Temporal instability weakens entorhinal grid-like coding in older adults

나이가 들면서 열쇠를 어디에 두었는지 기억하거나 익숙한 동네를 길을 찾는 능력이 종종 덜 신뢰할 수 있게 됩니다. 이러한 공간 기억 및 탐색 능력의 저하는 노화의 일반적인 부분이지만, 모든 사람에게 동일한 방식으로 일어나지는 않습니다. 어떤 노인들은 젊었을 때만큼이나 명석하고 방향 감각이 뛰어나지만, 어떤 이들은 심하게 어려움을 겪기도 합니다. 과학자들은 오랫동안 뇌의 측두엽 깊은 곳에 위치한 특정 부위가 이러한 능력에 핵심적인 역할을 한다고 의심해 왔습니다. 이 영역에는 우리가 공간을 이동할 때 반복되는 육각형 패턴으로 발화하는 특화된 세포들이 들어 있습니다. 뇌 속에서 이 패턴은 우리가 어디에 있는지, 그리고 가고자 하는 곳에 어떻게 가야 하는지를 알 수 있게 도와주는 정신적 지도를 만듭니다. 이 시스템이 잘 작동할 때 우리는 안정감을 느끼며, 이것이 제대로 작동하지 않을 때 우리는 길을 잃은 듯한 기분을 느낍니다.

수년 동안 연구자들은 이러한 탐색 기술의 저하가 단순히 나이가 들면서 뇌의 내부 지도가 사라지거나 완전히 소멸하기 때문이라고 믿어 왔습니다. 그러나 새로운 연구는 문제가 더 미묘할 수 있다고 제안합니다. 지도가 사라지는 대신, 지도가 불안정해지거나 시간이 흐름에 따라 표류하거나 흔들리는 것일 수 있다는 것입니다. 이러한 불안정성은 설령 지도가 여전히 존재하더라도 뇌가 그 지도를 일관되게 사용하는 것을 어렵게 만들 수 있습니다. 노인들의 뇌 신호가 어떻게 행동하는지 면밀히 관찰함으로써, 과학자들은 왜 어떤 사람들은 공간 기술을 유지하는 반면 다른 이들은 그렇지 못한지에 대한 핵심적인 이유를 찾아냈으며, 이는 뇌가 방향 감각을 유지하는 방식에서의 특정한 유형의 신뢰성을 가리킵니다.

이를 조사하기 위해 독일 마그데부르크에 위치한 독일 신경퇴행성 질환 센터의 연구진은 평균 연령 75세인 85명의 건강한 노인을 대상으로 연구를 진행했습니다. 연구진은 참가자들이 MRI 스캐너 안에서 과제를 수행하도록 요청했습니다. MRI는 뇌 활동의 상세한 사진을 찍는 기계입니다. 참가자들은 몸을 움직이지 않는 대신, 정사각형 모양의 가상 방을 걷고 있는 사람의 영상을 시청했습니다. 이동하는 동안 그들은 방 주변에 배치된 다섯 가지 서로 다른 물체의 위치를 기억해야 했습니다. 영상 시청 후, 그들은 물체들이 어디에 있었는지 얼마나 잘 회상할 수 있는지 테스트를 받았습니다. 연구진은 동일한 환경에 대해 뇌가 어떻게 반응하는지 확인하기 위해 물체를 매번 다른 위치에 배치하여 이 과정을 두 번 반복했습니다.

과학자들은 특히 우리의 내부 지도를 형성하는 격자 모양의 세포들이 모여 있는 것으로 알려진 뇌의 작은 영역인 후내측 엔토리날 피질(posterior-medial entorhinal cortex)의 특정 신호에 주목했습니다. 건강하고 기능하는 뇌에서는 사람이 여러 방향으로 이동함에 따라 이 영역이 예측 가능한 육각형 패턴으로 빛납니다. 연구진은 각 참가자의 이 신호가 얼마나 강한지를 측정했습니다. 예상대로, 이 신호의 강도는 노인들 사이에서 폭넓게 차이를 보였습니다. 어떤 이들은 젊은 사람들과 유사하게 명확하고 강한 패턴을 보였지만, 어떤 이들은 매우 약하거나 거의 존재하지 않는 신호를 보였습니다. 놀랍게도, 연구진은 개인의 연령만으로는 이러한 차이를 설명할 수 없다는 것을 발견했습니다. 90세 노인이 강한 신호를 보일 수도 있고, 65세 노인이 약한 신호를 보일 수도 있었는데, 이는 단순한 노화 이외의 다른 요소가 작용하고 있음을 시사합니다.

