Basolateral amygdala neurons await oscillatory recruitment into valence-relevant ensembles

상황이 안전한지 혹은 위험한지를 결정하는 뇌의 능력은 생사와 직결된 문제입니다. '가치 처리(valence processing)'라고 알려진 이 과정은 동물이 경험을 '좋음' 또는 '나쁨'으로 빠르게 분류하고, 그에 따라 보상에 접근하거나 위협으로부터 도망치는 등의 적절한 행동을 할 수 있게 해줍니다. 이러한 생존 기제는 필수적이지만, 과학자들은 이를 가능하게 하는 정밀한 전기적 메커니즘을 이해하기 위해 오랫동안 고군분투해 왔습니다. 수년 동안 연구는 두 가지 별개의 단서에 집중되었습니다. 한 갈래의 탐구는 동물이 공포를 배우거나 보상을 배울 때 활성화되는 '앙상블(ensembles)'이라 불리는 특정 뉴런 집단에 주목했습니다. 다른 한 갈래의 탐구는 동물이 공포를 느끼는지 혹은 안전함을 느끼는지에 따라 속도가 변하는, 뇌를 휩쓰는 리듬감 있는 전기적 파동인 '진동(oscillations)'을 조사했습니다. 지금까지 이 두 단서는 서로 연결되지 않은 채 남아 있었습니다. 과학자들은 특정 뇌세als이 학습에 관여한다는 것과 특정 뇌파가 정서 상태에 관여한다는 것은 알고 있었지만, 이 파동이 실제로 어떻게 적절한 세포들을 불러내어 일을 수행하게 하는지는 알지 못했습니다.

터프츠 대학교 의과대학의 연구팀은 이제 이러한 리듬 파동이 지휘자처럼 작용하여 정서적 기억에 참여할 특정 뉴런 집단을 선택한다는 것을 보여줌으로써 이 간극을 메웠습니다. 연구진은 감정 처리의 핵심 허브인 '기저외측 편도체(basolateral amygdala)'라는 뇌 영역에 집중했습니다. 실시간으로 뇌세포를 관찰하고 정밀한 전기적 리듬으로 자극할 수 있는 첨단 도구를 사용하여, 연구팀은 개별 뉴런이 단순히 수동적인 참여자가 아니라는 사실을 발견했습니다. 대신, 이들은 특정 주파수의 전기적 활동에 대해 내재적인 민감성을 가지고 있습니다. 마치 라디오 수신기가 다른 방송국은 무시하고 특정 방송국만을 포착하도록 튜닝되어 있는 것처럼, 이 뇌세포들은 특정 리듬 패턴에 반응하도록 자연적으로 조율되어 있습니다. 연구진은 뇌가 공포와 관련된 느린 리듬을 생성할 때 회피를 제어하는 영역으로 투사하는 특정 뉴론 집단을 모집한다는 것을 발견했습니다. 반면 안전과 관련된 더 빠른 리듬이 생성될 때는 접근 행동을 유도하는 전혀 다른 뉴런 집단이 모집됩니다.

이 메커니즘을 밝혀내기 위해 과학자들은 먼저 서로 다른 유형의 정서적 학습이 실제로 서로 다른 뉴런 집단을 사용하는지 확인해야 했습니다. 연구진은 쥐에게 특정 환경에 대한 공포를 학습시킨 후, '소거(extinction)'라고 불리는 과정을 통해 그 공포를 잊게 만들었습니다. 뇌의 다른 부분으로 신호를 보내는 뉴런들의 활동을 추적함으로써, 연구진은 초기 공포 반응에 관여하는 뉴런이 위험이 사라졌음을 배우는 데 관여하는 뉴런과는 구별된다는 것을 관찰했습니다. 이는 뇌가 상반된 정서 상태를 위해 별도의 세포 팀을 사용한다는 것을 확인시켜 주었습니다. 그러나 질문은 여전히 남았습니다. 무엇이 이 특정 팀들에게 일어나서 행동하라고 명령하는가 하는 점이었습니다.

