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| 감정 기억의 저장과 회상을 관장하는 편도체(Amygdala)의 신경회로에서 시냅스 가소성(Synaptic Plasticity), 기억 심상(Engram)과 신경망 진동(Network oscillation)의 중요성 |
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저자 |
박성모 (Sickkids Hospital) |
| 등록일 |
2018.11.06 |
| 자료번호 |
BRIC VIEW 2018-R27 |
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요약문 감정 연합 기억의 습득, 저장, 회상, 그리고 기억 소멸은 편도체(Amygdala)의 하부 부위 중 한곳인 기저 측 편도체(Basolateral Amygdala)가 관장을 한다. 기저 측 편도체(Basolateral Amygdala) 내의 시냅스 가소성은 감정 연합 학습을 하는 것에 있어 중요하며, 기저 측 편도체(Basolateral Amygdala)의 신경세포들의 일정 부분은 기억 심상(Engram)이라고 알려져 있고, 기억의 학습, 저장, 회상에 중요한 역할을 한다. 이와 동시에, 기저 측 편도체(Basolateral Amygdala)와 다른 뇌 부위 간의 감마(Gamma)와 쎄타(Theta) 진동의 동기화(Synchronization)된 진동 현상(Synchronous Oscillation)이 감정 기억의 저장과 회상을 하는 동안에 발생이 된다. 따라서, 이러한 세포 단위에서의 변화와 신경망의 상호작용에 대한 이해는 일반 뇌와 병리성 뇌에서 감정 기억 형성과 저장을 설명하는 것에 있어 중요하다. 이번 보고서에서는 설치류의 기저 측 편도체(Basolateral Amygdala)에서 보고된 시냅스 가소성(Synaptic Plasticity), 기억 심상(Engram), 그리고 신경망 진동(Network Oscillation)에 관한 자료들을 소개하고, 나아가 그 기전에 대해 다룬다.
키워드: amygdala, engram, fear, interneurons, memory, oscillation, synaptic plasticity
분야: Neuroscience
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본 자료는 Synaptic Plasticity, Engram, and Network Oscillations in Amygdala Circuits for Storage and Retrieval of Emotional Memories. Neuron, 2017;94(4):731-743.의 논문을 한글로 번역, 요약한 자료입니다.
목차
1. 서론
2. 편도체의 신경회로
2.1 시냅스 가소성(Synaptic Plasticity)
2.2 신경망 진동(Network Oscillation)
2.2.1 델타 진동(Delta Oscillatin)
2.2.2 쎄타 진동(Theta Oscillation)
2.2.3 감마 진동(Gamma Oscillation)
3. 감정 기억 습득은 시냅스 효율성의 증가를 유도
4. 감정 기억 습득은 기저 측 편도체(Basolateral Amygdala)의 기억 심상(engram)을 형성 유도
5. 감정 기억 강화(Consolidation)는 기저 측 편도체(Basolateral Amygdala) 내에서의 단백질 합성
(Protein Synthesis)과 신경조절물질(Neuromodulators)의 분비를 요구
6. 기저 측 편도체(Basolateral Amygdala)의 기억 심상(Engram) 재활성(Reactivation)과 느린 세타
동조현상(Slow Theta Synchronization)에 의한 감정 기억의 회상(Emotional Memory Retrieval)
7. 감정 기억 소멸(Emotional Memory Extinction)에 관련된 기저 측 편도체(Basolateral Amygdala)
의 시냅스 가중치(Synaptic Weights)와 광범위 동조화(Long-range Syn-hrony)의 변화
8. 결론
1. 서론
편도체(Amygdala)의 신경회로(Neuronal Circuit)는 감정 학습과 기억 형성을 위해 여러 요소들과 어우러져서 작동을 한다. 크게 3가지의 연구주제가 있는데, 시냅스 가소성(Synaptic Plasticity), 기억심상(Engram)의 관여, 신경망 진동(Network Oscillation)이 이에 해당 된다. 지금까지는 이 3가지 요소들이 독립적으로 연구대상으로 다루어져 왔다. 하지만, 이번 보고서에서는 이러한 현상들이 감정 기억의 형성, 보관, 회상, 그리고 제거의 과정에서 어떻게 상호 관련성이 있는지 살펴본다. 그리고 감정 기억의 저장과 회상에 대한 이해를 더욱 통합적으로 할 수 있도록 관계성을 강조하였다.
