Distinct medial septal GABAergic pathways differentially regulate spatial memory and network activity

세상을 항해하기 위해 뇌는 주변 환경에 대한 신뢰할 수 있는 지도를 구축하고, 우리가 움직임에 따라 매 순간 그 지도를 업데이트해야 합니다. 공간 기억이라고 알려진 이 능력은 서로 다른 뇌 영역 간의 복잡한 대화에 의존합니다. 이 시스템의 중심에는 위치와 맥락을 위한 중앙 허브 역할을 하는 뇌 심부에 위치한 구조물인 해마가 있습니다. 해마는 홀로 작동하지 않습니다. 해마는 감각 정보를 전달하기 전 필터링하는 관문인 내후각 피질으로부터 끊임없이 입력을 받습니다. 이 네트워크를 동기화하고 원활하게 기능하게 하기 위해, 내측 중격에 있는 작은 세포 군집이 해마와 내후각 피질로 리드미컬한 신호를 보냅니다. 이 신호들은 마치 지휘자처럼 작용하여, 멀리 떨어진 뇌 세포들의 전기적 활동이 서로 조화를 이루며 발화하도록 보장합니다. 이러한 조정이 없다면, 뇌는 사물이 어디에 있는지에 대한 명확한 기억을 형성하거나 그것을 다시 찾는 데 어려움을 겪게 됩니다.

수년 동안 과학자들은 내측 중격이 이 과정에 필수적이라는 사실은 알고 있었지만, 그곳의 서로 다른 부분들이 어떻게 특정 유형의 기억에 기여하는지는 완전히 이해하지 못했습니다. 이 영역의 세포들은 모두 동일하지 않습니다. 어떤 세포들은 파르발부민(parvalbumin)이라는 단백질로 표시되어 있고, 다른 세포들은 칼빈딘(calbindin)이라는 단백질을 운반합니다. 연구자들은 이 두 그룹이 서로 다른 역할을 할 것이라고 추측했습니다. 아마도 하나는 장소의 장기적인 배치를 담당하고, 다른 하나는 여정의 즉각적인 세부 사항을 관리할 것이라는 가설이었습니다. 그러나 이 세포들은 여러 목적지로 동시에 가지를 뻗어 보내기 때문에, 기억의 실패가 소스 세포의 문제 때문인지, 아니면 목적지에 도달하기 위해 취한 특정 경로의 문제인지 구분하는 것은 불가능했습니다.

하이델베르크 대학교와 독일 암 연구 센터의 연구팀은 이 세포들이 취하는 정확한 경로를 추적함으로써 이 수수께끼를 풀고자 했습니다. 그들은 세 가지 특정 목표물, 즉 일반적인 공간 기억에 중요한 등쪽 해마와 내후각 피질의 두 구역인 내측 및 외측 부위에 집중했습니다. 연구진은 정밀한 기술을 사용하여 파르발부민 세포나 칼빈딘 세포가 특정 목표에 도착할 때 그 통신선을 선택적으로 차단했습니다. 그 후 연구진은 쥐를 여덟 갈래의 방사형 미로에서 테스트했습니다. 이는 동물들이 어떤 팔에는 항상 먹이가 있고 어떤 팔에는 절대 없다는 것을 기억해야 하는 고전적인 퍼즐입니다. 이 과제는 연구자들이 두 가지 뚜ست한 기억 기술을 분리할 수 있게 해주었습니다. 즉, 영구적인 규칙(예: "이 팔에는 항상 음식이 있다")에 대한 지식인 참조 기억(reference memory)과, 단 한 번의 이동 중에 방금 일어난 일을 추적하는 능력(예: "나는 방금 이 팔에서 먹었다")인 작업 기억(working memory)입니다.

결과는 신호의 목적지에 따라 전적으로 달라지는 명확한 분업을 보여주었습니다. 연구진이 등쪽 해마나 내측 내후각 피질로 들어가는 파르발부민 세포를 차단했을 때, 쥐들은 미로의 영구적인 규칙을 기억하는 데 훨씬 더 많은 실수를 저질렀습니다. 쥐들은 음식이 전혀 없는 팔로 들어갔는데, 이는 참조 기억의 상실을 보여줍니다. 하지만 단일 시행 내에서 최근의 움직임을 추적하는 능력은 유지되었습니다. 반대로, 내측 내후к 피질로 들어가는 칼빈딘 세포를 차단했을 때, 쥐들은 두 유형의 기억 모두에 어려움을 겪었습니다. 그들은 영구적인 규칙을 잊었을 뿐만 아니라 방금 방문했던 팔도 기억하지 못했는데, 이는 작업 기억의 붕괴를 나타냅니다. 흥ari롭게도, 외측 내후각 피질로 들어가는 두 유형의 세포를 모두 차단했을 때는 쥐의 수행 능력에 아무런 영향이 없었으며, 이는 이 특정 경로가 이러한 유형의 공간 과제에는 결정적이지 않음을 시사합니다.

연구는 또한 이러한 기억과 함께 수반되는 전기적 리듬을 조사했습니다. 연구진은 내측 내후각 피질의 뇌파를 기록했으며, 파르발부민 세포를 차단했을 때 신경 활동을 조직하는 데 도움을 주는 안정적인 진동인 뇌의 세타(theta) 리듬의 강도가 감소한다는 것을 발견했습니다. 그러나 칼빈딘 세포를 차단했을 때는 이 리듬에 아무런 변화가 없었습니다. 이 발견은 두 세포 유형 모두 기억에 필요하지만, 서로 다른 메커니즘을 통해 이를 달성한다는 점을 시사합니다. 파르발부민 세포는 네트워크를 동기화된 상태로 유지하는 리드미컬한 파동을 생성하는 마스터 클록 역할을 하는 것으로 보입니다. 반면, 칼빈딘 세포는 이러한 특정 뇌파를 생성하는 것에 의존하지 않는 다른 과정을 통해 기억을 지원하는 것으로 보입니다.

이러한 발견은 뇌가 어떻게 기억을 구축하는지에 대한 우리의 이해를 정교하게 만듭니다. 뇌는 모든 신호가 동일하게 취급되는 단일하고 균일한 시스템이 아닙니다. 대신, 뇌는 공간 탐색의 서로 다른 측면을 처리하기 위해 별도의 경로를 사용합니다. 해마와 내측 내후각 피질로 향하는 파르발부민 경로는 환경의 리드미컬한 틀과 장기적인 규칙을 제공합니다. 내측 내후각 피질로 향하는 칼빈딘 경로는 동물이 자신의 위치를 실시간으로 업데이트할 수 있게 하는 즉각적이고 유연한 추적의 층을 더합니다. 이 두 시스템이 독립적으로 작동하며 서로 다른 기억 기능을 목표로 한다는 것을 보여줌으로써, 이 연구는 뇌가 우리를 세상 속으로 안내하기 위해 필요한 정교한 전문화 과정을 강조합니다. 이는 기억이 단순히 지도를 갖는 것뿐만 아니라, 영구적인 랜드마크를 찾고 있는지 아니면 마지막 발걸음을 추적하고 있는지에 따라 그 지도를 읽기 위한 서로 다른 도구를 갖는 것임을 시사합니다.