광유전학 방법으로 수면방추파 등 세 가지 뇌파 동조 성공
대뇌피질의 서파, 간뇌 시상 부위의 수면방추파 그리고 해마의 SWR파 이 세 가지 뇌파는 모두 수면 중에만 나타나는 뇌파다. 이 세 뇌파는 기억에 관여할 것으로 추측돼 왔지만, 정확한 상호작용이 밝혀진 바가 없었다.
연구진은 대뇌 피질의 서파가 나타나는 시기에 광유전학 방법으로 수면방추파를 인위적으로 유도하면 해마의 SWR파도 동원돼 이 세 가지 뇌파 모두가 동조하는 현상이 나타나는데, 이러한 동조현상이 많을수록 장기 기억력이 높아짐을 확인했다. 비침습적 방식으로 뇌파를 조절할 수 있는 방법이 개발된다면 언젠가 인간의 학습 기억 향상으로도 이어질 수 있으리라 기대된다.
뇌의 해마 부위에서 담당하는 장기 기억은 수면과 상관관계가 있다. 학습 후 잠을 자는 동안 학습에 대한 기억이 강화되는 현상이 이를 뒷받침한다. 일부 연구자들은 숙면을 돕는 수면방추파라는 뇌파가 기억 형성에도 관여하기 때문일 것이라고 주장해 왔으나 수면방추파와 장기 기억 간의 정확한 인과관계는 밝혀진 바가 없었다.
IBS 연구진은 수면방추파 외에 대뇌피질의 서파(Slow oscillation)와 해마(Hippocampus)의 SWR파(Sharp wave ripples)가 학습과 기억에 관여하는 뇌파로 알려져 있는 것에 착안, 이 세 가지 뇌파가 상호작용할 것으로 보았다. 이에 따라 빛을 받으면 나트륨 이온 채널을 여는 채널로돕신을 생쥐 간뇌의 시상 신경세포에 발현, 생쥐 머리에 꽂은 광케이블을 통해 빛으로 수면방추파 발생을 유도하는 광유전학적 방법을 이용했다.
연구팀은 생쥐들에게 특정 공간에서 30초 동안 특정 소리를 들려주다가 마지막의 2초간 전기 충격을 가하는 방식으로 전기충격에 대한 공포 기억을 심어주었다. 그런 다음, 생쥐가 잠을 자는 동안 한 무리에게는 대뇌 피질의 서파 발생 시기에 맞춰 광유전학 자극으로 수면방추파를 유도하고, 다른 생쥐에게는 서파 발생 시기와 상관없이 다른 시점에 수면방추파를, 또 다른 생쥐에게는 수면방추파를 유도하지 않았다.
24시간이 지난 뒤, 이 세 종류의 생쥐를 두 가지 상황에 각각 배치했다. 하루 전 공포를 느꼈던 똑같은 공간에 소리 자극은 없는 상황 (A)와 전날과 전혀 다른 공간에 소리는 들리는 상황 (B)이다. 상황 (A)에서 공포를 느낀다면 전기 충격을 받은 환경 요소(공간, 온‧습도, 냄새 등)와 전기충격의 연관성을 기억하는 것이므로 해마에 의한 장기 기억에 해당한다. 상황 (B)에서 공포를 느낀다면 전기충격과 직결되는 청각적 자극과 전기충격과의 연관성을 기억하는 것이므로 해마에 의존하지 않는 기억에 해당한다.
공포를 느낄 때 바짝 얼게 되는 생쥐의 행동을 관찰한 결과, 같은 공간에 소리가 없는 상황 (A)에 처한 세 종류의 생쥐 중, 대뇌피질의 서파 발생 시기에 맞춰 수면방추파를 유도한 생쥐가 얼어붙는 행동을 보다 긴 시간 강하게 보이며, 다른 생쥐보다 공포에 대한 기억을 2배 가까이 잘하는 것으로 나타났다. 반면, 상황 (B)에 처한 세 종류의 생쥐들은 공포 기억을 떠올리는 정도에 차이가 없었다.