편도체(Amygdala)는 영장류와 비영장류 모두의 뇌 구조에서 감정적인 행동을 조절하는 부위로, 중앙 뇌 측두엽에 위치하고 있다. 이전 연구결과들을 살펴보면, 편도체(Amygdala)는 연합 기억의 형성과 저장을 담당하는 것으로 밝혀졌다. 그리고 여러 종류의 연합 기억 중 공포 기억이 가장 활발하게 연구가 되었다. 편도체(Amygdala)는 해부학적으로 몇몇 하부구조로 나뉘는데, 그 중 기저 측 편도체(Basolateral Amygdal: BLA)와 중심 편도체(Central Amygdala: CeA)가 가장 핵심적인 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 기저 측 편도체(Basolateral Amygdala)는 공포와 같은 부정적인 감정을 조절할 뿐만 아니라, 보상 기반 학습과 기억(Reward-based learning and memory)의 처리과정에서도 역할을 한다. 따라서, 연구결과들은 기저 측 편도체(Basolateral Amygdala)가 긍정적인 자극과 부정적인 자극 모두에 반응하고 학습과 기억의 과정에 연관 되었다고 본다.
1921년 Semon에 의해 제창된 기억 심상 이론(Engram Theory)은 최근의 유전학과 광유전학(Optogenetics)의 발전으로 구현되어 오고있다. 특정 행동을 하는 동안에 특정 신경세포들이 행동에 관여해서 반응하도록 할 수 있으며, 학습을 통해 형성되는 기억을 바로 이런 방식으로 특정 뇌 부위의 신경세포들이 연결될 수 있도록 한다. 일반적으로 이러한 특정 신경세포의 그룹을 Ensembles 또는 Engrams라고 부른다.
설치류를 이용한 실험결과들은 기저 측 편도체 내에서의 시냅스 가소성이 어떻게 연합 기억과 관련 있는지를 보여주었고, 세포 외 전위(Extracellular Potential) 다시 말해서, 신경망 진동(Network Oscillation)이 감정기억을 저장하고 회상하는 과정에서 관찰이 되었다. 종합해보면, 기저 측 편도체(Basolateral Amygdala) 내 신경세포들의 신경세포성 흥분(Neuronal Excitability)이 시냅스 가소성에 중요한 결정인자가 되며, 관련 뇌 부위 간의 신경망 진동(Network Oscillation)이 기저 측 편도체(Basolateral Amygdala) 내 신경세포들의 흥분성(Excitability)을 조절한다. 결국, 앞서 언급한 3가지 요인(시냅스 가소성, 기억심상, 신경망진동)이 함께 어우러져서 작용을 하는 것이 기억의 주요 처리 과정이라고 말할 수 있다.
2. 편도체의 신경회로
편도체의 신경회로는 크게 두가지 측면에서 접근 해볼 수 있다. 신경세포간의 시냅스 가소성(Synaptic Plasticity)과 편도체를 중심으로 한 관련 뇌 부위와의 신경망 진동(Network Oscil-lation)이다.
2.1 시냅스 가소성(Synaptic plasticity)
신경세포들간에는 시냅스를 통해 연결을 맺는다. 시냅스가 강화(Synaptic Potentiation)되거나 또는 약화(Synaptic Depotentiation or Synaptic Depression)되는 현상은 해마(Hippocampus)에서 처음 발견되고 연구가 시작되었다. 편도체(Amygdala)에서 같은 시냅스 가소성(Synaptic Plasticity)이 관찰되었다. 대부분의 연구들은 측면 편도체(Lateral Amygdala)를 대상으로 진행되어 왔고, 시냅스의 장기 강화(Long Term Potentiation)와 장기 약화(Long Term Depression)으로 나뉘어서 보고 되었으며, 이러한 현상은 연합 학습(Associate Learning) 후 기억의 형성과정(Memory Con-solidation)에서 관찰되는 것으로 보고되었다.
2.2 신경망 진동(Network Oscillation)
신경망 진동은 간단히 말해서 다른 뇌 부위가 상호작용을 통해 각기 다른 신경 활동(Neuronal Ac-tivation)을 하나의 통합된 신경 활동(Synchronized Neuronal Activation)으로 관찰 되는 현상이라 할 수 있다. 통합된 신경 활동은 시냅스 장기 강화(Long-term Synaptic Potentiation)가 어떻게 생리학적으로 기저 측 편도체(Basolateral Amygdala)에서 발생되는 지를 설명할 수 있다.
