기억 메카니즘
인간의 기억이란 무엇일까요?
인간의 기억은 우리가 과거를 회상하고, 현재를 이해하며, 미래를 꿈꾸게 하는 매력적인 것입니다. 또한 그 기억 자체가 우리 자신을 그 존재 자체로 규정하는 것이라고도 볼 수 있습니다. 이 고도로 조직된 신경학적 네트워크는 우리 자신과 주변 세계와의 관계를 형성하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 기억은 단순히 지난 일들을 저장하는 것 이상의 의미를 가지며, 우리의 개인적 정체성과 함께 우리가 태어난 곳의 문화와 역사를 이어주는 끈으로 작용한다고 볼 수 있습니다.
이처럼 기억은 우리의 생각과 행동에 깊은 영향을 미치며, 우리가 시간과 존재의 본질을 이해하는 방식에 중요한 역할을 합니다. 기억에 대해 깊이 탐구해 보는 것은, 결국 우리 자신과 우리가 사는 세계에 대한 이해를 넓히는 과정이라고 볼 수 있습니다.
이런 기억에 대한 최신 논문을 소개하고 전반적인 기억 메카니즘에 대해 정리해보겠습니다.
우선 인간의 기억 메카니즘은 복잡하며, 신경과학, 심리학, 그리고 인지 과학 등 다양한 분야에서 연구되고 있습니다. 기억 과정은 크게 세 단계로 나누어 볼 수 있으며, 각 단계는 특정 신경학적 과정과 연결되어 있습니다: 인코딩(Encoding), 저장(Storage), 검색(Retrieval).
인코딩 (Encoding)
인코딩은 정보를 받아들여 기억으로 변환하는 과정입니다. 이 단계에서는 감각 정보를 인지적으로 유의미한 형태(예: 언어, 이미지)로 변환하여 뇌가 처리할 수 있게 합니다. 인코딩의 효율성은 주의(attention)와 관련이 깊으며, 강한 집중력은 더욱 효과적인 인코딩을 촉진합니다. 인코딩 과정에서는 다양한 인코딩 전략이 사용되며, 이 중 하나가 ‘깊은 처리(deep processing)’인데, 정보를 더 깊이 있고 의미 있게 처리함으로써 기억에 더 잘 남도록 합니다.
기억 형성의 핵심인 DNA 복구 과정, 연구 결과
배경
기억은 해마 내의 뉴런이 자극을 받고 반응할 때, 더 복잡한 뇌 회로를 만들기 위해 장기간에 걸쳐 분자적으로 적응하는 과정에서 형성됩니다. 이 과정은 많은 에너지를 소모하며, 뉴런의 형태와 화학적 구성에 큰 변화를 가져옵니다. 이러한 분자적 변화는 DNA에 일시적인 손상을 유발하는 것으로 알려져 있습니다.
또한 연구는 기억 형성 과정에서 뇌 내부의 신경 세포와 이미 정해진 발달 프로그램이 어떻게 작용하는지, 그리고 이 과정에서 순환 아데노신 일인산(cAMP) 반응 요소 결합 단백질(CREB) 같은 중요한 전사 인자가 어떻게 관여하는지를 밝혀냈습니다. 최근에는 특히 신경간 회음부 네트워크가 어떻게 신경 집단에 대한 억제 신호를 조절하여 기억 회로를 안정시키는지에 대한 연구에 집중하고 있습니다.
신경간 회음부 네트워크(Neuroglial Perineuronal Nets, PNNs)는 뇌 내 신경세포 주변을 둘러싸고 있는 특수한 형태의 외세포 매트릭스(Extracellular Matrix, ECM)입니다. 이 네트워크는 주로 뇌의 신경 회로가 이미 형성된 후에 발달하며, 신경세포의 안정성을 유지하고, 신경 가소성을 조절하는 데 중요한 역할을 합니다. 신경 가소성이란 뇌가 학습이나 경험에 따라 구조와 기능이 변화하는 능력을 말합니다.
PNNs는 뇌의 다양한 부위에 존재하지만, 특히 학습과 기억에 관여하는 해마 및 시각 피질 같은 영역에서 중요한 역할을 합니다. 이 네트워크는 신경세포의 표면에 단단하게 붙어 있어, 신경세포를 보호하고, 신경 전달 물질의 활동을 조절하며, 신경세포 간의 통신을 안정화시킵니다.
PNNs의 기능은 크게 다음과 같습니다:
- 신경세포 보호: 신경세포 주변에 보호막을 형성하여 화학적 또는 물리적 손상으로부터 보호합니다.
