미래기술/미래전망/첨단산업

Nikkei Science_2016.06. 특집 (p32~53)

뇌 안의 GPS
공간인식의 열쇠를 쥐는 그리드 세포(Grid Cell)
May-Britt Moser / Edward I. Moser (노벨상수상 과학자부부의 해설)

뇌는 어떻게 우리들을 목적지까지 네비게이트하고 있는 것일까? 뇌의 네비게이션 시스템의 해명이 진행되고 있다.  
(“ Where am I ? Where Am I Going ?” )

전 지구측위시스템 (GPS)의 발명에 의해, 자동차의 운전과 항공기의 조정, 게다가 골목 안으로 들어가 길을 찾아가는 능력까지 뛰어나게 되었다. 그런데 이 GPS가 생겨나기 전에, 우리는 목적지까지의 길을 어떻게 알고 찾아갈 수 있었을까?

최근의 연구에 의해, 포유류의 뇌에는 GPS와 유사한 극히 정교한 추적시스템이 있어, 뇌는 이것을 사용하여 어느 장소에서 별도의 장소까지 우리를 이끌고 있는 것이 밝혀졌다.

스마트폰이나 자동차에 탑재되어 있는 GPS와 같이, 뇌의 추적시스템은 우리가 어디에 있고, 어디를 향하고 있는지를, 위치와 시간경과에 관한 다수의 시그널을 통합하여 판단하고 있다. 뇌는 통상 그러한 계산을 어렵게 해내고 있기 때문에, 우리는 그러한 것을 의식하지 못하고 있는 것이다. 길을 헤매거나, 부상이나 신경변성질환에 의해 네비게이션 기능이 손상되었을 때, 처음으로 우리는 이 지도 작제와 네비게이션 시스템이 얼마나 중요한지를 알게 된다.

자신이 어디에 있고 어디로 갈 필요가 있는가를 파악하는 능력, 즉 네비게이션 기능은 살아가기 위해서는 중요하다. 이 기능이 없다면 우리는 물론 타 동물도 식물을 찾거나 번식하는 것이 불가능 하다. 이러한 개체는 살아갈 수 없고, 그 결과 그 동물 종은 멸종되고 말 것이다.

타 동물과 비교하면 포유류는 극히 정교한 네비게이션 기능을 가지고 있는 것을 느낄 수 있을 것이다. 신경세포가 302개 밖에 없는 선충의 가에노라부디티스·엘레강스(Caenorhabditis elegans)는 후각만으로 반응하여 진로를 정하고 있고, 기울기가 많은 쪽 또는 적은 방향으로 진행해 간다.

사막 개미나 꿀벌 등의 약간 고등한 신경계를 가진 동물은 별도의 방법을 방법을 사용하고 있다. 그 하나가 「경로 적분」(경로 통합)이라고 불리는 뇌의 기능으로, GPS와 유사한 메카니즘이다. 즉  이동의 방향과 속도를 항상 모니터하여, 그것을 적산하여 현재 위치를 파악하고 있다. 이 계산은 물리적인 목표물 등 외부의 요인을 참조하지 않고 행하여진다.

척추동물, 특히 포유류는 더 많은 수단을 사용하여 환경 안에서 자기의 위치를 인지하고 있다. 포유류는 타 동물에 비해, 뇌가 만드는 주변환경의 지도, 즉 「뇌 안의 공간지도」에 크게 의존하여 네비게이션을 행한다. 뇌 안의 공간지도라 함은, 동물이 어떠한 환경의 어느 장소에 있는가를, 신경세포집단이 전기신호로 표현한 것이다. 이 지도는 주로 대뇌피질로 형성되어 있다고 생각되어 지고 있다. 대뇌피질은 주름진 뇌의 표층부로, 진화적으로는 상당히 최근에 발달한 뇌 영역이다.