기저 측 편도체(Basolateral Amygdala)에서 관찰되어온 진동 활성(Oscillation Activity)은 크게 네 가지로 나뉘어지는 특성이 있다. 진동수에 따라, Delta (0.5-4 Hz), Theta (4-12 Hz), Beta (12-30 Hz), Gamma (30-120 Hz)로 분류된다. 진동수(Frequency)와 진동폭(Amplitude)은 대상체의 행동 상태 또는 뇌 영역에 따라 다르게 변화한다. 이렇게 다양한 신경망 진동 활동(Network Oscillation Activ-ity)이 관찰되었음에도 불구하고, 기저 측 편도체(Basolateral Amygdala)에서 본질적으로 어떻게 이러한 신경망 진동이 발생되는 지는 여전히 연구대상이며, 다양한 자극으로부터 어떻게 시냅스 상호작용이 신경망 진동을 만들어 내는 지도 연구해야 할 주요 주제이다. 일련의 보고된 연구내용들을 살펴보면, 기저 측 편도체(Basolateral Amygdala)의 신경세포들은 Theta 진동수 범위 안에서 고유의 막전위 진동(Intrinsic Membrane Oscillation)을 지닌다.
여러 뇌 부위에서 동시에 LFP(Local Field Potential) 관찰하는 것은 기저 측 편도체(Basolateral Amygdala)와 다른 연관된 부위들 간의 신경망 진동 패턴(Oscillation Pattern)이 특정 행동을 보일 때 어떤 변화가 있는지 알아보는 데 쓰인다. 이러한 다른 부위 간의 동조화 된 LFP는 진동 크기(power correlation) 또는 진동 구간의 일치성(phase coherence)을 이용하여 측정된다.
2.2.1 델타 진동(Delta Oscillation)
델타 진동(Delta Oscillation)은 느린 진동으로 진동 범위는 0.5-4 Hz를 갖으며, 기저 측 편도체(Basolateral Amygdala)에서 관찰된다. 이전 보고서들을 보면, 델타 진동(Delta Oscillation)은 고양이의 수면 시 관찰되는 느린 뇌파(Slow-wave sleep)와 Urethane으로 마취된 쥐에서 관찰이 주로 된다. 델타 진동(Delta Oscillation)은 기저 측 편도체(Basolateral Amygdala)의 신경세포들이 발화(Firing)하는 시점을 조절하는 것으로 밝혀져 있다. 특히, 기저 편도체(Basal Amygdala)에서, 흥분성 신경세포(Excitatory Neuron)들과 억제성 신경세포(Inhibitory Neurons)들이 서로 다는 델타 진동 구간(Phases of Delta Oscillation)에서 발화(Firing)하는 것이 관찰되었다.
2.2.2 쎄타 진동(Theta Oscillation)
쎄타 진동(Theta Oscillation)은 4-8 Hz 느린 주파수(Slow Theta Frequency)를 보인다. 특정 행동 시에 쥐 또는 고양이의 경우에 느린 주파수(Slow Theta Frequency)가 관찰된다. 해마의 경우, 움직임에 의해 유도되는 쎄타 주파수(Theta Frequency)는 기저 측 편도체(Basolateral Amygdala)에서 관찰되는 것과는 다르다. 따라서, 기저 측 편도체(Basolateral Amygdala)에서 관찰되는 쎄타 진동(Theta Oscillation)은 다른 행동 상태를 의미하는 정보와 연관되어 있다.
쎄타 진동(Theta Oscillation)은 해마(Hippocampus) 또는 내측 전두엽(medial Prefrontal Cortex)에서 시냅스 입력을 통해 발생되는 것으로 알려져 있다. 흥분성 신경세포막의 전위(Pyramial Neuronal membrane potential)가 LFP (Local Field Potential)를 발생하는 데 관여하며, 해마(Hippocampus)에서 관찰 된 것과 비슷하게 억제성 시냅스 (Inhibitory synapses)의 조절로 기저 측 편도체(Basolateral Amygdala)의 쎄타 진동(Theta Oscillation) 발생된다.
