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연구성과 생명과학
뇌의 타고난 순간 의사 결정 돕는 뇌 회로 원리 규명
Bio통신원(한국연구재단)
- 등록2024.10.02
- 조회1167
극한의 상황에서 순간 의사 결정을 도울 수 있는 새로운 뇌 회로 원리가 규명돼 주목된다.
한국연구재단(이사장 이광복)은 김정진 박사(한국과학기술연구원 뇌과학연구소) 연구팀이 위협적인 상황에서 여러 행동 선택지들이 충돌할 때 특정 행동을 선택하게 하는 새로운 대뇌 피질과 시상 사이의 신경 회로 및 세포 메커니즘을 규명했다고 밝혔다.
인간을 포함한 동물은 극한의 상황들에서 여러 자극들에 의해 촉발되는 무수한 결정의 순간들을 동시에 맞게 된다. 이러한 순간에 빠르게 올바른 결정을 내리는 것은 생존에 무엇보다 중요하다.
이를 위해서는 짧은 시간 내에 주변의 자극 및 상황들을 통합적으로 판단하고, 동시에 위험을 최소화하면서 이득을 극대화하는 복합적인 의사 결정이 필수적이다.
그러나 기존 연구들은 대체로 학습된 하나의 행동을 조절하는 메커니즘을 밝혀내는 것에 집중돼 있어 둘 이상의 행동 사이에서의 갈등, 특히 본능적 행동을 선택하는 메커니즘에 대한 연구는 상대적으로 미진했다.
연구팀은 여러 선택지가 동시에 주어졌을 때 빠른 시간 안에 특정 행동의 방향을 결정하는데 있어 전대상피질-시상핵 회로가 중요하다는 것을 밝혔다.
광섬유 이미징, 초소형 뇌심부 광이미징, 광유전학 등의 다양한 최신 신경 연구 기법들을 활용해 의사 결정 관련 신경 코딩법을 새롭게 발굴하고, 이를 통해 전대상피질-시상핵 회로를 조절하면 행동 선택의 편향 정도 및 방향이 바뀔 수 있음을 알아냈다.
또한, 전사체 분석을 통해 억제성 신경 세포인 뉴로텐신(Neurotensin) 신경 세포를 전대상 피질에서 발견, 이 신경 세포가 전대상피질-시상핵 회로의 의사 결정 정보 출력을 조절하여 행동의 편향을 조절할 수 있다는 것도 최초로 규명했다.
이번 연구성과는 충돌하는 결정의 순간들에서 빠르게 행동을 선택해야 하는 의사 결정 과정에 전대상피질-시상 회로가 관여함을 최초로 밝힌 연구로, 자폐 스펙트럼 장애, 강박-충동 장애 등 뇌질환에서 자주 관찰되는 비적응적 행동 편향 증상을 이해할 수 있는 새로운 메커니즘을 제시했다는 데 큰 의의가 있다.
김정진 책임연구원은 “극한의 상황에서 인간이 적절한 의사 결정을 내려야 할 때, 의사 결정을 보조해 줄 수 있는 뇌제어 기술로도 확대될 수 있을 것이라 기대된다”고 덧붙였다.
과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구, 미래뇌융합기술개발사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 생명과학 분야 국제학술지 ‘커런트 바이올로지(Current Biology)’에 8월 5일 게재되었다.