연구팀은 문제가 뇌의 지도가 단순히 사라진 것인지, 아니면 존재하지만 불안정한 것인지 질문했습니다. 이를 알아내기 위해 그들은 한 번의 과제 실행에서 다음 실행으로 뇌의 활동이 얼마나 일관되게 나타나는지를 살펴보았습니다. 그들은 뇌가 매번 동일한 방향의 움직임에 대해 동일한 패턴의 활동을 생성하는지를 측정했습니다. 그 결과, 격자 신호의 강도는 이 안정성과 밀접하게 연결되어 있다는 것을 발견했습니다. 엔토리날 피질의 왼쪽 부분에서, 두 번의 실행 과정에서 일관되고 안정적인 활동 패턴을 생성한 참가자들은 가장 강한 격자 신호를 보였습니다. 뇌 활동이 실행 사이에 표류하거나 변한 사람들은 더 약한 신호를 보였습니다. 이 발견은 문제가 반드시 뇌가 지도를 만드는 능력을 상실한 것이 아니라, 그 지도를 시간의 흐름에 따라 일정하고 신뢰할 수 있게 유지하는 데 어려움을 겪고 있는 것임을 시사합니다.

연구진은 또한 이러한 안정성이 실제 세계의 기억력에 영향을 미치는지도 살펴보았습니다. 그들은 왼쪽 엔토리날 피질에서 더 안정적인 뇌 패턴을 보이는 노인들이 가상 공간 내 물체의 위치를 더 잘 기억한다는 것을 발견했습니다. 이 연결 관계는 격자 신호의 순수한 강도보다는 패턴의 '안정성'에 특화되어 있었습니다. 즉, 신호 자체의 강도는 기억 수행 능력을 결정하는 데 있어 일관성만큼 명확하게 예측하지 못했습니다. 이는 뇌 안에 신뢰할 수 있고 변하지 않는 기준점을 갖는 것이, 특히 나중에 정보를 회상해야 할 때 위치를 기억하는 데 매우 중요하다는 점을 암시합니다.

어떤 뇌가 다른 뇌보다 더 안정적인지를 이해하기 위해, 팀은 해당 영역의 뇌 조직의 물리적 구조를 조사했습니다. 그들은 조직의 부피, 신호 전달을 돕는 지방층인 미엘린(myelin)의 양, 그리고 미세 구조의 무결성을 살펴보았습니다. 그들은 이러한 물리적 특징과 격자 신호의 안정성 사이에 명확한 연관성이 없음을 발견했습니다. 완벽하게 건강해 보이는 뇌 구조를 가진 사람도 불안정한 지도를 가질 수 있었고, 약간의 구조적 변화가 있는 다른 사람은 매우 안정적인 지도를 가질 수도 있었습니다. 이는 단순한 물리적 마모나 손상이 불안정성의 직접적인 원인이라는 생각을 배제했습니다.

연구팀은 이 불안정성의 근원을 뇌 네트워크의 더 상류로 추적했습니다. 엔토리날 피질은 방향에 대한 정보를 다른 영역으로부터 받는데, 여기에는 우리가 주변 환경에 대해 스스로를 정위(orient)시키는 데 도움을 주는 뇌 뒷부분의 영역인 회측대상피질(retrosplenial cortex)이 포함됩니다. 연구진은 이 회측대상피질의 방향 신호가 얼마나 안정적인지 측정했습니다. 그 결과, 회측대상피질이 안정적이고 신뢰할 수 있는 방향감을 제공할 때 엔토리날 피질이 더 안정적인 격자 패턴을 유지할 수 있다는 것을 발견했습니다. 실제로, 회측대상피질 신호의 안정성은 참가자들의 기억 수행 능력에 간접적으로 영향을 미치는 것으로 나타났는데, 이는 엔토리날 격자를 안정적으로 유지하도록 도움으로써 이루어졌습니다. 이는 뇌 뒷부분으로부터 오는 신뢰할 수 있는 방향 정보가 뇌 중앙의 내부 지도를 고정하여, 지도가 표류하는 것을 방지하는 일련의 사건 체계를 시사합니다.

이러한 발견은 왜 일부 노인들에게서 공간 기억이 저하되는지, 반대로 왜 어떤 이들은 그렇지 않은지에 대해 새로운 사고방식을 제공합니다. 뇌의 내부 GPS는 나이가 들면서 반드시 사라지는 것이 아닌 것 같습니다. 대신, 시스템이 덜 신뢰할 수 있게 되어, 우리가 지도를 사용하려고 할 때마다 지도가 조금씩 표류하거나 이동할 수 있습니다. 이러한 불안정성은 시스템으로 들어오는 방향 정보의 질에서 비롯되는 것으로 보입니다. 만약 뇌가 자신이 어디를 향하고 있는지에 대한 안정적인 감각을 유지하지 못한다면, 내부 지도는 흔들리게 되며, 이는 위치를 기억하거나 효과적으로 길을 찾는 것을 어렵게 만듭니다. 이 연구는 노년기에 공간 기술을 유지하는 핵심이 지도 자체를 보존하는 것이 아니라, 뇌가 그 지도를 세상과 일치하도록 유지할 수 있는 안정적인 기준점을 확보하는 데 있음을 강조합니다.