2.2.3 감마 진동(Gamma Oscillation)
감마 진동(Gamma Oscillation)은 30-120 Hz의 진동수를 지닌다. 기저 측 편도체(Basolateral Amygdala)에서 감마 진동(Gamma Oscillation)에 대한 세포성 기전은 거의 잘 알려져 있지 않다. 하지만, 몇몇 이전 연구를 살펴보면, kainate receptors, gap junctions, acetylcholine 이 중요한 역할을 할 것으로 추정된다. 또한 흥분성 신경세포(Excitatory Neurons)와 억제성 신경세포(Inhibitory Neurons) 간의 상호작용이 조절 역할을 하는 것으로 밝혀져 있다.
감마 진동(Gamma Oscillation)은 진동수에 따라 크게 두 가지로 분류된다. 30-70 Hz 또는 35-45 Hz를 보이는 느린 감마 진동(Slow Gamma Oscillation)과 70-120 Hz를 보이는 빠른 감마 진동 (Fast Gamma Oscillation) 으로 나뉜다. 특이하게도, 내측 전두엽(medial Prefrontal Cortex)의 쎄타 진동(Theta Oscillation)에 의해서 기저 측 편도체(Basolateral Amygdala)의 빠른 감마 진동(Fast Gamma Oscillation)이 조절된다는 보고가 있다. 이러한 현상을 Theta-Gamma cross-frequency coupling이라 부른다.
요약하면, 기저 측 편도체(Basolateral Amygdala)에서 관찰되는 델타(Delta), 쎄타(Theta), 감마(Gamma) 진동(Oscillation)은 다른 뇌 부위들과 비슷하게 리듬성 흥분성 시냅스 후 신경세포의 막전위(Excitatory Postsynaptic Potentials)와 억제성 시냅스 후 신경세포의 막전위(Inhibitory Postsynaptic Potentials)가 상호작용을 통해 발생된다.
3. 감정 기억 습득이 유발하는 시냅스 효율성의 증가
일련의 과거 연구들을 보면, 공포 조건화 학습(Fear conditioning)이 새로운 시냅스를 측면 편도체(Lateral Amygdala)와 청각피(Auditory Cortex) 사이에 형성시킨다고 알려져 있다. 관련 연구 결과들은 시냅스의 새로운 형성은 시냅스 가소성(Synapse Plasticity)에 기여하며, 이러한 현상이 측면 편도체(Lateral Amygdala)가 감정기억 습득에 있어 중요한 부위임을 뒷받침 한다. 측면 편도체(Lateral Amygdala)는 공포 조건화 학습 후에 시냅스 장기강화(Long Term Potentiation: LTP)를 보였다. 시냅스 장기강화(LTP)현상은 측면 편도체(Lateral Amygdala)가 감정학습을 위한 세포성 기질로 작용을 한다는 것을 말한다. 시냅스 장기강화(LTP)는 측면 편도체(Lateral Amygdala)가 시상(Thalamus)과 피질(Cortex)로부터의 입력경로(Projections)를 갖고 있기 때문에 발생된다고 볼 수 있다. 두 개의 다른 입력경로(Projections)는 조건화 자극(Conditioned Stimuli)과 비조건화 자극(Unconditioned Stimuli)에 대한 정보를 측면 편도체(Lateral Amygdala) 내로 전달한다. 두 개의 다른 입력경로(Projections)를 통한 정보전달이 이루어져야 조건화 자극(Conditioned Sit-muli)에 대한 반응이 일어날 수 있다.
측면 편도체(Lateral Amygdala)의 시냅스 가소성의 중요성(Synapse Plasticity)을 더 알아보기 위해서, 몇몇 연구들은 시냅스 장기약화(Long Term Depression: LTD)를 유도하여 공포 조건화 기억이 손상 받은 것을 확인하였고, 반대로 시냅스 장기강화(LTP)를 유도하여 공포 기억이 강화되는 것을 보였다.
그러나 최근 연구들은 측면 편도체(Later Amygdala) 내의 시냅스 가소성뿐만 아니라, 중심 편도체(Central Amygdala)의 역할을 부각시켜왔다. 중심 편도체(Central Amygdala)의 기능적 억제는 공포 기억의 회상(Retrieval)에 문제를 일으킨다고 주장하였다. 이러한 주장은 중심 편도체(Central Amygdala)를 중점으로 연구한 결과들로 뒷받침이 된다. 연구들을 살펴보면, 중심 편도체(Central Amygdala)는 두 개의 하부 부위로 구성되 있다. 측면 부위(Central Amygdala Lateral area)와 내측 부위(Central Amygdala Medial area)로 구성되며, 특히, 측면 부위(Central Amygdala Lateral area)는 PKC-δ (Protein Kinase C-Delta)를 지닌 억제성 신경세포와 그렇지 않은 억제성 신경세포를 갖는 특징을 갖는다. 또한 측면 부위 (Central Amygdala Lateral area)와 내측 부위(Central Amygdala Medial area)는 탈억제 회로(Disinhibition Circuit)를 구성하고 있다. 탈억제 회로(Disinhibition Cir-cuit)는 공포 기억에 대한 반응 조절하는 것으로 보이며, 기억형성에서도 관여하는 것으로 보고 되었다.