- 신경 가소성 조절: 신경세포의 활동성과 가소성을 조절하여 학습과 기억 형성에 필수적인 조절 메커니즘을 제공합니다. 특히, 학습 후 가소성의 안정화에 중요한 역할을 합니다.
- 신경 회로 안정화: 신경세포 간의 신호 전달을 조절하여 신경 회로의 안정성을 유지하고, 과도한 가소성을 억제함으로써 정보 처리 과정을 최적화합니다.
PNNs에 대한 연구는 아직 초기 단계에 있으며, 이 구조물이 뇌의 학습, 기억, 그리고 다양한 신경정신 질환에 어떻게 관여하는지에 대한 이해를 높이기 위한 연구가 활발히 진행 중입니다. PNNs의 구조와 기능에 대한 더 깊은 이해는 학습 및 기억력 강화, 신경정신 질환의 치료 방법 개발 등에 기여할 수 있을 것으로 기대됩니다.
연구에 대하여
이번 연구에서는 뉴런이 기억 형성에 관여하는 미세회로나 어셈블리에 전념하도록 만드는 기존의 발달 메커니즘과 자극에 의해 시작되는 경로를 통합해 이해하고 식별하는 데 초점을 맞췄습니다.
연구팀은 쥐를 이용한 모델을 사용하여, 등-해마 영역에서의 즉각적, 초기, 그리고 지연된 유전자 발현 및 단백질 신호 전달의 이해를 깊게 하기 위해 48시간 이상 동안 뉴런의 전사 프로파일을 분석했습니다. 이를 위해, 쥐에게 상황에 따른 공포 조건화 실험을 실시하고, 조건화 4일 또는 21일 후에 해마 샘플을 채취하여 대량 리보핵산(RNA) 서열 분석을 진행했습니다.
연구팀은 학습 활동 중 유도되는 신경 활동에 의해 즉각적인 초기 유전자 발현을 유도하기 위해 일시적인 이중 가닥 DNA 절단이 일어난다는 사실에 주목했습니다. 그들은 학습에 의해 유도된 DNA 손상이 뉴런 집단 내에서 더 넓고 지속적일 수 있다는 가설을 세웠습니다. 면역형광 라벨링을 통해, 공포 조절로 인해 생성된 핵외 이중 가닥 DNA 단편의 기원을 파악하기 위해 이중 가닥 DNA 손상에 특이적으로 결합하는 포스포-히스톤 γH2AX에 대한 항체를 사용했습니다.
상황에 따른 공포 조건화 1시간 후에 수집된 뇌 섹션에서 γH2AX 신호와 관련된 즉각적인 초기 유전자 발현을 분석했습니다. 또한, 기억 형성에 이미 중요한 역할을 하는 것으로 알려진 CREB의 기본 발현도 면역염색을 통해 조사했습니다. 연구자들은 기억 재활성화 중 Fos 단백질의 상향 조절과 즉각적인 초기 유전자 발현 및 DNA 손상 복구의 각각의 역할도 탐구했습니다.
이 신경 집단에서 염증 신호를 확인함으로써, 이러한 염증 반응이 학습 중에 유발된 이중 가닥 DNA 절단의 결과인지, 아니면 기억 형성에 특정한 역할을 하는지에 대해 추가 조사를 진행했습니다. 특히, TLR9의 역할을 고려하여 특정 뉴런에서 TLR9 녹아웃 실험을 수행함으로써, 이것이 기억 형성에 미치는 영향을 확인했습니다.
또한, 공포 조절 및 TLR9의 뉴런 특이적 녹아웃의 영향으로 인한 뉴런 및 비뉴런 해마 세포 집단의 유전자 발현 변화를 특성화하기 위해 단일 핵 RNA 시퀀싱을 진행했습니다. 연구진은 기억 형성과 TLR9 신호 전달의 상향 조절에서 혈액의 면역 세포 및 무세포 DNA 침투의 기여도도 조사했습니다.
결과
이 연구는 학습과 기억 형성 과정이 핵 봉투의 파열, 핵 주변 영역으로의 히스톤 방출, 그리고 해마 CA1 영역 내 뉴런 클러스터에서의 이중 가닥 DNA의 지속적인 손상을 포함한다는 사실을 밝혀냈습니다. 더 나아가, 이중 가닥 DNA와 핵 외피에 대한 이러한 손상은 TLR9 신호 전달의 활성화, 그로 인한 염증 반응, 그리고 손상된 DNA를 복구하기 위한 중심체 복합체의 축적으로 이어진다는 것을 발견했습니다.
