 아니라 결함이 아니라고 결론짓습니다. 그것은 영리한 설계 기능입니다. 모든 푸르키네 세포가 뇌 활동의 서로 다른 무작위 조각을 듣도록 함으로써, 소뇌는 다양한 학습자 팀을 만들어냅니다. 이러한 다양성은 모든 세포가 똑같은 정보를 처리하려고 노력할 때보다 뇌가 복잡한 과업을 더 효과적으로 학습할 수 있게 해줍니다.

요컨대, 뇌의 학습 능력은 두 세포가 똑같은 노래를 듣고 있지 않다는 사실에서 나옵니다.