기저 측 편도체(Basolateral Amygdala)는 공포 기억뿐만 아니라 보상 조건화 학습(Reward Condi-tioning)에도 역할을 한다. 공포 기억과 마찬가지로, 보상 조건화 학습에 의한 보상기억(Reward Memory)도 기저 측 편도체 신경세포(Basolateral Amygdala Neurons)들의 활성을 필요로 한다. 이전 연구결과는 동일한 신경세포 그룹이 두 개의 다른 학습에 비슷하게 반응을 하거나 두 개의 다른 그룹이 각각의 다른 학습에 대해 비슷하게 반응하는 것으로 의견이 대립되어왔다. 하지만, 최근 발표된 결과를 보면, 유전학적으로 또 해부학적으로 분리되는 두 개의 신경세포 집단이 각각 역할을 하는 것으로 보이며, 상호 억제(Reciprocal Inhibition)를 통해 동물 행동결과를 보인다고 한다. 그러나, 여전히 신경망(Neural Network)의 관점에서는 해석이 불분명한 부분이 남아있다. 기저 측 편도체(Basolateral Amygdala)와 Straial-rhinal cortex로 연결되는 신경망에서의 감마 진동(Gamma Oscillation)이 특정 행동에서 관찰이 되었기 때문에, 기저 측 편도체(Basolateral Amygdala)에만 국한된 해석으로는 한계가 있다.
4. 감정 기억 습득은 기저 측 편도체(Basal Lateral Amygdala)의 기억 심상(Engram)을 형성 유도
기저 측 편도체(Basolateral Amygdala)에서 조건화 학습 동안 기억은 어떻게 만들어 질까? 대부분의 신경세포들이 조건화 자극과 비조건화 자극에 대한 정보를 받음에도 불구하고, 20-30% 만의 신경세포들이 조건화 학습 후 조건화 자극에 반응을 하는 것으로 밝혀져 왔다. 또한 Cyclic AMP Response Element-Binding Protein (CREB)의 활성이 20-30%의 활성화된 신경세포들에서 관찰이 되었다. 이는 CREB 활성을 특이적으로 보이는 신경세포들이 조건화 학습에 참여하였다고 볼 수 있으며, 이에 대한 후속연구들이 뒷받침해주는 결과들을 제시했다. 이러한 신경세포 집단을 기억 심상(Engram)이라 부른다. 다른 연구들을 함께 살펴보면, 공포 신경세포들(Fear Neurons)과 기억소멸 신경세포들(Extinction Neurons)이 각각 내측 전두엽(mPF-medial PreFrontal Cortex)에 서로 다른 신경회로를 가지고 있다고 주장한다. 따라서, 공포 기억을 관장하는 신경세포들이 비특이적으로 선택되거나 활성을 보인다고 하기보다는 신경회로에 의존하여 분리가 된다고 보는 입장이 대립되고 있다.
요약하면, 현재 밝혀진 연구결과들은 연합 감정의 학습(Associative emotional learning) 은 기저 측 편도체(Basolateral Amygdala)내에 기억 심상(Engram)을 형성시킨다. 형성 과정은 기저 측 편도체(Basolateral Amygdala)의 일부 흥분성 신경세포들(Pyramidal Neurons)이 조건화 자극에 반응하고, 이러한 반응이 시냅스 가소성 유도(Synapse Plasticity Induction)가 포함된다.
