생명과학과 이승희 교수 연구팀이 시각 자극이 행동으로 전환되는 신경회로의 기전을 규명했다. 이번 연구는 지난 8월 19일 <네이처 뉴로사이언스(Nature Neuroscience)>에 온라인 게재됐다. 해당 뇌 신경회로 기능을 조절할 수 있는 신경 조절 인자를 발굴하게 되면, 주의력결핍과잉행동장애를 앓는 환자들을 치료하는 데 큰 도움이 될 것으로 보인다.

시각 정보에 따른 행동 결정

    인간을 포함한 포유류의 뇌는 외부 자극에 따라 정확하게 행동을 결정할 수 있는 능력을 지니고 있다. 시각 정보에 따라 행동을 제어하는 것은 매우 중요한 학습 능력 중 하나다. 신호등을 보고 길을 건널지 말지를 결정하는 것도 시각 정보에 의한 행동 결정의 한 예시다. 집중조절 장애를 앓는 이들은 이런 능력이 결여되어 적절한 판단을 내리지 못해, 과도하고 충동적인 행동을 보이게 된다.

물 핥는 행동 추적을 통한 분석

    연구팀은 생쥐의 대뇌 피질에서 신경 회로가 어떻게 시각 정보를 인식하여 행동 결정을 내리는지를 연구했다. 이를 위해 먼저 머리를 고정한 생쥐가 시각 자극이 나타나면 물을 핥는 행동을 수행할 수 있도록 훈련했으며, 시각 자극과 생쥐의 반응은 컴퓨터에 자동으로 기록되도록 했다. 또한 물 핥는 행동을 맞추었을 때 물 보상을 줌으로써 생쥐를 훈련했다. 이러한 생쥐의 전대상 피질 (anterior cingulate cortex)을 실험적으로 불활성화 시키면, 생쥐가 시각 자극이 없이도 충동적으로 물 핥는 행동을 보여, 정확한 맞춤 행동을 보이지 못하였다. 시각 정보에 따른 학습된 행동 개시에 중요한 전대상 피질 내 신경 회로의 기능을 확인하기 위해, 행동하는 생쥐의 대뇌 피질에 32채널로 전기적 신호를 측정할 수 있는 실리콘 전극을 삽입하고, 시각 피질(visual cortex)과 전대상 피질영역에서 신경 활성을 측정했다. 또한 피질 간 연결 회로를 규명하기 위해, 생체 내 신경회로를 추적할 수 있는 바이러스 추적자를 활용하여 시각 피질과 전대상 피질이 연결되어 있음을 확인했다.

    분석 결과 전대상 피질에 있는 억제성 신경세포는 시각 피질에서 유입된 신경 신호를 받아 주변의 운동성 신경세포를 억제하고, 이 운동 뉴런의 억제로 선조체 뉴런은 활성화 되었다. 연구팀은 이러한 전대상 피질의 신경 회로를 광유전학을 활용하여 직접 활성화했을 때 생쥐가 마치 시각 자극을 보고 물을 핥는 것과 같은 행동을 보인다는 사실을 발견했고, 이 회로가 시각 정보를 행동으로 변환하는 신경회로임을 밝혀냈다.

충동적 행동의 원인

    연구팀은 시각 정보가 행동으로 전환되는 기전을 규명하다, 시각 정보 없이도 행동이 유발되는 경우를 발견했다. 연구팀은 분석 끝에 자극 없이도 자발적인 신경 신호가 나타나는 경우를 발견했고, 이것이 충동적 행동 유발과 관련한 신경 신호라는 것을 확인했다.

    이 교수는 행동하는 생쥐의 피질에서 다채널 전극을 통해 신경 신호를 측정하는 레코딩 시스템을 처음 연구실에 도입하면서 해당 회로의 기능을 규명하기까지 약 4년이 소요되었다고 언급했다. 또한 “연구자의 길로 진학하고자 하는 학부생이나 대학원생들도 긴 연구 호흡에 지치지 않고, 끝까지 도전하며 그 과정을 즐길 수 있는 연구자가 되길 기원한다”라는 소망을 밝혔다.