Convergence, chemical transmission and co-location of sensory inputs on the C. elegans AIY interneuron: a connectome test of the semblance hypothesis

뇌는 세상을 이해하기 위해 만들어진 기계이지만, 물리적인 세포 네트워크가 어떻게 사적인 내부 경험을 일으키는지에 대한 문제는 여전히 가장 심오한 미스터리 중 하나로 남아 있습니다. 우리는 뉴런이 서로 연결되어 전기적 충격이나 화학적 속삭임과 같은 신호를 전달함으로써 우리의 지각과 기억을 구축한다는 것을 알고 있습니다. 그러나 '커넥톰(connectome)'이라 불리는 이러한 연결의 표준 지도는 뇌가 어떻게 '자아'라는 느낌이나 냄새 또는 맛의 구체적인 감각을 만들어내는지 아직 설명하지 못했습니다. '셈블런스 가설(semblance hypothesis)'이라는 이론적 아이디어는 누락된 조각을 제안합니다. 즉, 뇌가 두 가지를 연결하는 법을 배울 때, 관련된 뉴런의 아주 작은 수신 말단들이 물리적으로 접촉하거나 연결되어 신호를 직접 공유할 수 있는 방식으로 결합될 수 있다는 것입니다. 만약 이것이 사실이라면, 뇌는 다른 것에 대한 연결을 활성화하는 것만으로도 한 사물의 기억을 생성하여, 원래의 자극이 존재하지 않더라도 일인칭적 감각을 만들어낼 수 있습니다. 이러한 메커니로지(mechanism)가 살아있는 생명체 내에 존재하는지 테스트하기 위해, 연구자들은 신경계가 완전히 매핑될 수 있을 만큼 단순하면서도 학습과 기억을 할 수 있을 만큼은 충분히 복잡한 생물체를 주목했습니다.

이 조사의 대상은 성체 몸에 정확히 302개의 신경 세포를 가진 작은 유기체인 예쁜꼬마선충(C. elegans)입니다. 과학자들은 이미 강력한 전자 현미경을 사용하여 이 벌레의 신경계 전체 배선도를 재구성함으로써, 모든 뉴런 사이의 모든 연결을 보여주는 3차원 지도를 만들어냈습니다. 이 연구에서 연구자들은 벌레의 뇌에서 '신경 고리(nerve ring)'라고 불리는 특정 부분을 집중적으로 조사했는데, 여기에는 약 180개의 뉴런이 포함되어 있습니다. 그들은 특히 벌레가 음식의 냄새와 맛을 연결하거나, 온도 감각과 특정 위치를 연결하는 것과 같이 서로 다른 감각을 연관시키는 법을 어떻게 배우는지에 관심을 가졌습니다. 그들이 테스트한 이론은 음식, 냄장, 온도를 감지하는 신경들이 하나의 수신 뉴런으로 수렴해야 하며, 이들 사이의 연결은 전기적이 아니라 화학적이어야 한다고 제안했습니다. 나아가, 만약 이 이론이 성립한다면, 이러한 감각 신경들의 아주 작은 수신 말단들은 해당 수신 뉴로의 특정 지점에 매우 밀접하게 모여 있어, 신호를 직접 공유할 수 있도록 거의 맞닿아 있어야 합니다.

연구자들은 음식, 냄새, 온도를 위한 감각 신경들이 실제로 이론이 예측한 대로 만나는지 확인하기 위해 세 가지 서로 다른, 완전히 재구성된 예쁜꼬마선충의 신경 고리 지도를 검토했습니다. 그들은 음식 감지 신경, 냄새 감지 신경, 그리고 온도 감지 신경이 모두 AIY라고 불리는 단일 중간 뉴런으로 대다수의 연결을 보내고 있다는 것을 발견했습니다. 이러한 수렴은 우연이라고 하기에는 훨씬 더 구체적이었습니다. 이 감각 신경들은 사용 가능한 많은 뉴런들 사이에 무작위로 흩어지는 대신, 이 하나의 표적에 강렬하게 집중되었습니다. 또한, 연구자들은 이 신경들이 만드는 연결의 유형을 확인했습니다. 벌레의 신경계는 전기적 연결과 화학적 연결이 혼합되어 있지만, 이 감각 신경들이 AIY 뉴런으로 만드는 연결은 거의 전적으로 화학적이었습니다. 이러한 구분은 매우 중요한데, 왜냐하면 제안된 메커니로지는 학습에 필요한 특유의 유연한 변화를 가능하게 하는 화학적 전달에 기반하고 있으며, 이는 경직되고 즉각적인 성격의 전기적 연결과는 다르기 때문입니다.

