[대학원생의 건강을 위한 탑저널 최신 해외 동향 - Neuroscience 분야] 기쁨이? 기쁜 것에 관심 있는 신경세포를 발견했습니다
기쁨이? 기쁜 것에 관심 있는 뇌세포들을 발견했습니다.
그림 1. 뇌 표면에서 발견한 감정 관련 생각을 처리하는 세포 (모식도), 밝은 생각에 관심 있는 뇌세포 (노란색 원) 슬픈 생각에 관심 있는 뇌세포 (파란색 원).
미국 연구진은 세포 수준의 전기신호를 읽어낼 수 있는 전극을 환자의 뇌 표면에 두고, 마취 중에 깨어있는 환자에게 말을 들려주면서, 뇌 전기 신호를 단일세포에서 얻어냈다. 다양한 말을 들려주면서, 세포가 반응하는 "의미 그룹 (의미 군)을 찾아냈다.1
밝은 생각과 슬픈 생각에 관심 있는 세포가 발견되었습니다.
그런 단어를 들으면, 소리가 아닌 뜻에 반응하였습니다.
그것이 끝이 아닙니다.
달리기와 걷기, 던지기에 관심 있는 신경세포도 발견되었습니다. 움직임과 관련된 것이지요.
케이크, 샐러드에 관심 있는 세포도 발견되었습니다. 음식 관련 의미에 반응하는 세포입니다.
또 다른 의미그룹에 관심 있는 세포들이 발견되었습니다.
이 신경세포들은 모두 그 소리를 듣고 뜻으로 반응했습니다!
이것을 발견했습니다.
미국 연구진들이 2024년 7월 아주 미세한 신경세포단위에서 의미 수준의 전기신호를 측정해 냈습니다. 특히, 영어로 된 말을 환자에게 들려주고, 특정 세포가 특정 분류의 단어에 반응하는 것을 밝혀낸 것입니다.1
원래 뇌에서 전기신호를 측정하는 것은 신경외과에서는 일반적인 일입니다. 일반적으로 뇌 수술을 할 때는 잠자는 마취를 하지만, 종양 수술을 할 때에는 잠을 안 자는 마취를 하게 됩니다. 그럼 환자와 의사가 서로 이야기도 하고, 이런 연구도 할 수 있지요. 이번 연구는 계속 연구진이 환자에게 말을 걸면서 환자의 뇌세포 반응을 본 것입니다.
질병 중에서, 뇌에 전기적인 문제가 발생하는 경우에는 직접 전극을 뇌에 넣어 그 신호를 측정하는데요. 특히 몸을 부르르 떨게 되는 경련 환자의 경우, 수술을 꼭 해야 하는 경우에는 뇌에 전기 신호를 측정하는 부드러운 네모 형태의 종이 같은 전극을 넣게 됩니다.2
현재까지 사용되는 환자용 전극은 (그림 2), 뇌의 매우 넓은 영역에서 신호를 받아들이기 때문에, 수술에 필요한 대략적인 뇌의 상태만 보여줄 수 있었지요. 당연히 세포 수준은 아니고, 엄청나게 많은 세포들이 내는 강력한 신호를 볼 수 있을 뿐이었습니다.
그림 2. 실제 환자의 뇌 표면에 들어간 전극의 모양(25개 전극의 모습).
하나의 전극이 약 5mm의 지름을 가지고 여러 전극이 하나의 판(array)을 이룬다. 하나의 전극판은 약 4~5cm의 가로세로 길이를 이룬다. 얇은 플라스틱과 같은 부드러운 물질로 위의 전극들이 하나의 판을 이루고 있다(저자가 직접 전극 형태를 추출하여 그림 제작).
fMRI에서 보이던 멋진 것을 보여줘!
