Cellular code for mnemonic pattern separation in the human hippocampus is revealed by false memories

인간의 뇌는 기억의 거장으로, 어린 시절 먹었던 음식의 맛부터 친구의 얼굴에 이르기까지 방대한 개인적 경험의 도서관을 저장할 수 있는 능력을 갖추고 있습니다. 그러나 이러한 능력은 섬세한 균형 잡기에 의존합니다. 뇌가 제대로 기능하기 위해서는, 조명이나 각도가 바뀌더라도 익숙한 물체가 이전에 보았던 것과 동일한 것임을 인식해야 합니다. 동시에, 오래된 것과 거의 똑같이 생긴 새로운 물체를 구별해 낼 만큼 예리하여 혼동을 방지해야 합니다. 이처럼 매우 유사한 것들을 구별해 내는 능력을 패턴 분리(pattern separation)라고 합니다. 수십 년 동안 과학자들은 인간의 뇌에 이러한 특정한 계산 능력이 존재하는지에 대해 논쟁해 왔습니다. 설치류 연구에서는 기억에 필수적인 심층 뇌 구조인 해마에서 이 과정의 명확한 증거가 나타났지만, 인간을 대상으로 한 연구는 결론이 나지 않은 상태였습니다. 뇌 스캔을 이용해 이를 확인하려 했던 이전의 시도들은 개별 세포의 활동을 보여주기에는 너무 흐릿했고, 다른 연구들은 인간의 기억 세포가 미세한 구분을 하기에는 너무 광범위하고 일반적이라고 시사했습니다. 단일 뉴런으로부터의 명확한 신호 없이는, 인간이 진정으로 이러한 정교하게 조정된 기억 필터를 보유하고 있는지에 대한 질문은 답을 찾지 못한 채 남아 있었습니다.

한 연구팀이 이제 사람들의 개별 뇌세포의 전기적 활동을 직접 경청함으로써 이 논쟁을 해결했습니다. 연구진은 발작의 근원을 찾기 위해 뇌 깊숙이 미세 전극을 삽입하는 수술을 받는 간질 환자 97명을 대상으로 연구를 진행했습니다. 이 전극 덕분에 과학자들은 환자들이 기억 게임을 하는 동안 3,506개의 뉴런 활동을 기록할 수 있었습니다. 게임에서 환자들은 먼저 일련의 이미지들을 학습했습니다. 나중에 그들은 예전 이미지들과 그 예전 이미지들과 매우 유사해 보이는 새로운 이미지들이 섞인 것을 보게 되었습니다. 환자들은 각 이미지를 전에 본 적이 있는지, 그리고 그 답에 대해 얼마나 확신하는지를 결정해야 했습니다. 때때로 환자들은 새로운 이미지를 이전에 보았다고 잘못 믿는 실수를 저질렀습니다. '오경보(false alarms)'라고 알려진 이 오류는 뇌가 새로운 이미지를 오래된 기억으로부터 분리하는 데 실패할 때 발생합니다. 연구진은 이러한 구체적인 오류의 순간들을 분석함으로써 뇌가 그 혼란을 어떻게 처리하는지 관찰할 수 있었습니다.

연구 결과, 뇌는 실제로 패턴 분리 메커니즘을 가지고 있지만, 이는 특정하고 희귀한 유형의 세포에 의해 수행된다는 것이 밝혀졌습니다. 연구진은 환자가 예전 이미지를 올바르게 기억했을 때 많은 뇌세포가 예측 가능한 방식으로 발화한다는 것을 발견했습니다. 그러나 결정적인 발견은 환자가 새로운, 유사한 이미지를 보고 "예전 것"이라고 잘못 불렀을 때 일어났습니다. 이 순간, 해마의 한 특정 세포 집단은 환자가 "예전 것"이라고 말했음에도 불구하고, 그 이미지가 사실은 "새로운 것"이라는 신호를 계속 보냈습니다. 이 세포들은 환자의 틀린 결정은 무시하고 이미지의 진실에 충실했습니다. 연구진은 이들을 "패턴 분리" 세포라고 불렀습니다. 연구진은 이 세포들이 해마, 편도체 및 기타 영역에 존재한다는 것을 발견했으나, 해마에서 가장 효과적이었습니다. 반면, 뇌의 다른 세포들은 그 결정이 맞든 틀리든 상관없이 환자가 말하고자 하는 바를 단순히 신호로 보냈습니다. 이는 인간의 뇌에 기억의 사실적 진실을 담는 흐름과, 그 사람이 내린 최종 선택을 반영하는 흐름이라는 두 개의 병렬적인 정보 흐름이 존재함을 보여주었습니다.

연구진은 더 나아가 이 세포들이 어떻게 기억의 강도라는 느낌을 만들어내는지 이해하기 위해 나아갔습니다. 사람들이 무언가를 매우 확신할 때 뇌 활동은 강해지며, 확신이 없을 때는 약해집니다. 연구는 패턴 분리 세포가 이러한 자신감의 매끄러운 경사를 만드는 역할을 한다는 것을 보여주었습니다. 연구진이 분석에서 이 특정 세포들의 활동을 수학적으로 제거했을 때, 높은 확신의 기억, 낮은 확신의 기억, 그리고 오경보 사이의 명확한 차이가 사라졌습니다. 뇌가 강한 기억과 약한 기억을 구별하는 능력이 무너진 것입니다. 이는 이 희귀한 세포들이 우리가 기억에 대해 얼마나 확신하는지를 느끼게 하는 엔진임을 시사합니다. 이 세포들이 없다면, 뇌는 생생한 회상과 단순한 추측 사이를 구별하는 데 어려움을 겪을 것입니다.

세포의 위치 또한 중요했습니다. 패턴 분리 신호는 시각 정보를 처리하는 부분인 해마의 오른쪽에서 가장 강력했습니다. 이 세포들이 기록된 영역에서 발작이 시작되는 환자들의 경우, 이 신호가 약하거나 없었는데, 이는 이 환자들이 흔히 겪는 기억 문제를 뒷받/침합니다. 또한 연구는 환자들이 저지른 실수가 무작위가 아님을 확인했습니다. 새로운 이미지를 예전 이미지와 혼동할 가능성은 두 이미지가 시각적으로 얼마나 유사한지에 전적으로 달려 있었습니다. 그림들이 서로 닮을수록 뇌가 그것들을 분리하는 데 실패할 가능성이 높아졌고, 이는 오경보로 이어졌습니다. 이는 오류가 주의력 부족이나 무작위적인 추측 때문이 아니라, 유사한 패턴을 구별하려는 뇌의 투쟁에서 비롯된 직접적인 결과임을 확인시켜 주었습니다.

이 연구는 인간의 뇌에서 개별 세포 수준의 패턴 분리에 대한 첫 번째 직접적인 증거를 제공합니다. 이는 인간의 해마에 새로운, 유사한 경험들이 오래된 것들과 별개로 유지되도록 보장하는 필터 역할을 하는 특화된 뉴런 집단이 존재함을 보여줍니다. 이 필터가 작동할 때, 우리는 혼동 없이 익숙한 얼굴과 장소를 인식할 수 있습니다. 필터가 작동하지 않을 때, 우리는 낯선 사람을 친구로, 혹은 새로운 물체를 예전의 것으로 착각할 수 있습니다. 이 연구는 단순히 이 과정이 존재함을 확인하는 데 그치지 않고, 그것을 가능하게 하는 구체적인 생물학적 기제를 식별함으로써 인간의 정신이 어떻게 기억을 명확하고 뚜렷하게 유지하는지에 대한 새로운 창을 열어주었습니다.