가장 미묘한 테스트 단계는 물리적 근접성을 살펴보는 것이었습니다. 벌레의 신경은 더 큰 동물들이 가진 복잡한 분지 구조를 가지고 있지 않기 때문에, 연구자들은 서로 다른 감각 신경의 수신 말단이 AIY 뉴런의 정확히 같은 지점에 착륙하는 곳을 찾았습니다. 그들은 음식 감지 신경들이 AIY 뉴런의 한쪽 면에 있는 몇몇 특정 위치에 밀집되어 있으며, 무작위 확률이 예측하는 것보다 훨씬 더 서로 가깝게 붙어 있다는 것을 발견했습니다. 이러한 군집 현상은 냄새나 온도를 감지하는 신경에서는 나타나지 않았으며, 음식과 냄새처럼 서로 다른 감각의 신경들이 만나는 지점에서도 특별한 군집 현상은 관찰되지 않았습니다. 이 패턴은 뇌가 생존에 필수적인 음식의 감각을 처리하기 위해 안정적이고 내장된 구조를 갖추고 있는 반면, 음식과 냄새와 같은 서로 다른 감각 사이의 연결은 더 일시적이고 유연하며, 동물이 새로운 연관성을 학습할 때 형성되었다가 더 이상 필요하지 않을 때 해제될 수 있음을 시사합니다.

연구는 또한 이 신경들이 배치된 방식에서의 우아한 대칭성을 밝혀냈습니다. 벌레의 몸 왼쪽과 오른쪽에 있는 음식 감지 신경들은 AIY 뉴로에 거울 이미지 패턴으로 착륙했는데, 왼쪽 신경은 한쪽 측면의 세포체에 더 가깝고 오른쪽 신경은 다른 쪽 측면에 더 가까운 형태였습니다. 이 두 측면은 끝부분이 직접적인 다리로 연결되어 있어 신호가 그 사이를 통과할 수 있습니다. 이러한 배치와 AIY 뉴런이 감각 신경으로 신호를 다시 보내는 피드백 루프를 결합하면, 양쪽의 입력을 비교함으로써 벌레가 환경을 탐색하는 데 도움을 줄 수 있는 진동 또는 리듬을 가진 회로를 시사합니다. 그러나 연구자들은 이러한 구조적 특징들이 이론의 예측과 일치하기는 하지만, 그것이 메커니로지가 실제로 작동한다는 증거는 아니라는 점을 주의 깊게 명시했습니다. 지도는 신경들이 서로 닿을 만큼 가깝다는 것을 보여주지만, 그들이 실제로 연결되어 있는지, 혹은 이론이 설명하는 방식대로 신호를 공유하고 있는지는 보여줄 수 없습니다.

궁극적으로, 이 연구는 뇌가 어떻게 내부 감각을 만들어내는지에 대한 이론에 강력한 구조적 토대를 제공하며, 벌레의 신경계가 그러한 메커니로지를 가능하게 하는 방식으로 조직되어 있음을 보여줍니다. 연구 결과는 감각 입력이 특정 표적으로 수렴하고, 올바른 유형의 화학적 전달을 사용하며, 직접적인 상호작용을 허용할 수 있는 방식으로 군집해 있다는 것을 확인시켜 주었습니다. 그럼에도 불구하고, 서로 다른 감각 사이의 학습된 연관성에 대해서는 유사한 군집 현상이 나타나지 않는다는 점은 이러한 연결이 벌레의 뇌에 영구적인 고정물이 아니라 역동적이고 가변적인 것임을 시사합니다. 이론을 진정으로 확인하기 위해서는, 살아있는 학습하는 동물에서 이러한 연결을 관찰하고, 이 특정한 배치를 방해하는 것이 벌레의 지각이나 기억을 멈추게 한다는 것을 증명해야 할 것입니다. 현재로서는, 예쁜꼬마선충의 뇌 지도는 의식적 경험의 아주 첫 단계의 기저에 있을 수 있는 물리적 구조에 대한 설득력 있는 통찰을 제공합니다.