연구팀은 뇌의 브레이크 역할을 하는 '억제 세포(inhibitory cells)'가 리듬을 설정하는 주체일 것이라는 아이디어에 주목했습니다. 연구진은 빛을 이용해 뇌세포를 조절할 수 있는 '광유전학(optogenetics)' 기술을 사용하여 편도체의 억제 세포들을 자극했습니다. 초당 4번의 느린 속도로 빛을 비춤으로써 공포와 관련된 뇌 상태를 모방했습니다. 그리고 초당 8번의 빠른 속도로 빛을 비추어 안전 상태를 모방했습니다. 그 후 연구진은 나머지 뇌세포들이 어떻게 반응하는지 관찰했습니다. 결과는 명확하고 정밀했습니다. 느린 리듬은 하나의 특정 뉴런 집단을 활성화했고, 빠른 리듬은 완전히 다른 뉴런 집단을 활성화했습니다. 일부 세포는 양쪽 모두에 반응했지만, 많은 세포가 자신의 내부 튜닝과 일치할 때만 발화하는 높은 선택성을 보였습니다.

이어 연구진은 이러한 튜닝이 세포가 태어날 때부터 가지고 있는 것인지, 아니면 학습된 것인지 알고 싶어 했습니다. 연구진은 넓은 범위의 주파수에 어떻게 반응하는지 보기 위해 배양 접시 안에서 개별 뉴런의 전기적 특성을 측정했습니다. 그 결과, 뉴런들은 동물이 공포나 안전을 경험한 적이 있는지 여부와 상관없이 자연스럽게 특정 주파수를 선호한다는 것을 발견했습니다. 이는 뇌가 적절한 리듬 신호가 와서 자신들을 가동시키기를 기다리는, 미리 튜닝된 세포들의 라이브러리를 갖추고 있음을 시사합니다. 억제 세포는 스위치 역할을 하여, 현재의 정서적 상황을 처리하기 위해 라이브러리에서 올바른 팀을 선택하는 리듬을 생성합니다.

이 메커니즘이 살아있는 행동하는 동물에서도 작동하는지 증명하기 위해, 연구팀은 이 기술들을 결합했습니다. 먼저 공포 경험이나 안전 경험 중에 활성화되었던 뉴런들을 표시했습니다. 나중에 해당 주파수에 맞춰 억제 세포를 빛으로 자극했습니다. '공포' 주파수로 뇌를 자극했을 때, 공포 경험 중에 표시되었던 뉴런들이 재활성화되는 것을 발견했습니다. '안전' 주파수를 사용했을 때는 안전 경험 중에 표시되었던 뉴런들이 재활성화되었습니다. 이는 뇌의 리듬 상태가 단순히 정서의 부수적인 효과가 아니라, 특정 신경 회로를 다시 가동시키는 직접적인 원인임을 입증했습니다.

연구 또한 이 뉴런들이 어디로 신호를 보내는지 조사했습니다. 얼어붙음(freezing) 및 회피와 관련된 영역으로 투사하는 뉴런들은 느린 공포 관련 리듬에 의해 모집될 가능성이 더 높았습니다. 보상 및 탐색과 관련된 영역으로 투사하는 뉴런들은 더 빠른 안전 관련 리듬에 의해 모집될 가능성이 더 높았습니다. 이는 뇌가 정보를 어떻게 경로화하는지에 대한 완전한 그림을 제공합니다. 즉, 억제 세포가 리듬을 생성하고, 그 리듬이 자연적인 주파수 선호도에 따라 특정 뉴런 집단을 선택하며, 그 뉴동들이 적절한 뇌 부위로 신호를 보내 올바른 행동을 만들어내는 것입니다.

이 연구는 뇌가 복잡한 정서 상태를 어떻게 관리하는지에 대한 새로운 이해를 제공합니다. 이는 뇌가 새로운 상황에 직면할 때마다 매번 스스로를 재배선(rewire)할 필요가 없음을 시사합니다. 대신, 네트워크의 리듬이 어떤 기존의 도구가 사용될지를 결정하는 역동적인 시스템에 의존합니다. 이 발견은 뇌가 한 가지 상태에 갇혀 있을 수 있는 정신 질환, 예를 들어 뇌가 공포 리듬에서 벗어나지 못하는 외상 후 스트레스 장애(PTSD)와 같은 질환을 이해하는 데에도 시사점을 줍니다. 리듬이 세포를 모집하는 핵심이라는 점을 이해함으로써, 과학자들은 언젠가 뇌가 리듬을 재설정하고 안전을 배우는 능력을 회복하도록 돕는 치료법을 개발할 수 있을 것입니다. 이 연구는 뇌의 정서적 삶이 단순히 어떤 세포가 활성화되느냐의 문제가 아니라, 그들을 하나로 모으는 정밀한 타이밍과 리듬에 관한 것임을 확인시켜 줍니다.