이 지도가 어떻게 만들어지고, 이동의 경우에 어떻게 보정되고 있는지, 과거 수 십 년간에 이해가 깊어졌다. 주로 설치(齧齒)류를 대상으로 행하여진 근년의 연구에서, 뇌 안의 공간지도가 수 종류의 특수한 신경세포로 구성되어 있고, 이들 세포가 현재위치와 이동거리, 이동의 방향, 이동의 속도를 끊임없이 계산하고 있는 것이 밝혀졌다.

이들 다른 신경세포가 공동으로 움직이는 것에 의해, 지도가 만들어진다. 이 지도는 현 시점에서 도움이 될 뿐만 아니라, 장래의 사용에 대비하여 기억하여 보존하여 놓는 것도 가능하다.

Key concept
머리속에 만들어지는 지도

▶ 가로나 나무 등 주위의 표시에 대한 자신의 현재 위치를 파악하는 능력은 중요하다. 그것이 없다면 개인의 생존은 말할 것도 없고, 인류의 생존도 위태로워 진다. 
▶뇌의 심부에 있는 신경세포 네트워크가 협력하여, 주변환경을 표시하는 「뇌 안의 공간지도」를 작제하고 있다. 이 지도지도의 덕분에 우리들은 어느 장소에서 별도의 장소로의 이동루트를 찾아내는 것이 가능하다. 이들 신경세포는 마치 GPS의 움직임을 하고 있는 것이다.
▶루트 탐색에 관여하는 뇌 영역은, 새로운 기억의 형성과도 밀접하게 관련하고 있다. 이 영역의 신경회로가 기능부전에 빠지면, 알츠하이머병 환자가 경험하는 것과 같이 중도의 공간적 인식(見当識)장애를 일으킬 위험이 있다.

신경계의 놀라운 탐색능력
어느 동물 종도, 주변환경을 파악하여 자신이 어디로부터 현재 위치에 와서 어디를 가려고 하는지를, 대충으로라도 계산하는 능력이 생존에 필요하다. 진화한 동물의 대부분은 「경로 적분」시스템을 발전시키고 있고, 외부의 표식을 참조하여 현재위치를 확인하지 않고도 그러한 계산이 가능하다. 게다가 포유류에는 「뇌 안의 공간지도」를 이용하여 보다 고도한 해결방법을 갖고 있다.

▶기울기를 따름 : 선충의 가에노라부디티스·엘레강스(Caenorhabditis elegans)의 네비게이션 시스템은 아마도 가장 기본적인 시스템이다. 선충의 세계는 기울기에 따라 체계화 되어 있다. 신경세포가 302개 밖에 없는 선충은, 기울기가 강해지는 것을 감지하는 것으로 식물을 향해 진행한다.

▶뇌 안의 GPS : 곤충 등의 관절동물의 안에는, 진화의 과정에서 정교한 경로적분능력을 획득한 것들이 있다. 그것들은 이동의 속도와 방향을 체내에서 모니터가 가능하여, 경로를 보다 효율적으로 이동 가능한 별도의 루트를 찾아갈 수 있도록 되어 있다. 즉, 갈 때는 지그재그로 갔어도, 돌아올 때는 똑바로 돌아올 수 있는 것이다.   

▶뇌 안의 공간지도 : 포유류는 더욱 복잡한 루트탐색능력을 진화시켰다. 포유류의 뇌 안에서는 신경세포가 이동루트를 반영한 형태로 발화한다. 이들 신경망은 현실세계를 표시하는 「뇌 안의 공간지도」를 만들어내고 있다. 포유류는 과거의 이동을 기억하고 있고, 그것을 장래의 이동의 계획으로 사용한다.   

뇌는 어떻게 현재 위치를 알고 있는가?
포유류의 뇌는 외계의 공간적 배치를 반영한 인지지도가 있다는 생각이 최초에 등장한 것은 1930년 경의 일이다. 그 후, 그러한 지도의 작제에 관여하고 있는 세포 군이 특정되었다. 중요한 진전이 있었던 것은 1971년이다. 미국에서 태어나 영국에서 연구하고 있던 John O’Keefe 는, 무질서하게 돌아 다니던 실험 쥐가 특정의 장소를 지날 때에 발화하는 「장소세포」를 해마에서 발견했다.