5. 감정 기억 강화(Consolidation)는 기저 측 편도체(Basolateral Amygdala) 내에서의 단백질 합성(Protein Synthesis)과 신경조절물질(Neuromodulators)의 분비를 요구
몇 일, 몇 달, 혹은 몇 년의 시간이 흐른 뒤에도 기억 회상(Retrieval)이 일어나기 위해서는 단기 기억(Short-term Memory)이 장기 기억(Long-term Memory)으로 전환이 되어야 한다. 바로 기억 강화(Memory Consolidation)로 알려져 있는 과정을 말한다. 많은 연구들이 기저 측 편도체(Basolateral Amygdala)가 다양한 기억을 다른 뇌 부위들과 함께 강화시키는 지에 대해 다뤄왔다. 하지만, 공포 기억을 강화시키는 세포성 기전(Cellular Mechanism)과 신경망 기전(Network Mechanism)에 대해서는 상대적으로 잘 알려진 것이 없다.
한 가지 기억 강화에 대한 설명 가능한 기전이 있다. 시냅스 가소성이 초기 강화(Early Long-term Potentiation)에서 후기 강화(Late Long-term Potentiation)로 전환되는 과정에서 RNA 와 단백질 합성에 의존성을 보이는 것이 밝혀져 있다. 이러한 연구결과는 단백질 합성 저해제를 처리함으로써 밝혀졌으며, 그 외에 신경조절물질(Neuromodulators)의 분비가 중요한 역할을 하는 것으로 보고되었다. Noradrenaline, Cholinergic molecules, Serotonin 등이 억제제(inhibitors)를 처리하였을 때 기억 강화(Memory Consolidation)의 과정을 방해하는 것으로 결과가 보고되었고, 이는 이러한 신결조절물질(Neuromodulators)이 기억 강화(Memory Consolidation)에 역할을 하는 것으로 이해할 수 있다.
추가로, 뇌 부위 간의 진동 현상(Oscillatory Communication)이 기억 장기 강화에 또 다른 기전으로 알려져 있다. 기저 측 편도체(Basolateral Amygdala)는 해마(Hippocampus), 시상(Thalamus), 신피질(Neocortex)와 연관되어 진동 현상(Oscillatory Communication)이 관찰되는데, 이러한 현상은 느린 파장 수면(Slow-wave Sleep)과 빠른 눈동자 움직임 수면(Rapid Eve Movement Sleep에서 주로 관찰되며, 특히 학습 후에 관찰된다. 따라서, 학습 후 여러가지 과정들이 장기 기억 강화에 기여한다고 볼 수 있다. 일단 학습이 이뤄지면, 빠른 반응부터 느린 반응까지 시간 순으로 일어나면, 어느 한 부분이라도 과정에 방해요인이 작용하면 기억 강화(Memory Consolidation)에 문제가 생겨 기억 회상(Memory Recall)에 영향을 주게 된다.
6. 기저 측 편도체(Basal Lateral Amygdala)의 기억 심상(Engram) 재활성(Reactivation)과 느린 세타 동조현상(Slow Theta Synchronization)에 의한 감정 기억의 회상(Emotional Memory Retrieval)
현재 관점들은 기저측 편도체(Basolateral Amygdala) 내의 신경세포들이 감정 기억의 습득, 기억 심상(Engram)의 형성 그리고 공포 기억의 재발 과정에서 강한 활성을 보인다고 주장한다. 뒷받침하는 연구결과들은 화학유전학(Chemogenetics)과 광유전학(Optogenetics) 접근법을 통하여 특정 시점에 신경세포들을 활성 또는 비활성을 유도하여 기억의 형성과 발현의 양상을 관찰하였다.
연구결과들은 강화된 시냅스가 기억 심상(Engram)을 형성하고 있는 신경세포들의 재활성(Reactivation)을 특이적으로 유도한다고 주장한다. 첫째로, 공포와 보상 조건화 학습이 지역전위(Field Potentials) 또는 신경발화(Neuronal Firing)를 측면 편도체(Lateral Amygdala)에서 유도함이 보여줬고, 이러한 현상은 조건화 자극과 청각시상(Auditory Thalamus)을 자극하였을 때도 관찰되었다. 둘째로, 공포와 조건화 학습은 시냅스 장기강화(Long-term Synaptic Potentiation)를 유도하였다. 셋째로, 뇌 절편(Brain slices)에서 행한 전기생리학 접근(Electrophysiological Ap-proach)은 기억 심상(Engram)을 이루는 신경세포들에서 글루타메이트(Glutamate)의 분비가 강화된 것을 관찰되었다.