특히, 학습에 의해 유발된 기억 형성 과정에서 TLR9와 관련된 염증 반응의 역할은 특정 뉴런에서 TLR9를 제거(녹아웃)함으로써 기억에 문제가 발생하고, 상황에 따른 공포 조절과 관련된 유전자 발현 변화가 느려지는 것을 통해 확인되었습니다. TLR9는 DNA 손상 형성, 중심체 복합체의 복구, 섬모 형성 및 신경 주변 그물망 구축에도 중요한 역할을 한다고 밝혀졌습니다.
이러한 발견은 학습 관련 자극이 해마의 특정 뉴런 클러스터를 통해 기억 형성을 위해 뉴런을 활성화하는 과정에서 TLR9에 의해 매개되는 이중 가닥 DNA의 손상 및 DNA 복구 과정을 포함하는 일련의 분자적 사건을 촉발한다는 것을 시사합니다. 연구진은 TLR9의 기능이 손상될 경우, 이 기본적인 메커니즘의 실패가 인지 장애, 정신 장애, 노화의 가속화, 그리고 신경 퇴행성 장애의 발생으로 이어질 수 있다고 제안했습니다.
결론
이 연구를 통해, 학습과 관련된 자극이 해마 내 신경 클러스터에서 DNA 손상을 일으키고, TLR9가 매개하는 DNA 복구 과정을 통해 기억 형성에 필요한 뉴런을 활성화한다는 사실이 밝혀졌습니다. TLR9에 의해 촉진되는 염증 반응이 기억 형성 과정에서 중요한 역할을 하며, TLR9의 기능 장애는 인지 장애, 신경 퇴행성 질환, 그리고 정신 장애와 같은 다양한 상태와 연결될 수 있음을 시사합니다.
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07220-7
저장 (Storage)
저장은 인코딩된 정보를 일시적 또는 장기간 동안 보관하는 과정입니다. 저장은 기억의 지속성을 의미하며, 세 가지 주요 유형으로 나뉩니다: 감각 기억(sensory memory), 단기 기억(short-term memory, 또는 작업 기억 working memory), 그리고 장기 기억(long-term memory).
- 감각 기억: 모든 감각 정보를 극히 짧은 시간(1-2초) 동안 저장합니다.
- 단기 기억(작업 기억): 제한된 용량을 가지며, 정보를 몇 초에서 몇 분 동안만 유지합니다. 반복이나 청크화(chunking) 같은 전략을 사용하여 정보를 더 오래 기억할 수 있게 합니다.
- 장기 기억: 사실, 개념, 경험 등을 포함하여 사실상 무한한 양의 정보를 저장할 수 있는 용량을 가집니다. 장기 기억은 다시 구성적 기억(declarative memory, 사실과 정보를 의식적으로 회상하는 기억)과 비구성적 기억(non-declarative memory, 습관이나 기술 같은 무의식적 기억)으로 나뉩니다.
수면 중 기억을 강화하는 비밀의 뇌 메커니즘 공개
신경과학자들은 최근 수십 년에 걸쳐 우리가 매일 겪는 일부 경험이 밤에 잠을 자는 동안 뇌에서 영구적인 기억으로 바뀐다는 이론을 확립했습니다. 이제, 새로운 연구를 통해 우리 뇌가 어떤 기억을 영구적으로 보존할 가치가 있는지 결정하는 과정에 대한 메커니즘을 제안하고 있습니다.
이 연구는 뉴욕 대학교 그로스먼 의과대학(NYU Grossman School of Medicine)의 연구진이 주도했으며, 기억 인코딩을 위해 전기 신호를 보내는 데 필요한 양전하와 음전하의 균형을 조절하는 ‘발화하는’ 뇌 세포, 즉 뉴런을 중심으로 진행되었습니다. 뇌의 한 영역인 해마에 있는 대규모 뉴런 그룹이 리듬을 맞춰 함께 활성화되어, 복잡한 정보를 몇 밀리초 내에 일련의 신호로 인코딩할 수 있습니다.
이러한 활성화를 나타내는 ‘날카로운 파동 잔물결’이라 불리는 현상은 해마 뉴런의 약 15%가 거의 동시에 활성화될 때 발생하며, 이 활동은 그래프 상에서 특정 모양을 취할 때 전극을 통해 포착되어 컴퓨터에 기록됩니다.
과거 연구들에서는 이 잔물결이 수면 중 기억 형성과 관련이 있다고 밝혀졌지만, 3월 28일 ‘사이언스’ 저널에 온라인으로 발표된 새 연구에서는 흥미로운 발견을 했습니다. 연구에 따르면, 주간에 일어난 사건 직후에 나타나는 날카로운 파동 잔물결이 수면 중에 5~20번 더 많이 반복되면, 그 경험이 영구적인 기억으로 통합됩니다. 반면에, 날카로운 파도의 잔물결이 거의 없거나 전혀 없는 사건은 지속적인 기억을 형성하지 못했습니다.