2005년에는 저자 2명이 「그리드 세포」를 발견했다. 이 세포의 덕분에, 동물은 주위의 벽에 대한 자신의 위치 등, 환경 내에서 자신의 위치에 대한 감을 잡는 것이 가능하다. 개별의 그리드세포가 발화하는 장소는 복수가 있고, 정육면체의 정점을 구성하고 있다.

▶뇌 안의 공간지도의 형성 : 그리드세포의 발화에 의해 도로지도와 비슷한 지도가 형성된다. 이 그리드세포와 환경 내에서 동물의 위치를 특정하는 장소세포에 의해, 주위 환경을 나타내는 뇌 안의 공간지도가 완성된다.

뇌 안의 GPS 의 구조
인간의 뇌의 네비게이션 기능은, 내측 측두엽이라고 불리는 영역의 심부에 있다. 내측 측두엽의 두 가지 영역, 후내피질 (嗅內皮質)과 해마(海馬)가 뇌 안의 GPS 의 중요한 구성요소이다. 후내피질의 특수한 세포의 네트워크가, 포유류의 뇌의 루트탐색 시스템에 복잡성을 가져오는 하나의 원인으로 되어 있다.

▶해마에 메시지를 전함 : 후내피질은 이동방향과 이동거리에 관한 그리드 세포로부터의 정보를 해마에 보내고 있다. 복수의 경로를 사용하여 정보를 해마영역에 전달할 수 있다. 해마는 장래의 이동을 계획하는데 적합한 뇌 안의 공간지도를 만들어 낸다.  

▶사이즈가 다른 그리드 : 그리드 세포시스템을 자세히 조사한 결과, 공간지도를 형성하는 정육각형의 사이즈가 후내피질의 상부로부터 아래로 향하면서 크게 되어 있는 것이 판명되었다. 사이즈가 크면 격자 점의 간격도 크다. 후내피질의 최 상단부에서는 어느 격자 점에서 그리드세포가 발화하고 나서 쥐가 30~35cm 이동하면 인근의 격자 점에 겨우 도착하고 세포가 다시 점화한다. 이 이동거리는 수m가 된다.

▶여러 신경세포가 관여 : 설치(齧齒)류의 후내피질에서 최근 발견된 새로운 세포는, 개체의 머리가 향한 방향이나 이동의 속도, 벽이나 장애물까지의 거리에 대한 정보를 해마에게 전달하고 있다. 이들 세포의 출력이 합쳐져서, 동물의 주변환경을 나타내는 복합적인 지도가 생겨난다. 


-- 공간의 신경과학 --
뇌 안의 공간지도의 연구는, 캘리포니아 대학 바클레이교에서 1918년부터 1954년까지 심리학의 교수로 근무했던 Edward C. Tolman에 의해 시작 되었다. 그의 연구 이전에는, 쥐의 실험에서 동물은 루트상의 각 지점에서 경험한 자극에 반응하여, 그것을 기억하는 것에 의해, 진로를 찾아낸다고 생각하고 있었다.

예를 들면 쥐가 미로를 달려 빠져 나오게 되는 것은, 입구와 출구 사이에 존재하는 각 교차점을 어느 쪽으로 꺾었는지를 기억하고, 그 순서를 기억해내고 있다고 생각했었다. 그러한 생각은, 쥐가 미로의 전체상을 머리 속에 그려놓고 최적의 루트를 계획하고 있을 가능성을 고려하지 않고 있었다.

Tolman은 이 통설을 뒤집었다. 그는 쥐가 미로에서 가까운 길과 돌아가는 길을 선택하는 것을 알게 되었다. 만일 쥐가 우회전 좌회전 등의 순서만을 학습하고 있어서는, 이러한 행동을 취하는 것은 생각할 수 없다. 그는 이 관찰결과에 근거하여 동물은 외부의 공간적 배치를 반영한 지도를 뇌 안에서 만들고 있는 것이라고 제창했다. 이러한 「인지 지도」는 루트의 탐색에 도움을 줄 뿐만이 아니라, 특정의 장소에서 동물이 경험한 사건에 관한 정보도 기억하고 있다고 생각할 수 있다.        
             

