Next generation Human Neocortical Neurosolver model with biophysically realistic somatic, dendritic and synaptic dynamics

인간의 뇌는 전기적 활동이 펼쳐지는 거대하고 복잡한 풍경이지만, 우리가 어떻게 생각하고, 느끼고, 세상을 인지하는지 이해하려는 과학자들에게 이 활동의 상당 부분은 여전히 숨겨져 있습니다. 우리는 두피에 센서를 부착하여 뇌의 전자기적 속삭임인 뇌전도(EEG) 또는 뇌자도(MEG)를 기록할 수 있습니다. 이러한 도구들은 수십억 개의 뉴런이 동시에 발화하며 만들어내는 집단적인 웅성거림을 포착하지만, 그 신호는 마치 경기장에서 관중 개개인을 볼 수는 없이 관중들이 환호하는 소리만을 듣는 것과 같습니다. 이 소음 뒤에 숨겨진 이야기를 이해하기 위해, 연구자들은 이러한 대규모 신호와 뇌 내부의 미세한 미시적 회로 사이의 간극을 메워야 합니다. 이는 뇌 활동의 광범위한 파형을 개별 세포의 구체적인 행동으로 다시 번역하는 방법을 필요로 하는데, 인간 뉴런의 전기적 특성이 동물에 비해 제대로 알려지지 않았기 때문에 오랫동안 어려운 과제였습니다.

연구팀은 이제 이 문제를 해결하기 위해 크게 개선된 디지털 모델을 구축하여, 인간의 뇌가 어떻게 전기적 신호를 생성하는지에 대한 더 명확한 창을 제공했습니다. 그들은 세포의 미시 세계와 뇌 스캔의 거시 세계 사이에서 번역가 역할을 하는 '휴먼 네오코티컬 뉴로솔버(Human Neocortical Neurosolver)'라는 정교한 컴퓨터 시뮬레이션을 만들었습니다. 이 새로운 버전의 모델이 특별한 이유는 더 이상 쥐나 원숭이의 데이터에 주로 기반하지 않기 때문입니다. 대신, 연구진은 인간 기증자로부터 얻은 최신 데이터를 사용하여 가상 뉴런을 실제 인간 뇌 조직의 전기적 행동에 맞추어 조정했습니다. 이를 통해 그들은 단순히 뉴런의 기본적인 발화뿐만 아니라, 이전에는 인간의 맥락에서 추적하는 것이 불가능했던 뇌 세포의 길고 미세한 가지 내부에서 일어나는 복잡하고 숨겨진 사건들까지 시뮬레이션할 수 있는 도구를 만들어냈습니다.

이 작업의 핵심은 뇌의 바깥층인 신피질(neocortex)의 디지털 구조를 재구축하는 것이며, 여기에는 두 가지 주요 세포 유형, 즉 주요 전달자인 피라미드 뉴런(pyramidal neurons)과 네트워크의 균형을 유지하기 위해 브레이크 역할을 하는 억제성 인터뉴런(inhibitory interneurons)에 초점을 맞추고 있습니다. 이전 버전의 모델에서는 컴퓨터 시뮬레이션을 더 빠르게 실행하기 위해 이 세포들을 단순화했으나, 이는 실제 인간 조직에서 발견되는 특유의 전기적 특성을 결여하고 있었습니다. 연구진은 가상 세포의 내부 도체와 스위치를 인간 뉴런의 기록에 맞춰 조정함으로써 모델을 업데이트했습니다. 그들은 인간의 뉴런이 동물의 뉴런과 다르게 행동한다는 것, 특히 세포체에서 세포의 길고 나무 모양인 가지인 수상돌기(dendrites)로 이동하는 전기 신호를 처리하는 방식에서 다르다는 것을 발견했습니다.

이 모델의 가장 중요한 발견 중 하나는 특정 뉴런의 수상돌기 깊은 곳에서 발생하는 전기적 활동의 분출인 칼슘 스파이크(calcium spikes)를 시뮬레이션할 수 있는 능력입니다. 인간 뇌의 깊은 층, 특히 제5층에서 이러한 뉴런들은 특정 패턴의 입력을 받을 때 강력한 칼슘 스파이크를 생성할 수 있습니다. 이 스파이크는 단순한 무작위 소음이 아닙니다. 이는 뇌의 서로 다른 부분으로부터 정보를 통합하고 세포가 신체를 향해 신호를 보내도록 유도할 수 있는 복합적인 사건입니다. 연구진은 새로운 모델이 이러한 칼슘 스파이크를 재현할 수 있음을 입증했으며, 뉴런이 급격한 연속 신호를 받거나 두 가지 서로 다른 방향에서 입력을 동시에 받을 때 이 현상이 발생함을 보여주었습니다. 이는 매우 중요한 추가 사항인데, 왜냐하면 이러한 수상돌기 사건들이 우리가 두피에서 측정할 수 있는 큰 전기 신호에 기여한다는 사실이 밝혀졌기 때문입니다. 즉, 우리가 뇌 스캔에서 보는 것은 부분적으로 이러한 숨겨진 뇌 심부의 사건들에 의해 구동될 수 있다는 의미입니다.

연구팀은 또한 이러한 가상 세포들이 서로 연결되는 방식을 정교하게 다듬었습니다. 뇌에서 뉴런은 단순히 무작위로 발화하는 것이 아니라, 세포 간의 거리에 따라 연결 강도가 결정되는 정밀한 패턴으로 연결되어 있습니다. 새로운 모델은 이러한 거리 의존적 규칙을 포함하여, 가까이 있는 세포들이 멀리 있는 세포들보다 서로에게 더 강하게 영향을 미치도록 보장합니다. 그들은 또한 세포 사이에 전달되는 화학 신호인 신경전달물질을 인간 조직에서 관찰된 속도와 강도에 맞춰 조정했습니다. 여기에는 억제성 세포가 이웃 세포를 침묵시키는 방식이 포함되었으며, 이 '브레이크'의 타이밍이 설치류의 빠른 속도가 아닌 인간 뇌 절편에서 발견되는 느리고 신중한 속도와 일치하도록 만들었습니다.