이렇게 커다란 전극으로는, fMRI상에서 확인한 커다란 선명한 글자를 보기는 어려울 것입니다.3 눈에 들어온 글자가 머리 뒤통수에 존재하는 시각피질에 정확히 보이는 현상은, 다양한 연구를 촉발했습니다. 이러한 해상도의 문제 때문에, 그동안 시각피질에 대한 연구는 상대적으로 더욱 많이 이뤄진 반면에, 다른 뇌 피질의 연구는 쉽지 않았습니다.
알파벳을 “M”모양을 눈앞에 보여주고, MRI로 뇌를 찍어서 정확하게 “M”모양으로 반응을 한 것을 통해서 의미도 어떤 모양이 나타날 것으로 생각했습니다 (그림 3).3 이 때문에 의미와 관련된 다양한 fMRI연구가 있었으나, 해석 방법에 따라 다양한 오차가 있었습니다. 예를 들어, 죽은 생선 머리를 fMRI를 찍었더니 신호가 나타났다는 이상한 뉴스는 뇌에 대한 젊은 연구자들을 혼돈스럽게 했습니다.
그림 3. fMRI사진 모식도. 머리 뒤통수에 있는 시각피질 부근에 "M"형상이 나타난 것을 형상화한 그림.
실제 논문을 찾아보면 뇌가 접힌 것들을 분석하고 처리해야 실험대상의 눈으로 본 M형상이 머리 뇌혈관확장 (M형태)으로 나타난다.3
이렇게 단순한 모양은 뇌에서 바로 나타나기 때문에 알 수 있다고 하더라도, 의미단위에서 나타나는 뇌현상을 알기는 어려웠지요. 미국 연구진이 이번 연구에서 보여준 방법의 핵심은 단일 세포에서 정보를 읽어낼 수 있던 것입니다. 그다음은 다양한 방식으로 발견한 세포로 실험하는 것이었지요.
사실, 뇌수술 중에도 단일세포에 접근하는 것은 정말 위험하고 어려운 일입니다. 뇌세포의 위쪽으로는 다양한 막과, 혈관이 존재합니다. 또한 뇌세포의 아래쪽으로도 상황에 따라 다양한 혈관이 지나가기 때문에 단순하게 가느다란 바늘을 이용하여 측정한다는 것은 상당한 위험성을 내포합니다. 예를 들어 환자분에게 생명을 잃을만한 큰 사고가 나는 것과 같지요.
기쁨과 슬픔은 한 세포에 있나요?
아무튼, 이 단일세포들을 읽어내는 기술을 통해서 다양한 의미에 반응하는 세포들을 찾아낸 것입니다. 동작, 음식, 상태, 가족, 동물, 이름 등.. 다양한 개별 분류의 의미에 반응하는 세포가 있었습니다. 흥미로운 점은 적어도, 이 연구에서 밝혀낸 세포 그룹에서는, 동작과 음식에 대한 세포의 양이 많았다는 것입니다.
동작 뜻의 경우에는 “달리다”, “걷다”, “던지다” 이런 것에 반응하는 세포들이었습니다. 상태의 경우에는 감정과 관련된 “기쁨”, “슬픔”, “아픔” 등의 뜻의 단어에 반응하는 세포가 있었다고 합니다.
그리고, 연구에서 확인한 상당히 많은 신경세포들은, 특정 의미군(유사한 의미의 단어들)에 더 특이적으로 반응했다고 합니다. 또한 하나의 의미군에 반응한 세포들은 다른 의미군에는 반응을 안 했다고 합니다 (그림 4).
그림 4. 특정 의미의 소리에만 반응하는 신경세포 모식도.
특정 의미군의 단어소리에 반응한 세포들은, 다른 의미군의 소리가 들리면 반응을 하지 않았다. 의식이 깨어있어서 소리를 들을 수 있는 환자에게 말을 해주면, 음식에 해당하는 단어가 나올 때는 음식 관련 세포만 전기신호가 확인되었다.1
한글에도 같은 소리지만 다른 뜻을 갖는 단어가 있는 것처럼, 영어에도 소리가 같지만 뜻이 다른 것이 있습니다. 그 말이 전해지는 상황과 맥락에 따라 의미를 떠올리게 되는 것인데요.