1930년경에 제안된 Tolman의 설에는, 수십 년에 걸쳐 이론이 그치질 않았다. 받아들이기까지 시간이 걸렸던 하나의 요인은, 그의 설이 실험동물의 행동의 관찰만으로 근거한 것에 있었다. 동물의 행동은 여러 가지로 해석될 수 있다. 동물의 뇌 안에 환경의 인지지도가 실재하고 있는지 아닌지를 조사하기 위한 아이디어도 도구도 Tolman은 갖고 있지 않았었다.

이러한 인지지도의 존재를 나타내는 직접적인 증거가 신경활동의 연구에서 확인 되기까지에는, 약 40년이 걸렸다. 우선 1950년대에 미소전극의 개발이 진행되고, 각성된 동물의 개개의 신경세포의 전기적 활동을 관찰할 수 있게 되었다. 아주 가는 전극을 사용하면, 활동 중의 동물의 단일신경세포의 「발화」,즉 활동전위의 발생을 확인이 가능하다. 활동전위는 신경세포의 세포막에 생기는 전위의 일시적인 변화의 것으로, 이것으로 인해 신경세포는 신경전달물질을 방출하고, 다른 신경세포에 시그널을 전달한다.

영국 런던대학 University College의 John O’Keefe는 미소전극을 사용한 쥐의 해마에서 활동전위를 측정했다. 해마는 기억기능에 있어서 중요한 움직임을 하는 것이 전부터 알려져 있던 뇌 영역이다. 그리고 1971년, 상자에 들어 있던 쥐가 특정한 장소에 있을 때, 발화하는 신경세포가 신경세포가 해마에 존재하는 것을 보고하고, 이들을 「장소(場所)세포」로 명명했다.

오키프는 또, 상자내의 별도의 장소에서는 세포가 발화하는 것, 그리고 이들 장소세포의 발화패턴 전체가 상자 내의 공간지도를 만들어내고 있는 것을 알게 되었다. 다수의 장소세포의 활동을 전극을 사용하여 읽어냄으로써, 쥐의 정확한 위치를 언제라도 특정할 수 있었다. 1978년, 오키프와 동료의 Lynn Nadel (현재는 아리조나 대학)은 장소세포가 Tolman이 예상한 인지지도에 확실히 불가결한 요소라는 것을 제창했다.

-- 그리드 세포 --
장소세포의 발견으로, 대뇌피질의 가장 깊은 곳을 엿보는 창이 열렸다. 이들은 감각영역 (감각기관으로부터 입력을 받는 피질영역)과 운동영역 (운동을 개시·제어하는 신호를 발하는 피질 영역)으로 부터 제일 먼 장소에 있다. 오키프가 연구를 시작한 1960년대말, 신경세포가 언제 온·오프 하는 것을 알게 된 것은 , 신경활동이 빛이나 소리, 감촉 등의 감각입력에 의해 직접 제어되는 일차감각영역이라는 영역에 한정되어 있었다.

당시의 신경과학자는, 해마는 감각기관으로부터 너무 떨어져 있기 때문에, 해마가 감각입력을 어떻게 처리하는가를 미소전극의 기록으로 이해하는 것은 곤란하다고 보고 있었다. 그런데 뇌 안의 환경지도를 작제하는 세포가 해마에서 발견되었다는 것으로 이러한 견해는 없어져 버렸다.

장소세포의 발견은 주목할만한 가치가 있고, 장소세포가 네비게이션으로 어떠한 역할을 하고 있다는 것을 시사하고 있지만, 그 역할이 어떤 것인지는 발견으로부터 수십 년까지도 불명이었다.

장소세포는 해마의 「CA1 Field」라는 영역에 있다. 해마의 별도의 영역을 시점으로 하는 정보전달경로의 종점에 해당하는 영역이다. 그래서 장소세포는 다른 해마영역으로부터 네비게이션 관련의 중요한 계산결과를 받고 있었을 것이라고 생각되었다.