이 실험의 결과는 상황 (A)가 해마에 의존해 기억을 떠올릴 수 있는 상황이라는 것을 생각해볼 때, 대뇌 피질의 서파 발생 시기에 맞춰 빛을 통해 수면방추파를 유도한 자극이 해마의 장기 기억을 증진시킨다는 사실을 시사한다.
연구진은 세 종류 뇌파의 분포 양상을 분석한 결과, 대뇌 피질의 서파가 나타나는 시기에 맞춰 수면방추파를 유도하면 해마의 SWR파가 동원돼, 결국 이 세 가지 뇌파가 동시에 발생해 동조한다는 사실을 밝혀냈다. 이렇게 세 가지 뇌파가 동시에 발생해 동조되는 비율은 수면방추파를 서파 발생 시기에 맞출 때가 그렇지 않을 때보다 약 2배 더 높은 것으로 나타났다.
연구진은 대뇌피질의 서파 발생에 맞춰 수면 방추파를 유도했던 생쥐가 공포에 대한 기억을 가장 잘 할 수 있었던 이유는 세 가지 뇌파의 동조현상이 증가해 해마에서 생성된 학습 정보를 대뇌피질의 전두엽으로 전달, 장기 기억이 강화됐기 때문인 것으로 해석하고 있다.
한편, 연구진은 반대로 공포에 대한 기억 회상을 줄이는 실험도 수행했다. 광유전학 방법으로 시상의 뉴런을 활성화하는 것이 아니라 반대로 억제하게 되면 기억을 떠올리는 정도가 줄어드는데, 이때에도 서파와 수면방추파, SWR파가 동시에 발생하지 않게 됐을 때, 즉 이 세 뇌파의 동조현상을 깨뜨릴 때 가장 효과적으로 공포 기억의 회상 정도가 줄어드는 것으로 확인됐다.
이번 연구는 장기 기억의 형성에 관여하는 여러 종류의 뇌파 간 구체적인 상호작용을 밝혀낸 데 의의가 있다.
신희섭 단장은 “생쥐를 대상으로 한 실험이기 때문에 뇌에 광유전학 케이블을 삽입해 뇌파를 조정했지만, 비침습적인 방법으로 인간의 뇌파를 조정할 수 있다면 언젠가 학습기억 증진을 도모해 볼 수 있으리라 기대한다”고 말했다.
본 연구결과는 뉴런(Neuron, IF=14.024)에 ‘Thalamic Spindles promote Memory Formation during Sleep through Triple Phase-locking of Cortical, Thalamic and Hippocampal Rhythms’, Charles-Francois V. Latchoumane, Hong-Viet V. Ngo, Jan Born, and Hee-Sup Shin 등으로 7월 6일자(미국시간)에 게재됐다.
생쥐 실험은 실험 대상인 생쥐들에게 특정 공간에서 30초 동안 특정 주파수의 소리를 들려주다가 마지막 2초간 전기 충격을 가하는 것으로 시작한다. 생쥐들은 공포스러운 경험 후 소리가 전기충격과 연관된다는 그리고 특정 공간이 전기충격과 연관된다는 기억을 갖게 되는데, 이를 조건화(Conditioning) 과정이라 한다.
그런 다음 수면을 유도해 대뇌 피질의 서파 발생 시기에 따른 세 가지 다른 처리를 한다. 한 생쥐에게는 대뇌 피질의 서파 발생 시기에 맞춰(in-phase) 빛으로 수면방추파를 유도하고, 다른 생쥐에게는 대뇌 피질의 서파 발생 시기와 상관없이 다른 시점(out-of-phase)에 무작위로 수면방추파를 유도한다. 그리고 또 다른 생쥐에게는 간뇌 시상에 빛을 비추지 않아 수면 방추파 발생을 인위적으로 유도하지 않는다.
