배경 지식

인간을 포함한 모든 동물은 외부 환경에서 유입되는 다양한 감각 정보를 지각하여 상황에 맞는 행동을 수행합니다. 한 예로, 교통 신호등 앞에서 운전자가 붉은색 신호를 볼 경우 출발하지 않고 기다려야 하며, 푸른색 신호로 바뀔 경우 출발할 수 있습니다. 이와 같은 감각-운동 변환(sensorimotor transformation)과정에 대뇌 전두 피질(frontal cortex)이 핵심적인 기능을 수행할 것으로 알려져 있지만, 구체적인 신경 회로 메커니즘은 아직 규명되지 못했습니다.

 

질문

운동 행위의 중요한 단서가 되는 외부의 시각 정보(예: 교통 신호등, 포식자의 출현 등)가 대뇌 시각 피질로 유입된 후, 어느 뇌 영역들에서 어떤 신경 메커니즘을 통해 실제 운동 행위로의 변환될 수 있을까?

 

발견

시각 정보를 제시한 후 특정 행위를 할 경우 보상을 주는 방식으로 생쥐를 학습시킨 후, 해당 행동 과제를 수행하는 생쥐의 대뇌 전두엽 중 한 영역인 대상회 피질(Anterior cingulate cortex) 부위에 고밀도 실리콘 전극을 삽입하여 단일 뉴런 수준의 신경 신호를 측정 및 분석하였습니다.

그 결과, 대상회 피질 내에서 시각 정보에 반응(시각 반응성)하는 뉴런들, 운동 개시에 반응하는 뉴런들, 그리고 시각 정보와 운동 개시에 반응하지 않는 나머지 뉴런들이 존재함을 확인하였습니다. 그리고 이와 같은 세 종류의 뉴런들의 신경 활성도(neural activity)는 시각 자극 제시 후 생쥐가 행동을 개시하는 반응 속도와 유의미한 상관 관계가 있음을 규명하였습니다.

또한, 광 유전학적(optogenetics) 방법을 이용한 신경 회로 특이적인 뉴런 활성도 측정 기법을 통해, 대상회 피질의 시각 반응성 뉴런들은 시각 정보가 대뇌로 유입되는 시각 피질로부터 신경 정보를 전달 받음을 확인하였습니다. 더 나아가 광 유전학 방법을 이용하여 해당 신경 회로망을 특이적으로 활성화 시킬 경우, 시각 자극이 없는 상황에서도 생쥐의 목표 지향적 행동을 유도할 수 있음을 증명하였습니다.

한편, 약물적 방법을 이용하여 대상회 피질의 활성 정도를 낮추게 되면 생쥐는 시각 자극이 주어지지 않았음에도 불구하고 충동적으로 목표 지향적 행동를 지속하는 비 정상적인 행동 양상을 보였습니다. 이를 통해 대상회 피질은 정상적인 감각-운동 변환 과정에서도 핵심적인 기능을 수행할 뿐 아니라, 시각 자극가 주어지지 않은 상황에서는 운동 개시를 멈추고 기다려야 하는 충동 행위 통제에도 중요한 역할을 할 수 있음을 밝혔습니다.

 

 

 

 

후속

생체 내 칼슘 신호 이미징 기법(in vivo calcium imaging)을 이용하여 동일한 행동과제를 수행하는 생쥐의 대상회 피질 내에 존재하는 다양한 종류의 억제성 신경 세포(interneuron)들의 신경 활성 정도를 측정 및 분석함으로써 대상회 피질 내의 미세 신경 회로망(microcircuit)의 메커니즘을 규명할 계획입니다.

 

소감 및 기타

이 프로젝트를 마무리하는데 큰 도움을 준 공동 저자인 동현, 은지, 일송이에게 감사의 말을 전합니다. 마지막으로 제 박사 학위 과정동안 지도해 주신 이승희 교수님께 진심으로 감사드립니다. 앞으로 독립적인 연구자로 성장할 수 있도록 최선을 다하겠습니다.