KAIST, 시각 정보에서 행동으로 변환되는 신경회로 규명
KAIST, 시각 정보에서 행동으로 변환되는 신경회로 규명
전두엽 억제성 신경회로 기능 규명, 주의력결핍과잉행동장애 치료 등 기대
  • 김지현 기자
  • 승인 2021.08.26 15:25
  • 댓글 0
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이승희 KAIST 생명과학과 교수(좌) 김재현 KAIST 생명과학과 박사(우). 사진=KAIST 제공/굿모닝충청=김지현 기자
이승희 KAIST 생명과학과 교수(좌) 김재현 KAIST 생명과학과 박사(우). 사진=KAIST 제공/굿모닝충청=김지현 기자

[굿모닝충청 김지현 기자] KAIST는 생명과학과 이승희 교수 연구팀이 시각 정보를 인식해 목표 지향적 행동을 결정하는 대뇌 전두엽의 신경회로 기전을 새롭게 규명했다고 26일 밝혔다.

이 교수 연구팀은 시각 피질과 상호작용하는 전측 대상회(전대상) 피질(Anterior cingulate cortex, ACC)의 억제성 신경회로가, 동물이 시각 정보를 인식하고 이에 맞는 정확한 행동을 개시하는 데 중요한 역할을 하고 있음을 밝혔다.

연구를 통해 포유류 전두엽 전대상 피질의 신경회로가 어떻게 시각 인지 행동 및 충동적 행동을 제어할 수 있는지 새롭게 규명해냈으며, 주의력결핍과잉행동장애(ADHD)와 같은 인지장애 및 충동성을 주 증상으로 하는 뇌 질환 치료에 적용될 수 있을 것으로 기대가 모아진다.

김재현 KAIST 생명과학과 박사가 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `네이처 뉴로사이언스 (Nature Neuroscience, IF 20.071)' 8월 19일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명 : Gated feedforward inhibition in the frontal cortex releases goal-directed action)

전대상 피질의 시각-운동 억제성 회로의 기능에 대한 일러스트=KAIST 제공/굿모닝충청=김지현 기자
전대상 피질의 시각-운동 억제성 회로의 기능에 대한 일러스트=KAIST 제공/굿모닝충청=김지현 기자

연구팀은 뇌가 시각 정보를 인식하고 상황에 맞는 행동을 결정하기 위해 받아들인 감각 정보를 적절한 운동 정보로 변환하는 활동이, 전대상 피질의 억제성 회로에 의해 이뤄짐을 밝혀냈다.

이에 뇌가 받아들인 시각 정보를 어떻게 운동 정보로 전달하는지 규명하기 위해, 시각 자극을 보면 물을 핥고 그렇지 않으면 물 핥기를 멈추는 목표 지향적 행동을 학습시킨 생쥐의 전대상 피질에 고밀도 실리콘 전극을 삽입해 생채 내 신경 신호를 측정·분석했다.

시각 자극을 보고 이에 맞는 행동을 수행하는 생쥐에 실리콘 다채널 전극을 삽입해 신경 신호를 측정하는 모식도. 사진=KAIST 제공/굿모닝충청=김지현 기자
시각 자극을 보고 이에 맞는 행동을 수행하는 생쥐에 실리콘 다채널 전극을 삽입해 신경 신호를 측정하는 모식도. 사진=KAIST 제공/굿모닝충청=김지현 기자

그 결과, 전두엽 전대상 피질 내에서 시각 피질로부터 정보를 받는 시각 반응성 신경세포들이 주변의 세포들을 억제할 경우 생쥐가 운동을 개시할 수 있음을 밝혔다.

또 약물적 방법을 이용해 생쥐의 전대상 피질의 활성 정도를 낮추자, 시각 자극이 주어지지 않았음에도 충동적으로 목표 지향적 행위를 지속하는 비정상적인 행동 양상을 보였다.

이를 통해 전대상 피질은 정상적인 감각-운동 변환 과정에서도 핵심적인 기능을 수행할 뿐 아니라, 시각 정보가 없을 때 운동 개시를 멈추고 기다려야 하는 충동 조절에도 중요한 역할을 하고 있음을 밝혔다.

전대상 피질에서 시각-운동 변환이 이뤄지는 신경 메커니즘에 대한 모식도. 사진=KAIST 제공/굿모닝충청=김지현 기자
전대상 피질에서 시각-운동 변환이 이뤄지는 신경 메커니즘에 대한 모식도. 사진=KAIST 제공/굿모닝충청=김지현 기자

아울러 연구팀은 바이러스 추적자, 광유전학, 다채널 전극 레코딩과 같은 신경 과학 최첨단 실험 기법을 활용, 전대상 피질 내의 신경세포 타입과 회로가 어떤 방식으로 시각 정보를 목표 지향적 운동 행위로 변환하는지에 대한 신경 메커니즘 원리를 최초 규명해냈다.

세부적으로는 전대상 피질에 시각 정보에 반응하는 시각 반응성 신경세포, 운동 개시를 억제하는 운동 억제성 신경세포, 시각 정보와 운동 개시에 반응하지 않는 나머지 신경세포들이 존재함을 확인했으며, 이와 같은 세 종류의 뉴런들의 신경 활성도는 생쥐가 시각 정보를 인지해 행동을 개시하는 반응 속도와 유의미한 상관관계가 있음을 규명했다.

특히 광유전학적(optognetics) 방법을 이용한 실험에서, 전대상 피질의 시각 반응성 뉴런들은 시각 피질로부터 신경 정보를 직접 전달받음을 확인했고, 광 자극으로 해당 신경 회로를 활성화할 때 시각 자극이 없어도 생쥐의 목표 지향적 행동을 유발할 수 있음을 증명했다.

이승희 교수는 "이번 연구 결과는 주의력결핍과잉행동장애 및 조현병과 같은 질병에서 전대상 피질이 정상적으로 작동하지 못할 때 나타나는 행동 장애를 치료하기 위한 정밀한 신경회로 타겟을 제시했다ˮ라고 말했다.

한편, 이번 연구는 한국 연구재단 및 KAIST 글로벌 특이점 프로그램의 지원을 통해 수행됐다.


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