이러한 연구보고들을 종합하여 보면, 기저 측 편도체(Basolateral Amygdala) 내 기억 심상(Engram)의 재활성(Reactivation)은 긍정적 또는 부정적 자극을 의미하는 청각 자극과 연관이 되어있으며, 청각 자극의 회로(Auditory Pathways)에서 시냅스 장기강화(Long-term Potentiation)를 과정을 거쳐 일어난다 (그림 1).
한편으로는, 기저 측 편도체(Basolateral Amygdala)와 다른 뇌 부위 간의 상호작용을 통한 기억 재발(Memory Retrieval)에 대한 연구도 진행되어왔다. 앞서 다룬 내용들에서 기억 형성에 기저 측 편도체(Basolateral Amygdala)뿐만 아니라 네트워크를 형성하는 다른 뇌 부위들도 신경망 진동을 통해 중요한 역할을 하는 것을 소개하였다. 주된 부위로는 내측 전전두엽(Medial Prefrontal Cor-tex)과 배측 해마(Dorsal Hippocampus)가 연구되어 왔다. 관련 연구를 살펴보면, 언급된 뇌 부위들과 기저 측 편도체(Basolateral Amygdala)간에 세타 진동수(Theta Frequency)의 동조화(Synchronization)가 기억 재발(Memory Retrieval) 과정 동안 관찰되었다.
7. 감정 기억 소멸(Emotional Memory Extinction)에 관련된 기저 측 편도체(Basolateral Amygdala)의 시냅스 가중치(Synaptic Weights)와 광범위 동조화(Long-range Syn-chrony)의 변화
감정 기억 소멸의 기전 연구는 여러 면에서 중요성을 지닌다. 극한 상황에 기인한 스트레스성 기억은 정신질환으로 까지 발전된 수 있으며, 이러한 질환 치료의 기반을 위해 기억 소멸 연구가 역할을 하며, 기억 자체의 형성과 재현 그리고 소멸의 과정을 연구하는 것은 뇌 기능에 대한 이해를 높이는 측면에서 중요하다. 감정 기억 소멸은 감정 기억에 대한 조건화 자극(Conditioned Stimuli)을 비조건화 자극(Unconditioned Sitmuli)에 반복적으로 노출시키는 경우에 일어난다. 기억 소멸에 대한 기전은 크게 3가지로 주장되어왔다. 첫째, 기억 형성 과정에서 강화된 흥분성 시냅스(Potentiated Pyramidal Neurons’ Synapses)가 탈강화 현상(Depotentiation or Long-term Depression)을 보인다. 둘째, 억제성 신경세포(Inhibitory Neurons)들의 시냅스 강화(Long-term Po-tentiation) 현상이 일어난다. 셋째, 억제성 시냅스 전파(Inhibitory Synaptic Transmission)가 강화 현상을 보인다 (그림 1).
그림 1. 형성된 기억의 회상과 기억의 소멸. 기억의 회상과정에는 형성된 기억에 관여하고있는 신경세포 집단의 재활성과 신경망 진동이 특이적으로 관찰되며, 기억의 소멸과정에서는 흥분성 신경세포 집단과 억제성 신경세포 집단의 활성도가 반대로 일어나며, 기억 회상때와는 다른 신경망 진동을 보인다.
전체적으로, 억제성 시냅스의 강화 현상(Inhibitory Synapses Potentiation)이 기억 소멸(Memory Extinction) 기전을 강하게 설명하고 있으며, 억제성 시냅스의 강화 현상에 대한 세포성 기전(Cellular Mechanism)이 제시되어오고 있다. 그러나, 억제성 신경세포인 GABAergic 신경세포들의 어떤 종류들이 기억 소멸(Memory Extinction)과정에 관여하는 지는 여전히 연구가 더 필요한 상황이다.
특히, 공포 기억 소멸(Fear Extinction) 과정은 기저 측 편도체(Basolateral Amygdala) 신경세포들의 조건화 자극(Conditioned Stimuli)에 대한 반응성에 두드러지게 변화가 일어나는 것을 볼 수 있다. 일련의 연구결과들은 공포 기억 담당 신경세포군(Fear Neurons)과 공포 기억 소멸 담당 신경세포군(Extinction Neurons)으로 나누어 설명을 한다. 이러한 신경세포군들의 조절은 공포
기억 소멸의 발현(Fear Extinction Expression)을 관장한다. 또한, 각 신경세포군들은 서로 다른 내측 전전두엽(Medial PreFrontal Cortex)의 하부구조와 연결이 되어 있는 것이 밝혀져 있다. 내측 전전 두엽(Medial PreFrontal Cortex)의 한 부부인 변연계 위 피질(Prelimbic Cortex)은 공포 기억 담당 신경세포군(Fear Neurons)과 연결이 되어있으며, 변연계 아래 피질(Infralimbic Cortex)은 공포 기억 소멸 담당 신경세포군(Extinction Neurons)과 연결이 되어 있다.