24시간이 지난 뒤, 이 세 종류의 생쥐를 두 가지 상황에 각각 배치한다. 하루 전 공포를 느꼈던 똑같은 공간에 특정 소리가 없는 상황과 전날과 전혀 다른 공간이지만 특정 소리가 들리는 상황이다. 공포를 느낄 때 바짝 얼게 되는 생쥐의 행동을 관찰한 결과, 같은 공간에 특정 소리가 없는 상황에 처한 세 종류의 생쥐 중, 대뇌피질의 서파 발생 시기에 맞춰 수면방추파 유도 처리를 한 생쥐가 가장 공포에 대한 기억을 잘하는 것으로 나타났다. 반면, 공포를 느꼈던 공간과 전혀 다른 공간에 들어가 동일한 소리를 들은 세 종류의 생쥐들은 공포스러웠던 기억을 떠올리는 정도에 차이가 없었다.
이러한 실험 결과는 어떻게 해석할 수 있을까? 세 종류의 생쥐가 처한 두 가지 상황을 살펴보면, 공간은 환경적‧맥락적인 정보이고 특정 소리는 전기충격과 직결되는 청각적 자극이다. 뇌의 해마는 여러 환경적 요소를 기억할 수 있는 장기기억을 관장하므로, 똑같은 공간에 다시 들어간 생쥐가 얼어붙는 행동을 보인다는 것은 ‘이 장소에서 고통을 느꼈었다’는 기억을 해마를 통해 해낸다는 것을 의미한다. 반면, 전혀 다른 공간이지만 특정 소리가 들리는 상황에서 바짝 어는 행동을 보이는 것은 해마가 아닌 감각적 자극을 통한 기억을 하는 것을 말한다. 때문에 이번 실험의 결과는 대뇌 피질의 서파 발생 시기에 맞춰 빛을 통해 수면방추파를 유도한 자극이 해마의 장기 기억 형성에 영향을 준다는 사실을 시사한다.
공포 경험(Conditioning)을 한 후, 생쥐가 잠들었을 때 광유전학 방법으로 대뇌 피질의 서파 발생 시기에 맞추거나 다른 시기에 수면 방추파를 유도하는 방식으로 뇌파를 조절한다. IN(phase)은 대뇌 피질의 서파가 발생하는 시기에 수면방추파를 유도한 경우를 말하고, OUT(phase)은 대뇌 피질의 서파가 발생한 시기와는 다른 시기에 수면 방추파를 유도한 경우다. NoSTIM은 광유전학 자극을 주지 않은 경우다.
다음 날, 이 세 가지 종류의 생쥐를 두 가지 상황에 배치한다. 전혀 다른 공간에 소리 자극만 동일한 상황(Tone Recall)에서는 IN/OUT/NoSTIM 세 종류의 생쥐 사이에 별다른 차이가 없다. 그러나 동일한 공간에 소리 자극이 없는 상황, 즉 해마에 의존한 환경‧맥락적인 기억을 떠올릴 수 있는 상황(Contextual Recall)에서는 대뇌 피질의 서파 발생 시기에 맞춰 수면방추파를 유도하면 해마의 SWR파가 동원돼 세 가지 뇌파가 동조하게 된다. 오른쪽 그래프를 보면, IN 생쥐의 경우에 OUT생쥐나 NoSTIM생쥐에 비해 생쥐의 얼어붙는 행동(Freezing)이 평균 2배 정도 강하게 나타난 것을 알 수 있다.
(A)가장 위의 파동이 전두엽 대뇌 피질의 뇌파(FRO EEG)다. 서파가 발생하는 시기에 맞춰 생쥐의 간뇌 시상 부위에 청색광을 비추면, 수면방추파가 유도된다. 이에 따라 아래 해마의 SWR파(CA1)가 동원돼 세 가지 뇌파가 동조하게 된다(별 표시 부분).
(B)세 가지 뇌파의 결합 비율을 보면, 대뇌 피질의 서파 발생 시기에 맞춰 수면방추파를 유도한 경우(IN)가 서파 발생 시기에 무관하게 수면방추파를 유도한 경우(OUT)나 수면방추파 유도가 없었던 경우(NoSTIM)에 비해 약 2배 가까이 높은 것을 알 수 있다.