업데이트된 모델을 사용하여, 연구진은 실제 뇌 패턴을 재현하는 능력을 테스트했습니다. 그들은 갑작스러운 촉각에 대한 뇌의 반응을 시뮬레이션했는데, 이는 사람이 피부를 톡 치는 자극을 느낄 때 뇌가 특정 전기 파형으로 반응하는 흔한 실험입니다. 새로운 모델은 이러한 파형의 형태와 타이밍을 성공적으로 재현하여 인간 참가자들로부터 기록된 데이터와 일치하는 모습을 보였습니다. 또한 모델은 뇌가 휴식 중이거나 움직일 때 나타나는 알파파 및 베타파와 같은 뇌의 자연스러운 리듬을 시뮬레이션했습니다. 이 시뮬레이션에서 모델은 흥분성 세포와 억제성 세포 사이의 상호작용이 어떻게 리듬감 있는 활동의 분출을 만들어내는지, 그리고 새로운, 더 현실적인 인간 세포 특성이 이전 모델들과 비교하여 이러한 리듬이 생성되는 방식을 어떻게 변화시켰는지를 보여주었습니다.

연구진은 또한 이러한 다양한 뇌 부위들이 최종 신호에 어떻게 기여하는지를 탐구했습니다. 그들은 긴 가지를 가지고 칼슘 스파이크를 생성할 수 있는 심층부 뉴런들이 EEG 및 MEG로 측정되는 큰 전류를 만드는 데 지배적인 역할을 한다는 것을 발견했습니다. 모델은 심층 세포의 칼슘 스파이크가 상층부의 빠른 활동의 섬광보다 더 오래 지속되는 지속적인 전기적 끌림을 생성한다는 것을 보여주었습니다. 이는 뇌 스캔에서 보이는 큰 파동이 단순히 모든 뉴런이 발화하는 것의 단순한 합이 아니라, 심층부에서 일어나는 이러한 특정하고 복잡한 사건들에 의해 크게 형성된다는 것을 시사합니다. 연구진은 가상 세포 내부의 전기 흐름과 칼슘 이온의 움직임을 시각화함으로써, 개별 뉴런의 미시적 작용이 어떻게 거시적 신호로 합쳐지는지를 정확히 볼 수 있었습니다.

이 연구는 동물 데이터를 바탕으로 한 추측을 넘어선다는 점에서 인간의 뇌를 이해하는 데 있어 중요한 진전을 의미합니다. 연구진이 duecker_ET_model이라고 부르는 이 새로운 모델은 실제 인간 뉴런의 생리학에 기반하고 있어, 뇌 스캔을 해석하는 데 있어 더 신뢰할 수 있는 도구가 됩니다. 이를 통해 과학자들은 우리가 생각하고, 느끼고, 신경계 질환을 앓을 때 뇌 내부에서 어떤 일이 일어나는지에 대한 가설을 테스트할 수 있습니다. 예를 들어, 환자가 특이한 뇌파 패턴을 보인다면, 연구자들은 이제 이 모델을 사용하여 그 문제가 심층부의 칼슘 스파이크 문제인지, 아니면 억제 신호의 타이밍 불일치 때문인지 확인할 수 있습니다. 이 모델은 다른 과학자들이 사용할 수 있도록 공개되어 있으며, 이전에는 도달할 수 없었던 수준의 세부 정보를 통해 인간 정신의 신비를 탐구할 수 있는 공유 플랫폼을 제공합니다.

연구진은 자신들의 모델이 계산 효율성을 높이면서도 핵심적인 행동을 포착하도록 설계된 단순화된 모델이라는 점을 주의 깊게 언급했습니다. 그들은 모든 종류의 뉴런이나 세포 구조의 아주 작은 세부 사항까지 포함하지 않았는데, 그렇게 할 경우 시뮬레이션 속도가 너무 느려져 유용성이 떨어지기 때문입니다. 대신, 그들은 뇌의 전기 신호를 생성하는 데 가장 중요한 특징들에 집중했습니다. 그들은 모델이 많은 인간 뉴런의 특징을 재현하지만, 특히 세포의 긴 가지를 따라 신호가 이동하는 방식에 있어서는 실제와 차이가 있을 수 있음을 인정했습니다. 그러나 인간의 데이터에 기반을 둠으로써, 그들은 이전의 시도들보다 훨씬 더 정확한 토대를 마련했습니다.

궁극적으로, 이 논문은 인간의 뇌를 바라보는 새로운 렌즈를 제공합니다. 이는 EEG와 MEG의 추상적인 파형을 특정 세포, 특정 연결, 그리고 특정 전기적 사건의 이야기로 변환합니다. 인간의 뉴로이 독특한 특성, 예를 들어 우리의 뇌파를 형성하는 칼슘 스파이크를 생성하는 능력을 보여줌으로써, 연구진은 뇌가 어떻게 작동하는지 이해하는 새로운 길을 열었습니다. 이 모델은 가교 역할을 하며, 보이지 않는 세포 생물학의 세계와 보이는 뇌 영상의 세계를 연결하여, 우리가 그 어느 때보다 명확하게 마음 뒤에 숨겨진 기계 장치를 볼 수 있게 해줍니다.