걷고 잠시 멈춰라
신경과학자들은 우리가 세상을 경험하는 방식과 그 경험이 어떻게 우리 뇌에서 영구적인 기억으로 남는지에 대한 새로운 연구를 통해 중요한 발견을 했습니다. 이 연구는 우리가 어떤 것에 주의를 기울인 뒤, 우리의 두뇌가 종종 ‘휴식 재평가 모드‘로 전환된다는 기존의 이해를 기반으로 합니다. 이러한 일시적 중단은 하루 종일 발생하며, 가장 긴 휴식 시간은 수면 중에 일어납니다.
Buzsáki 박사와 그의 팀은 이전 연구를 통해, 우리가 감각 정보를 적극적으로 탐색하거나 움직일 때는 “날카로운 파동“이 발생하지 않고, 오히려 활동 전후의 휴식 시간에만 발생한다는 사실을 밝혀냈습니다. 이번 연구에서는, 날카로운 파도 잔물결이 잠에서 깨어난 후 이러한 유휴 시간 동안 자연스럽게 발생하며, 태그된 신경 패턴이 작업 후 수면 중에 다시 활성화된다는 새로운 사실을 발견했습니다.
특히, 해마의 ‘장소 세포’가 실험용 쥐에서 쥐가 탐색하는 미로의 각 섹션을 인코딩하는 특정 순서로 활동하여 날카로운 파동 잔물결을 형성한다는 것이 알려져 있습니다. 이 장소 세포들이 수면 중에 빠르게 활성화되어, 기억되어야 할 사건을 밤마다 수천 번 재생함으로써 관련된 세포 간의 연결을 강화합니다.
연구팀은 연구용 쥐를 사용하여 미로를 탐색하는 동안 발생하는 이 현상을 관찰했으며, 이는 깨어 있는 동안에는 물론 수면 중에도 날카로운 파동이 재생되는 최초의 발견입니다. 이 잔물결은 일반적으로 마우스가 미로를 달리다가 잠시 멈춰 달콤한 간식을 즐길 때 기록되었습니다. 이를 통해 뇌가 탐색 패턴에서 휴식 패턴으로 전환되어 날카로운 파동이 발생할 수 있는 준비 상태가 된다고 합니다.
연구팀은 양면 실리콘 프로브를 사용하여 동물의 해마에서 최대 500개의 뉴런을 동시에 기록했으며, 많은 뉴런을 기록함으로써 데이터가 복잡해졌지만, 이들은 데이터의 차원 수를 줄이면서도 그 무결성을 유지하는 데 성공했습니다.
연구의 제1저자인 대학원생 Wannan (Winnie) Yang 박사는 “우리는 외부 세계를 방정식에서 제거하려고 노력했으며, 포유류 뇌가 어떻게 일부 기억을 영구적으로 표시하는지에 대한 메커니즘을 조사했습니다”라고 말했습니다. 이러한 메커니즘이 왜 진화했는지는 여전히 불분명하지만, 미래 연구에서는 “날카로운 파동”을 조절하여 기억력을 향상시키거나 충격적인 사건에 대한 기억을 줄일 수 있는 잠재적인 방법을 탐색할 수 있을 것입니다.
doi.org/10.1126/science.adk8261
검색 (Retrieval)
검색은 저장된 정보를 다시 떠올리는 과정입니다. 검색의 성공은 여러 요인에 의해 영향을 받으며, 그 중 하나가 ‘검색 단서(retrieval cues)’입니다. 이는 정보를 기억해 내는 데 도움이 되는 단서를 의미하며, 강한 연관성을 가진 단서일수록 검색이 더 잘 이루어집니다. 또한, 상태 의존적 기억(state-dependent memory)이나 맥락 의존적 기억(context-dependent memory) 같은 현상이 검색 과정에 영향을 줄 수 있습니다.
기억의 신경학적 기반은 주로 해마(hippocampus)와 주변의 중뇌 구조에서 이루어집니다. 해마는 기억의 초기 형성과 장기 기억으로의 전환에 중요한 역할을 하며, 장기 기억은 전뇌(cortex)의 여러 부위에 걸쳐 저장됩니다.
인간의 기억 메카니즘을 알아보았습니다. 인간의 기억은 뇌 과학중에서도 연구가 활발한 분야입니다. 특히 인공지능의 발전은 뇌의 과학적 분석과 연구를 더욱 활성화 시키는 동기부여가 되고 있습니다. 뇌과학의 최신 논문이 발표되면 자주 소개하겠습니다.