Brain state sets the spatial scale at which cortical geometry constrains human cortical dynamics
이 연구는 피질 기하학적 구조와 연결성 중 무엇이 뇌 역동성을 주로 형성하는지에 대한 논쟁을, 이들의 영향력이 상태 의존적이고 규모 특이적이며 연결성은 광범위한 패턴을 지배하고 기하학적 구조는 미세한 세부 사항을 제약하는 반면 뇌 상태가 이러한 해부학적 제약이 작용하는 유효 공간 척도를 결정한다는 점을 입증함으로써 해결한다.
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인간의 뇌는 접힌 조직으로 이루어진 풍경이며, 수십억 개의 세포가 사고, 기억, 운동을 만들어내기 위해 소통하는 거대하고 주름진 표면이다. 수십 년 동안 과학자들은 이 조직의 물리적 형태가 그 위를 가로지르는 전기 신호에 어떻게 영향을 미치는지에 대해 논쟁해 왔다. 한 학파는 뇌의 기능이 주로 원거리 영역을 연결하는 긴 케이블인 '배선도(wiring diagram)'에 의해 결정된다고 주장한다. 또 다른 학파는 뇌의 기능이 표면 자체의 기하학적 구조, 즉 물이 언덕의 윤곽을 따라 흐르는 것처럼 굴곡과 곡선이 활동을 자연스럽게 유도하는 방식에 의해 더 많이 형성된다고 주장한다. 흔히 간과되는 세 번째 요인은 뇌의 상태, 즉 사람이 깨어서 도시를 탐색하고 있는지, 아니면 잠들어 꿈을 꾸고 있는지의 여부이다. 이러한 질문들은 증거가 배선과 형태 양쪽 모두를 지지하는 듯 보이지만, 이들이 어떻게 서로 맞물리는지는 설명하지 못한 채 정체된 상태로 남아 있었다.
맥길 대학교의 연구팀은 뇌의 기능이 관찰하는 척도와 그 순간의 뇌 상태에 전적으로 달려 있다는 것을 보여줌으로써 이 갈등을 해결했다. 그들은 단일 기증자의 뇌 조직에 대한 초고해상도 지도인 '빅브레인(BigBrain)'을 사용하여 정교한 인간 뇌 컴퓨터 모델을 구축했다. 이 지도는 표준 의료 스캔보다 훨씬 더 세밀하여 피질의 미세한 주름까지 포착할 만큼 상세하다. 그런 다음 연구진은 전기 파동이 이 표면을 따라 어떻게 이동하는지 시뮬레이션했으며, 발작을 모니터링하기 위해 뇌 내부에 전극을 삽입한 환자들의 실제 기록을 바탕으로 모델을 검증했다. 이 환자들은 깊은 수면과 가상 환경에서의 능동적인 탐색이라는 두 가지 매우 다른 상태에서의 뇌 활동을 보여주는 독특한 창을 제공했다.
연구진은 뇌가 자신의 해부학적 구조를 고정된 규칙의 집합으로 취급하지 않는다는 사실을 발견했다. 대신, 뇌의 현재 상태가 어떤 해부학적 특징이 가장 중요한지를 바꾸는 스위치 역할을 한다. 뇌가 깊은 수면 상태에 있을 때, 피질 주름의 미세한 미시적 세부 사항이 전기적 패턴을 형성하는 지배적인 요인이었다. 모델은 뇌 표면의 고해상도 기하학적 구조만으로도 수면 중에 나타나는 느리고 리드미컬한 파동을 정확하게 예측할 수 있음을 보여주었다. 그러나 동일한 뇌 모델을 능동적인 탐색 상태에 두었을 때, 규칙은 뒤집혔다. 이 깨어 있는 능동적 상태에서는 표면의 미세한 세부 사항이 덜 중요해졌으며, 뇌의 활동은 더 거칠고 넓은 관점의 기하학적 구조와 더 잘 일치했다.
결정적으로, 이 연구는 기억과 탐색에 필수적인 심부 뇌 구조인 해마와 피질 사이의 연결을 조사했다. 연구진은 이 연결의 영향력이 일정하지 않으며, 뇌의 상태에 따라 그 효과가 역전된다는 것을 발견했다. 수면 중에는 해마와 피질 사이의 연결을 강화하는 것이 오히려 자연스러운 수면 리듬을 방축하여 모델의 예측력을 떨어뜨렸다. 하지만 탐색 중에는 동일한 연결이 도움이 되어 모델이 실제 뇌의 활동과 일치하도록 개선했다. 이는 동일한 해부학적 경로가 한 상태에서는 방해가 되고 다른 상태에서는 도움이 될 수 있음을 의미하며, 뇌의 구조가 고립되어 기능을 결정하는 것이 아니라 오직 현재의 뇌 상태와 결합하여 작용한다는 것을 입증한다.
배선과 형태 중 무엇이 더 중요한지에 대한 논쟁을 종결시키기 위해, 연구팀은 기능적 자기공명영상(fMRI) 스캔을 통해 뇌 활동 패턴을 얼마나 잘 재구성할 수 있는지 테스트했다. 그들은 어느 쪽도 보편적으로 우월하지 않다는 것을 발견했다. 장거리 배선 연결은 뇌의 넓은 영역에 걸쳐 펼쳐지는 광범위하고 휩쓰는 듯한 활동 패턴을 설명하는 데 더 나았다. 반면, 피질의 고해상도 기하학적 형태는 더 미세하고 상세한 패턴을 설명하는 데 더 적합했다. 두 요인은 서로 다른 척도에서 지배력을 가지며, 공간적 척도가 약 93밀리미터인 지점에서 교차한다. 이는 이전 연구들이 왜 상충하는 결론에 도달했는지를 설명해 준다. 즉, 광범위한 패턴을 관찰한 연구들은 배선을 핵심으로 보았고, 미세한 세부 사항을 관찰한 연구들은 기하학적 구조를 핵심으로 보았던 것이다.
연구진은 이러한 결과가 단순히 더 상세한 지도를 사용했기 때문이라는 생각을 배제했다. 그들은 동일한 데이터에 대해 표준적인 저해상도 뇌 모델을 테스트했으며, 고해상도 지도의 지점 수에 맞춰 조정하더라도 수면 리듬을 포착하는 데 실패함을 확인했다. 또한, 정확히 동일한 고해상도 표면에 다른 유형의 수학적 모델을 적용했을 때 유의미한 결과가 나오지 않았음을 확인했다. 이는 그들의 발견이 성공한 이유가 초정밀 해부학적 지도와 뇌의 전기장을 시뮬레이션하는 특정한 방식의 결합에 달려 있음을 확증해 준다.
궁극적으로 이 연구는 뇌가 단일하고 고정된 운영 매뉴얼을 가진 기계가 아님을 시사한다. 대신, 뇌는 물리적 구조의 관련성이 매 순간 변하는 역동적인 시스템이다. 뇌는 휴식할 때는 미세한 세부 사항에 집중하고 탐색할 때는 굵직한 선에 집중하면서, 변화하는 상태에 따라 렌즈를 바꾸어 자신의 해부학적 구조를 읽는다. 이러한 계층적 이해는 뇌의 배선을 우선시하는 이들과 형태를 우선시하는 이들 사이의 오랜 불일치를 해결하며, 두 요소 모두 필수적이지만 올바른 척도와 올바른 마음의 상태를 통해서 볼 때만 유효하다는 것을 보여준다.
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