Inter-regional interactions uncouple within-region inhibition stabilization and paradoxical responses

뇌는 고립된 섬들의 집합체가 아니라, 멀리 떨어진 영역들이 끊임없이 서로에게 속삭이는 거대하고 상호 연결된 군도와 같습니다. 단일 영역 내에서 뉴런들은 흥분과 억제의 섬세한 균형 속에서 소통합니다. 흥분성 뉴런은 가속 페달처럼 작용하여 활동을 앞으로 몰아가고, 억제성 뉴런은 브레이크 역할을 하여 시스템이 통제 불능 상태로 치닫는 것을 방지합니다. 가속 페달을 너무 세게 밟으면, 엔진이 원활하게 돌아가도록 유지하기 위해 브레이크를 매우 정밀하게 밟아야 합니다. 강력한 내부 구동력을 안정시키기 위해 강력한 내부 브레이킹이 필요한 이 특정한 상태를 '억제 안정화 네트워크(inhibition-stabilized network)'라고 합니다. 수년 동안 과학자들은 뇌 영역이 이 상태에서 작동하는지 확인하기 위한 특정 징후를 찾아왔는데, 그것은 바로 '역설적 반응(paradoxical response)'이라 불리는 직관에 반하는 반응입니다. 만약 이런 영역의 억제성 뉴런 활동을 인위적으로 높이면, 예상과는 달리 이들은 더 빠르게 발화하는 것이 아니라 오히려 속도가 느려집니다. 이는 초기 브레이킹의 급증이 억제 작용을 너무 효과적으로 수행하여, 억제성 뉴런이 계속 발화하는 데 필요한 흥분성 뉴런의 신호를 차단해 버리기 때문입니다. 오랫동안 이러한 속도 저하는 억제 안정화 상태의 결정적인 지문으로 취급되어 왔습니다.

하지만 컬럼비아 대학교 연구진의 새로운 연구는 전체 뇌의 맥락에서 볼 때 이 지문이 오해의 소지가 있을 수 있음을 시사합니다. 연구진은 두 뇌 영역이 연결되었을 때 어떤 일이 발생하는지 탐구하기 위해 수학적 모델을 구축하고 컴퓨터 시뮬레이션을 실행했습니다. 그들은 서로 다른 부분들을 연결하는 장거리 전선이 게임의 규칙을 완전히 새로 쓸 수 있다는 것을 발견했습니다. 시뮬레이션 결과, 자연적으로 억제 안정화 상태가 아닌 영역이라 할지라도 이웃으로부터 받는 피드백 때문에 역설적 반응을 보이도록 강제될 수 있음을 발견했습니다. 반대로, 진정으로 억제 안정화된 영역은 다른 영역과의 연결이 충분히 강할 경우 그 역설적 반응이 사라질 수도 있습니다. 이 연구는 특정 영역에서 역설적 반응을 관찰하는 것이 그 영역이 억제 안정화 상태임을 보장하는 것도 아니며, 그렇다고 그렇지 않다는 증거도 될 수 없음을 보여줍니다. 국소 회로의 행동은 그것 단독으로는 이해될 수 없으며, 그것이 속해 있는 전체 네트워크의 역학에 불가분하게 얽혀 있습니다.

이러한 결론에 도달하기 위해 연구팀은 각각 흥분성 뉴런 집단과 억제성 뉴런 집단을 포함하는 두 개의 뇌 영역 모델을 구축했습니다. 그들은 먼저 각 영역을 세상과 단절된 상태로 가정하여 시뮬레이션했습니다. 격리된 상태에서의 규칙은 명확했습니다. 만약 도움 없이는 흥분성 뉴런이 불안정하다면, 해당 영역은 억제 안정화 상태이며, 억제성 뉴런을 촉진하면 발화 속도가 느려졌습니다. 그러나 연구진이 실제 뇌의 구조를 모방하여 장거리 투사 경로를 통해 두 영역을 연결했을 때, 이 관계는 무너졌습니다. 그들은 이러한 연결로 인해 생성된 피드백 루프가, 본래 안정적이었던 영역에서도 역설적 반응을 만들어낼 수 있음을 보여주었습니다. 이러한 경우, '역설'은 국소적 불안정성의 징후가 아니라 네트워크의 집단적 행동의 결과였습니다. 두 번째 영역으로부터의 피드백이 외부 힘처럼 작용하여 첫 번째 영역의 흥분성 뉴런 억제를 강화했고, 이로 인해 국소 회로가 그러한 안정화를 필요로 하지 않음에도 불구하고 억제성 뉴뉴런의 발화율이 떨어지게 만든 것입니다.