“Son”과 “Sun”은 발음이 같아 혼동할 수 있는 예시로 소개가 되고 있습니다. 이런 경우에는 신경세포들의 반응이 소리 랑 무관하게 뜻에 반응했다고 합니다. 즉, 여기서 찾아낸 뇌세포들은 특정 소리에 대한 세포들은 아니었던 것입니다.
이러한 세포를 없앤다고 특정 뜻을 모두 모르게 될까요? 그것은 아직 알 수 없는 일이겠지만, 아닐 것으로 생각합니다. 우리의 뇌세포들이 네트워크를 이루고 있는 상태에서, 그 의미가 지나가는 세포를 찾아낸 것일 것으로 보입니다. 다시 말해서, 우리 뇌에는 특정 의미를 전달하거나 처리하는 뇌세포가 상당히 더 많이 있을 것이라는 것이지요.
우리가 특정 분야를 공부하는 것은, 이러한 뇌세포들의 기능을 좀 더 세분화하는 데 있다고 보입니다. 우리가 어떤 언어를 배우고, 특정 언어를 다음에 배우면 언어영역이 비슷한 곳에 존재한다고 합니다. 이 연구에서 특정 의미군에 반응하는 세포들을 찾은 것은 어쩌면 그 의미군 근처에서 세포들을 찾았을 수도 있고, 해당 세포들이 더 많아서 쉽게 걸려든 것일 수도 있겠습니다. 우리가 “동작”에 대한 단어에 좀 더 반응을 하는 것 때문에, 논문 제목을 쓸 때도 좀 더 동적으로 쓰는 게 아닐까 합니다.
뇌의 의미를 판단하는 구역을 좀 더 방대하게 연구를 해서, 동작과 음식 등에 대한 세포가 많이 발견된다면, 진화론적인 결론도 이를 수 있게 될 수 있겠습니다. 동작과 음식에 관심이 많은 인간이 좀 더 생존에 유리했다는 것일 수도 있지요. 우리는 이러한 세포들이 많기 때문에 글쓰기를 할 때도, 좀 더 추상적인 것보다는 동작과 음식에 대한 글쓰기를 써야 할 수 있겠습니다.
요즘 인공지능이 많이 연구되고 있는 시점에, 어쩌면 이러한 연구 결과는 당연히 예측 가능했던 것일 수 있습니다. 인공신경망의 중간 처리단계에서는 다양한 것들이 서로 분류되는 과정이 있는데, 단지 단일세포 관찰 기술을 통해서 해당 과정을 들여다본 것뿐 일 수 있습니다.
단일세포 기술을 통해서 인공신경망에서 분류하는 다양한 분류들이 걸려들 수 있다는 것이지요. 다음 단계는 단어의 뜻 범주를 넘어서서, 특정 스토리에 반응하는 신경세포, 특정 환경에 반응하는 세포 등 다양한 세포들이 발견될 수 있겠습니다. 단, 실험하는 방법이 좀 더 복잡해질 것으로 보입니다.
우리 모두 다른 뇌세포로 이뤄져 있습니다.
운동선수들은 어떨까요?
특정 운동자세 세포가 있을 것입니다. 야구 선수라면 세분화해서 던지는 자세에 대한 개별적인 신경세포가 있을 것 같습니다. 이러한 신경세포들은 개별 운동뉴런으로 연결이 되고, 이것은 척수로 넘어가서 다양한 신호를 내겠지요. 운동선수들은 척수로 내려가서, 팔과 다리로 가는 신경세포들도 좀 더 세분화되었을 수 있습니다.
피아노를 잘 치는 음악가는 어떨까요?
음색에 대한 세포, 절대음감에 대한 “도”에 대한 세포, “레”에 대한 세포도 있을 수 있습니다. 피아노의 주법에 대한 세포, 특정 곡에 대한 세포.. 다양한 세포들이 있을 것 같습니다.
