Network-specific metabolic cost of functional connectivity in the human brain

인간의 뇌는 거의 전적으로 당분에 의해 구동되는 생물학적 엔진입니다. 우리가 가만히 앉아 특별한 일을 하지 않고 있을 때조차, 우리의 정신은 세포에 연료를 공급하는 단순당인 포도당을 막대한 양으로 소비합니다. 과학자들은 우리가 생각하거나, 움직이거나, 느낄 때 뇌의 서로 다른 부분들이 활성화된다는 사실을 오래전부터 알고 있었으며, 이러한 활성 영역들이 더 많은 연료를 필요로 한다는 점 또한 알고 있었습니다. 수십 년 동안 연구자들은 이 연료 소비와 서로 다른 뇌 영역들이 서로 소통하는 방식 사이의 관계를 지도화하기 위해 노력해 왔습니다. 그들은 어떤 영역들이 함께 작동하는지를 보여주는 뇌의 전기적 신호가 해당 영역들이 태우는 포도당의 양과 어떻게 연관되는지를 살펴보았습니다. 그러나 이 연결 고리를 이해하려는 이전의 시도들은 종종 뇌를 하나의 균일한 덩어리로 취급했습니다. 그들은 뇌라는 기관 전체를 한꺼번에 보았는데, 이는 뇌가 실제로 시각, 운동 또는 기억과 같은 특정 작업을 위해 함께 작동하는 구별된 영역들의 팀들로 조직되어 있다는 사실을 놓친 것이었습니다. 이러한 특정 팀들을 운영하는 데 드는 비용이 얼마인지 이해하는 것은 매우 중요한데, 왜냐하면 그것이 정신의 진정한 경제적 규칙과 질병 발생 시 그 규칙이 어떻게 무너지는지를 밝혀주기 때문입니다.

한 새로운 연구는 뇌를 전체로서가 아니라 전문화된 네트워크들의 집합체로서 조사함으로써 이 에너지 경제를 더 자세히 들여다봅니다. 연구진은 강력한 영상 도구들의 조합을 사용하여 사람들이 휴식할 때, 정신적 과업을 수행할 때, 그리고 알츠하이머병의 초기 단계에 처해 있을 때 뇌가 포도당을 어떻게 사용하는지 관찰했습니다. 그들은 '기능적 연결성의 대사 비용'을 측정하는 데 집중했습니다. 쉽게 말해, 이는 뇌 네트워크의 구성원들이 더 밀접하게 협력하기 시작할 때 해당 네트워크가 얼마나 많은 추가 포도당을 태워야 하는지를 계산한 것을 의미합니다. 세 개의 별도 집단을 조사함으로써, 연구팀은 에너지 측면에서 모든 뇌 네트워크가 동일하게 만들어진 것이 아님을 발견했습니다. 어떤 팀들은 운영하는 데 엄청난 비용이 드는 반면, 다른 팀들은 놀라울 정도로 검소했습니다.

이 연구는 이러한 에너지 비용에 명확한 계층 구조가 있음을 밝혔습니다. 우리가 백일몽을 꾸거나 자신에 대해 생각할 때 활성화되는 영역들의 집단인 디폴트 모드 네트워크(default mode network)는 연료를 공급하는 데 가장 비싼 팀인 것으로 나타났습니다. 이 네트워크는 그 연결을 유지하기 위해 가장 높은 양의 포도당을 요구합니다. 반대로, 우리의 신체적 움직임과 감각을 제어하는 소마토모터 네트워크(somatomotor network)는 구성원들을 동기화하는 데 가장 적은 양의 연료를 필요로 했습니다. 언어와 복잡한 사고에 관여하는 프론토-템포럴 네트워크(fronto-temporal network)는 중간 정도의 에너지 부하를 지니며 그 사이에 위치했습니다. 이러한 패턴은 연구진이 매 순간 변화하는 연결성을 살펴보았을 때도 유효했습니다. 뇌가 디폴트 모드 네트워크가 활발하게 관여하는 상태에 진입했을 때 에너지 청구액은 최고치에 달했습니다. 뇌가 운동 네트워크가 지배하는 상태로 전환되었을 때 비용은 최저치로 떨어졌습니다.

연구진이 알츠하이머병 환자들을 관찰했을 때 그림은 극적으로 변했습니다. 이들에게서 평소의 에너지 규칙은 뒤집혔습니다. 보통 가장 많은 연료를 태우는 디폴트 모드 네트워크는 에너지 수요의 감소를 보였습니다. 반면, 보통 가장 효율적인 소마토모터 네트워크는 증가된 비용을 보이기 시작했습니다. 이러한 역전 현상은 질병이 뇌의 정상적인 자원 관리 능력을 방해하여, 평소 높은 비용이 따르는 복잡한 내부 사고를 지원하는 데는 실패하면서 기본적인 기능들을 위해 더 높은 대가를 치르게 만든다는 것을 시사합니다.

연구는 또한 뇌가 특정한 일을 수행하도록 요청받을 때 어떤 일이 일어나는지도 관찰했습니다. 참가자들이 인지적 과업에 참여할 때, 디폴트 모드 네트워크와 소마토모터 네트워크의 에너지 수요는 마치 내부 시스템과 물리적 시스템을 잠재움으로써 연료를 절약하는 것처럼 감소했습니다. 동시에, 당해 과업과 직접적으로 관련된 네트워크들은 에너지 비용의 증가를 보였습니다. 이는 뇌가 휴식 중이든, 생각 중이든, 혹은 질병과 싸우고 있든 상관없이 자신이 하고 있는 일에 맞춰 연료 예산을 조정하며 끊임없이 변화하는 역동적인 시스템임을 보여줍니다. 이러한 구체적인 비용을 지도화함으로써, 과학자들은 뇌의 네트워크들이 어떻게 연결되는지와 그들을 계속 가동하는 데 비용이 얼마나 드는지 사이의 복잡한 상호작용을 이해하기 시작하고 있습니다.