연구진은 반대의 상황도 일어날 수 있다는 것을 발견했습니다. 그들은 분명히 억제 안정화되어 있으며 정상적으로 역설적 반응을 보일 영역에서 시작했습니다. 그런데 이 영역을 특정 유형의 피드백을 가진 두 번째 영역과 연결하자 역설적 반응이 사라졌습니다. 외부 피드백이 국소적 억제를 상쇄하여, 입력이 증가했음에도 불구하고 억제성 뉴런이 발화율을 유지하거나 심지어 높일 수 있게 한 것입니다. 이는 어떤 영역이 깊이 억제 안정화되어 있음에도 불구하고 기대되는 징후를 나타내지 못할 수 있음을 의미합니다. 연구는 또한 이러한 상호작용을 특정 경로별로 세분화하여, 다른 영역을 거쳐 이동하는 연결이 어떻게 효과적인 흥분성 힘이나 효과적인 억제성 힘으로 작용할 수 있는지 보여주었습니다. 만약 네트워크를 통한 경로가 국소 흥분성 뉴런의 억제를 강화한다면, 역설적 반응을 촉진합니다. 만약 그 경로가 억제를 반대한다면, 반응을 방지합니다.

이러한 발견은 뇌 회로의 내부 작동 원리를 추론하기 위해 사용되는 신경과학자들의 표준적인 방식에 도전합니다. 흔히 연구자들은 특정 뉴런 집단에 섭동(perturbation)을 가하고 그 결과를 관찰하여 회로의 특성을 추론합니다. 이 새로운 작업은 주변 네트워크를 무시한다면 그러한 해석이 불완전할 수 있음을 시사합니다. 국소 영역에서 관찰되는 반응은 그 자체의 내부 배선과 원거리 영역의 영향이 결합된 산물입니다. 나머지 네트워크의 안정성이 테스트 중인 부분의 안정성만큼이나 중요합니다. 만약 이웃 영역이 불안정하거나 특정 수의 불안정 모드를 가지고 있다면, 반응의 방향이 완전히 뒤바뀔 수 있습니다. 이 연구는 뇌가 어떻게 작동하는지에 대한 미스터리를 해결했다고 주장하는 것이 아니라, 뇌의 신호를 읽는 방식에 대한 중요한 교정을 제공하는 것입니다. 이는 뇌의 장거리 연결이 단순한 배경 소음이 아니라, 과학자들이 국소 계산을 이해하기 위해 의존하는 바로 그 징후를 생성하거나 파괴할 수 있는 능동적인 참여자임을 강조합니다.

이 연구의 함의는 미래의 실험을 설계하는 방식에까지 확장됩니다. 특정 뇌 영역이 억제 안정화되어 있는지 진정으로 이해하기 위해서, 과학자들은 연결된 영역으로부터 오는 피드백을 고려해야 할 수도 있으며, 아마도 실험 중에 이러한 원거리 영역의 활동을 일정하게 유지하는 방식을 취해야 할 것입니다. 이러한 통제가 없다면 국소 회로의 진정한 본질은 네트워크의 영향에 의해 가려진 채 남게 됩니다. 연구진은 결과의 견고함을 보장하기 위해 모든 집단의 기저 발화율을 5로, 시간 상수를 20밀리초로 설정하는 등 구체적인 매개변수를 사용하여 시뮬레이션을 진행했습니다. 그들은 연결된 영역들이 그 자체로 안정적이든, 불안정하든, 혹은 억제 안정화되어 있든 상관없이 이러한 효과가 유효함을 확인했습니다. 핵심 메시지는 상호 의존성입니다. 영역들이 밀접하게 결합된 뇌에서, 부분의 행동은 전체의 행동과 불가분하게 연결되어 있습니다. 역설적 반응은 더 이상 국소 안정성을 판별하는 단순한 예/아니오 테스트가 아니라, 전체 시스템의 역동적인 상호작용을 반영하는 복잡한 신호입니다.