법률가는 어떨까요?
특정 법이나, 다양한 사람에 대한 세포들이 더 많이 발견될 것 같습니다. 법을 다루면서 다양한 사람들과 직접 이야기를 해야 하기 때문일 수 있습니다.
우리가 연구하는 연구자로서 어떤 세포들이 있을까요?
우리가 연구하는 분야에 대한 다양한 의미의 신경세포가 많이 생겨나고 있을 것입니다. 해당 분야에 대한 의미가 흐르는 세포가 많아지는 것일 수 있습니다 (그림 5).
그림 5. 혹시 여러분의 뇌는 이런 세포들로 가득 채워져 있나요?
특정 뇌세포에 과도한 스트레스가 쌓이면 문제가..?
우리는 결국은 에너지보존 법칙을 따르게 됩니다. 우리가 먹는 에너지는 뇌에서 반드시 특정량을 쓰게 되고, 뇌에서 쓰는 에너지는 특정 세포들을 지나가야 합니다. 우리가 너무 한 가지에만 골몰하다 보면, 해당 신경세포에 에너지 대사가 몰리면서, 세포에 문제가 발생할 수 있겠습니다.
연구를 하는 이유는 행복하기 위해서가 아닐까요? 그렇지만 연구를 할 때 스트레스가 쌓이는 것은 피하기 어려울 때가 있습니다. 특정 세포들이 많이 만들어지더라도, 어쩌면 그 세포들을 너무 많이 쓰게 되면, 많이 쓰는 세포는 망가지고, 다른 세포들이 없어질 수도 있지 않을까요? 물론, 꼭 없어지지 않더라도, 많이 쓰는 의미세포로 바뀔 수도 있습니다. 그럼, 기존 많이 쓰던 뇌세포들이 좀 더 효율화가 될 수도 있겠습니다.
우뇌와 좌뇌에서 특정 뇌를 많이 쓰면 그것이 발달하는 것으로, 단순화하기보다는 세포로 생각해야 할 때입니다. 이제는 특정 세포들 많이 쓰면 그것이 발달하고… 너무 많이 쓰면 망가지지 않을까 생각도 해야 할 것 같습니다. 다양한 분야에 어느 정도의 관심을 열어두고 살면, 뇌를 건강하고 더 행복하게 살 수 있지 않을까 생각이 듭니다.
결론
오늘의 내용은, Nature에 발표된 뇌수술 중에 확인한 단일세포 수준의 신경세포들에 대한 내용이었는데요. 이 세포들이 "의미"에 반응하는 것을 다양한 방식으로 실험하며 분석하였다는 내용이 되겠습니다.
뜻에 반응하는 세포들... 신기하면서도, 어떻게 보면 당연하다는 생각도 듭니다. 이런 내용을 소개하면서, 뇌 전체 발달, 뇌 건강을 위한 고려할 점과 연구과정에서 스트레스 해소방법도 생각해 보았습니다. 누구나, 그리고 대학원생이면 반드시 가끔씩은 꼭 머리를 식혀야 한다는 것… 그것은 다른 생각을 하는 뇌 세포들도 가끔 써줘야 한다는 것이 아닐까요?
참고자료
1. Jamali, M. et al. Semantic encoding during language comprehension at single-cell resolution. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07643-2
2. Önal, Ç. et al. Complications of invasive subdural grid monitoring in children with epilepsy. J. Neurosurg. 98, 1017-1026 (2003). https://doi.org/10.3171/jns.2003.98.5.1017
3. Polimeni, J. R., Fischl, B., Greve, D. N. & Wald, L. L. Laminar analysis of 7T BOLD using an imposed spatial activation pattern in human V1. Neuroimage 52, 1334-1346 (2010). https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2010.05.005
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BRIC(ibric.org) Bio통신원(윤선진) 등록일2024.07.16