다른 기전 설명으로는 신경망 진동(Network Oscillation) 현상이 다루어져 왔다. 기억 소멸(Fear Ex-tinction) 과정 동안 쎄타 진동 동조화(Theta Synchronization)가 해마의 CA1과 내측 편도체(Lateral Amygdala) 사이에서 감소되는 것이 관찰되었다. 또한 내측 전전두엽(Medial PreFrontal Cortex)에서 내측 편도체(Lateral Amygdala)로의 방향성을 가진 쎄타 진동(Theta Frequency)이 특이적으로 관찰되었다. 기저 측 편도체(Basolateral Amygdala)의 감마 진동폭(Theta Power)이 기억 소멸(Fear Extinction) 과정과 함께 증가하며, 감마 진동(Theta Oscillation)이 내측 전전두엽(Medial PreFrontal Cortex)과 함께 동조화(Synchronization)되어 강화되는 현상이 관찰되었다.
보고된 연구결과들을 종합하여 보면, 기억 소멸(Fear Extinction)의 기전은 장기적인 시냅스 가소성(Long-term Synaptic Plasticity)과 신경망 진동현상(Network Oscillation)이 관련되어 있으며, 다양한 회로와 GABAergic 세포들의 역할이 관여한다.
8. 결론
기저 측 편도체(Basolateral Amygdala)에서 감정 기억의 습득은 기억 심상 형성(Engram For-mation)을 유도한다. 형성 과정에는 청각시상(Auditory Thalamus)과 청각피질(Auditory Cortext)에 기인하는 소리 조건화 자극이 기저 측 편도체(Basolateral Amygdala)의 흥분성 신경세포(Pyramidal Neurons)들을 활성화시킨다. 이러한 활성화는 시냅스 장기 강화(Long-term Synaptic Potentia-tion)를 유도하며, 조건화 학습 시 공간(Context)에 대한 정보 또한 해마(Hippocampus)를 통해서 자극을 받게 된다. 기억 심상(Engram)을 이루는 신경세포군의 시냅스 활성은 GABAergic 억제성 신경세포(Inhibitory Neurons)들의 상호작용이 관여한다. 습득된 기억은 기억 강화(Memory Con-solidation) 단계로 이어지는데, 기억 강화(Memory Consolidation) 과정은 크게 초기와 후기로 나누어 볼 수 있다. 이러한 과정들은 RNA 의 활성과 단백질 합성(Protein Synthesis)이 포함되며, 특히 느린 파장 수면(Slow-wave Sleep)과 빠른 눈동자 움직임 수면(Rapid Eye Movement Sleep)이 기억 강화(Memory Consolidation)에 역할을 하는 것이 밝혀져 있다. 기억 회상(Memory Retrieval) 단계에서 두드러지는 현상으로 기저 측 편도체(Basal Lateral Amygdala)와 다른 뇌 부위 간의 신경망 진동현상(Network Oscillation)이라 말할 수 있다. 쎄타 진동의 동조화 현상(Theta Synchro-nization)과 감마 진동의 동조화 현상(Gamma Synchronization)을 가지고 기억 회상(Memory Re-trieval) 기전과 기억 소멸(Memory Extinction) 기전을 설명하는 연구들이 뒤를 이어오고 있다 (그림 2).
그림 2. 기억 형성 및 강화 과정(Memory Formation and Consolidation Process). 조건화 학습을 통해서 조건화 자극과 비조건화 자극은 뇌 부위의 흥분성 신경세포 그룹을 활성화시키고, 초기와 후기로 나뉜 기억 강화 과정을 통해 장기 기억으로 전환된다.
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박성모(2018). 감정 기억의 저장과 회상을 관장하는 편도체(Amygdala)의 신경회로에서 시냅스 가소성(Synaptic Plasticity), 기억 심상(Engram)과 신경망 진동(Network oscillation)의 중요성. BRIC View 2018-R27. Available from http://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=report&id=3096 (Nov 06, 2018) |
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