Temporal precision of sparse highly reliable neurons anchors sequential activity underlying short-term memory encoding in posterior parietal cortex
이 연구는 후두정 피질의 단기 기억이 매우 신뢰도 높은 소수의 뉴런 집단에 고정된 희소한 시간적 코드에 의존하며, 이들의 정밀한 스파이크 타이밍은 발화율만으로는 제공할 수 있는 것 이상으로 정보의 충실도를 유지하고 행동 결정을 안내하는 데 결정적이라는 사실을 밝혀낸다.
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전화를 걸기 위해 몇 초 동안 전화번호를 머릿속에 담아두려면, 뇌는 외부의 도움 없이도 찰나의 정보를 생생하게 유지해야 합니다. 이러한 정신적 유지 패턴은 단기 기억이라고 알려져 있으며, 감각 정보를 처리하고 결정을 내리는 데 관여하는 뇌 뒷부분의 영역인 후두정피질을 포함한 특정 뇌 부위에 의존합니다. 수십 년 동안 과학자들은 이 기억이 마치 합창단이 하나의 긴 음을 유지하듯, 많은 뉴런이 함께 발화하며 만들어내는 꾸준하고 지속적인 전기적 신호의 울림에 의해 유지된다고 믿었습니다. 그러나 최근의 연구는 기억이 대신 빠르고 질서 정연한 발화 순서, 즉 서로 다른 뉴런들이 정밀한 패턴에 따라 차례로 활성화되는 방식에 의해 저장될 수도 있음을 시사했습니다. 여기서 핵심적인 질문이 남았습니다. 이 순서의 정확한 타이밍이 중요한 것일까요, 아니면 단지 적절한 뉴런들이 적절한 시간에 발화하기만 하면 순서와 상관없이 충분한 것일까요?
한국뇌연구원과 대구경북과학기술원의 연구진은 쥐가 기억 과제를 수행하는 동안의 뇌를 관찰함으로써 이 질문에 답하고자 했습니다. 쥐들에게 시각적 신호가 왼쪽 또는 오른쪽으로 움직이는 것을 보여주었고, 쥐들은 물 보상을 받기 위해 올바른 방향을 선택하기 전까지 약 2초 동안 그 방향을 기억해야 했습니다. 개별 신경 세포의 활동을 볼 수 있는 특수 카메라를 사용하여, 과학자들은 기다리는 시간 동안 후두정피질의 뉴런들이 어떻게 행동하는지 기록했습니다. 그들은 기억이 균일하고 꾸리한 합창이라는 생각은 틀렸음을 발견했습니다. 대신, 기억은 전체 인구의 약 10%만을 차지하는 매우 작은 뉴론 집단에 의해 고정되었으며, 이들은 탁월한 신뢰성과 정밀한 타이밍을 가지고 발화했습니다. 연구진은 이들을 "매우 신뢰할 수 있는 뉴런(highly reliable neurons)"이라고 불렀습니다.
대부분의 뇌 뉴런은 매 시행마다 약간씩 다른 순간에 발화하며 가변적인 타이밍을 보였지만, 이 소수의 엘리트 그룹은 놀라울 정도로 일관되게 발화했습니다. 이 매우 신뢰할 수 있는 뉴런들은 기억 기간의 시작이나 끝에 몰려 있지 않았습니다. 대신 이들은 2초간의 지연 시간 동안 흩어져 나타나며 기억의 희소한 척추 역할을 했습니다. 과학자들은 쥐가 방향을 기억하는 데 실패했을 때 이 뉴런들의 순차적 순서가 무너지고, 활동이 잘못된 선택을 나타내는 패턴으로 흘러가는 것을 발견했습니다. 반면, 성공적인 시행에서는 발화 순서가 일관되게 유지되었습니다. 이는 기억의 안정성이 이 작은 세포 하위 집단의 신뢰성에 크게 의존한다는 것을 시사했습니다.
이러한 발화의 정확한 타이밍이 실제로 기억 작동에 필요한지를 테스트하기 위해, 연구진은 디지털 실험을 수행했습니다. 그들은 기록된 데이터를 가져와 지연 기간 동안 전체 뉴런 집단의 스파이크 타이밍을 뒤섞어, 전체 신호의 수와 강도는 똑같이 유지하면서 발화 순서만을 섞었습니다. 이 섞인 데이터를 사용하여 쥐가 무엇을 선택할지 예측하려고 했을 때, 정확도가 현저히 떨어졌습니다. 이는 뇌가 단순히 뉴런이 얼마나 많이 발화하는지를 세는 것이 아니라, 발화의 정밀한 순서와 타이밍에 결정적으로 의존하고 있음을 증명했습니다. 전체적인 활동 수준은 변하지 않았음에도 불구하고, 타이밍이 뒤섞이자 정보가 손실되었습니다.
연구는 또한 이 작은 고신뢰성 뉴런 집단이 전체 기억 부하를 운반하기에 충분하다는 것을 밝혔습니다. 연구진이 이 정밀한 상위 10%의 뉴런만을 사용하여 쥐의 선택을 해독했을 때, 기록된 전체 뉴런 집단을 사용했을 때와 거의 동일한 성공률을 달뮬했습니다. 이는 정밀도가 낮은 나머지 뉴런들이 아마도 이 희소하고 신뢰할 수 있는 핵심부를 따르고 있었음을 나타냅니다. 연구진은 이 매우 신뢰할 수 있는 뉴런들이 안정적인 닻 역할을 하여, 덜 정밀한 광범위한 네트워크가 혼란이나 오류로 표류하는 것을 방지한다고 제안합니다. 이 정밀한 시간적 척추가 없다면 기억 표현은 불안정해져 실수를 유발하게 됩니다.
이 연구 결과는 뇌의 단기 기억이 균일하고 지속적인 상태가 아니라, 몇 개의 유독 정밀한 세포들에 의해 구동되는 희소한 시간적 코드임을 시사합니다. 연구진은 또한 이것이 생물학적으로 어떻게 가능한지 탐구했는데, 이 신뢰할 수 있는 뉴런들이 타이밍을 엄격하게 유지하는 시계 역할을 할 수 있는 시상(thalamus)과 같은 다른 뇌 영역으로부터 강력하고 직접적인 신호를 받을 수 있다고 언급했습니다. 이 메커니즘은 뇌 영역 간의 연결이 약해지는 특정 정신 질환에서 왜 기억이 실패하는지를 설명해 줄 수 있습니다. 이 작은 핵심 뉴런 집단을 식별함으로써, 본 연구는 뇌가 어떻게 몇 초 동안 정보를 붙잡아 두는지에 대한 더 명확한 그림을 제공하며, 소수의 정밀함이 다수의 기억을 확보할 수 있음을 보여줍니다.
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