주요내용 설명
<작성 : 한국과학기술연구원 김정진 책임연구원>
논문명
Neurotensin-specific corticothalamic circuit regulates innate response conflict
저널명
Current biology
키워드
neurotensin (뉴로텐신), anterior cingulate cortex (전대상피질), corticothalamic circuit (피질-시상 회로), innate response conflict (본능 행동 갈등), behavior bias (행동 편향)
DOI
10.1016/j.cub.2024.06.068
저 자
박근홍 박사 (제1저자/한국과학기술연구원),
박용준 학생 (제1저자, 한국과학기술연구원),
양슬기 학생 (공동저자/한국과학기술연구원),
조윤정 박사 (공동저자/한국과학기술연구원),
알마스 세리코프 학생 (Almas Serikov) (공동저자/한국과학기술연구원),
정다정 박사 (공동저자/한국과학기술연구원),
서동찬 학생 (공동저자/한국과학기술연구원),
이승은 박사 (공동저자/한국과학기술연구원),
남민호 박사 (공동저자/한국과학기술연구원),
김대수 교수 (공동저자/한국과학기술원),
김정진 박사 (교신저자/한국과학기술연구원)
1. 연구의 필요성
○ 위협적인 상황에서 빠르게 올바른 결정을 내리는 과정은 동물의 생존에 필수적임. 이를 위해서는 주변의 상황을 인지한 후, 상황에 맞는 적절한 행동을 선택하는 의사 결정이 이루어져야 함
○ 의사결정 과정에 관한 기존의 연구들은 대체로 학습된 하나의 행동을 조절하는 메커니즘을 밝히는데 집중하였음. 그로 인하여 둘 이상의 행동 사이에서의 갈등, 특히 본능적 행동을 선택하는 메커니즘에 대한 연구는 상대적으로 미진하였음
2. 연구내용
○ 먼저 본 연구를 위하여 연구팀은 기존의 위협 자극 패러다임에 섭식 행동이라는 선택을 추가한 위협-섭식 행동 모델 (Loom-Feed test)를 고안함
○ 섬유광도측정법을 이용하여 전대상피질-시상핵으로 연결되는 흥분성 신경세포 (Excitatory neuron)의 활성이 의사결정이 편향 (Biased) 된 경우 감소함을 관찰하였고, 광유전학을 이용하여 해당 흥분성 신경세포의 활성을 억제한 결과 행동의 편향이 실제로 일어남을 확인함. 또한, 초소형 칼슘 이미징 기법을 활용하여 시상부위에서 단일 세포 수준에서 관찰되는 행동 시작 관련 활성 증가 패턴이 행동 편향이 증가할 때 감소함을 추가로 규명함
○ 추가로 전대상 피질에서 시상으로 신호 출력을 조절하여 행동 선택을 조절하는 상위 신경 세포를 발굴하고자 함. 피질의 피라미드 뉴런은 피질 내 억제성 신경세포 (Inhibitory interneuron)에 의해 활성이 조절된다고 알려짐. 해당 억제성 신경세포의 종류를 확인하기 위하여 이중 역추적 (Dual-order Tracing) 기법을 활용하여 시상으로 출력을 내보내는 전대상 피질의 세부 연결관계를 확인할 수 있었음. 이에 더해, 번역 중 리보솜 결합력 정제 (translating ribosome affinity purification; TRAP)을 통한 전사체 분석을 통하여 해당 억제성 신경세포가 뉴로텐신 (neurotensin; Nts)를 발현하는 세부 세포 집단임을 확인함.
○ 마지막으로, 뉴로텐신 발현 억제성 신경세포가 실제로 전대상피질-시상핵 회로를 구성하는 흥분성 신경세포의 활성을 조절하고 행동에 영향을 미칠 수 있는지 확인하기 위하여 광유전학을 활용하여 뉴로텐신 발현하는 억제성 신경 세포만을 특이적으로 활성을 증가시킨 결과 실제로 행동의 편향이 일어남을 확인함.
3. 연구성과/기대효과
○ 본 연구는 상충되는 결정을 내려야하는 순간에 빠르게 행동을 선택하는 의사결정 과정에서 전대상피질-시상 회로가 관여함을 최초로 밝힌 연구임.
○ 행동 편향은 자폐 스펙트럼 장애, 강박-충동 장애 등 다양한 뇌질환에서 자주 관찰되는 증상 중 하나로, 해당 비적응적 행동을 이해할 수 있는 새로운 메커니즘을 제시했다는데 큰 의의가 있음.
○ 또한, 인간의 정확한 의사결정이 필요할 때, 의사 결정 과정을 보조할 수 있는 뇌 제어 기술로도 확대될 수 있을 것이라고 기대함.
(그림1) 대뇌피질-시상핵에 의한 행동 편향 조절 메커니즘
동물은 갈등의 정도를 평가하고 행동을 상황에 맞게 선택한다. 대뇌피질의 억제성신경세포는 대뇌피질 하위에 분포해있는 시상 출력 흥분성 신경세포의 활성을 낮출 수 있다. 전대상 피질로부터 시상으로의 출력 활성 감소는 시상 세포의 활성 감소로 이어지고, 이는 행동 선택의 불균형을 가져온다. 반대로 두 가지 행동을 비등한 확률로 선택해야 할 때는 억제성 신경세포의 활성이 낮아져, 시상에서의 행동 시작 관련 활성 비율을 유지시켜 다양한 행동 선택지를 가능하게 한다.
그림설명 및 그림제공 : 한국과학기술연구원 김정진 책임연구원
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