2000년대 전반, 우리들 저자 2인은 토론하임에 있는 노르웨이 과학기술대학이 설립한 새로운 연구실에서 Menno Witter와 대단히 창조적인 학생들과 함께, 쥐를 사용한 실험을 시작했다. 우선 장소세포에 정보를 제공하고 있는 것으로 알려진 「CA3 Field」로 불려지는 해마영역의 신경회로의 일부를 파괴하고 나서, 장소세포의 활동을 미소전극을 사용하여 관찰했다.

우리들은 이 실험에 의해, 장소세포가 적절하게 기능하기에는 CA3 Field의 회로가 불가결하다는 것이 확인될 것이라 예상하고 있었다. 그런데 놀라운 것은, 그 회로를 차단하여도 회로의 종점인 CA1 Field의 시경세포는 CA3 Field의 회로에 의존하지 않고, 쥐가 있는 장소를 파악하고 있다고 결론 낼 수밖에 없었다.

그리고 다음으로, 앞의 실험에서 차단하지 않았던 유일의 신경회로에 주목했다. 「嗅內皮質」과 CA1 을 직접 연결하는 경로이다. 후내피질은 해마에 인접하고, 해마와 다른 피질과의 연결을 담당하고 있는 영역이다.

2002년, 우리들은 미소전극을 쥐의 후내피질에 삽입하여, 장소세포의 실험과 같은 과제를 쥐에게 실행시키고 있을 때의 신경활동을 기록했다. 이것도 Witter와 공동연구였다. 전극을 삽입한 곳은, 이전의 연구에서 장소세포의 존재가 확인된 해마의 부위와 직접 연결되어 있는 후내피질 영역이다.

이 실험에서, 이 영역의 많은 세포가 해마의 장소세포와 같이 쥐가 자신이 있는 환경 중에서 특정한 장소에 있을 때에 발화하는 것이 판명되었다. 그런데 한나의 장소세포가 발화하는 것은 자신이 있는 환경 중에 1개소인 반면에, 후내피질 세포의 경우는 한 개의 세포가 복수의 지점에서 발화했다.

후내피질 세포의 특히 현저한 특징은 발화의 방법에 있었다. 그것이 분명하게 된 것은 2005년으로, 쥐가 움직이고 돌아다닐 공간을 크기를 넓혔을 때였다. 우리들은 하나의 후내피질 세포가 발화하는 지점을 연결하면 정육각형이 된다는 것을 인식하고, 이 세포는 쥐가 정유각형의 정점 또는 중심을 통과할 때 발화한다. 우리는 이 세포를 「그리드 (Grid/격자) 세포」로 명명했다.

    (이하 중략)

-- 후내피질의 지도 -- 

-- 그리드세포에서 장소세포에 --

-- 국소의 공간지도 --

-- 공간과 기억 --

-- 신 발견이 가져다 준 새로운 의문 --    
다른 많은 연구분야와 마찬가지로, 신 발견에 의해 새로운 의문이 생겨난다. 뇌 안의 공간지도의 존재는 알았는데, 그 지도를 구성하는 요소가 어떻게 협력하여 마무리된 위치표현을 만들어 내는 것일까? 그리고 그 정보가 다른 뇌 시스템에 의해 어떻게 읽혀져서, 목적지나 목적지까지의 루트가 결정되는 것인가를 더 깊게 이해할 필요가 있다.

그 외에도 의문이 있다. 해마와 후내피질의 신경회로는 국소공간의 네비게이션    기능 만에 한정되어 있는 것일까? 설치류의 실험에서는 반경 수m의 영역을 조사했을 뿐이다. 박쥐의 수백Km 에서 수천Km에 이르는 대륙비행 등, 장거리 네비게이션에도 장소세포와 그리드세포가 사용되고 있는 것인지?

게다가 그리드세포가 어떻게 하여 생기는 것인지, 동물의 성장과정 속에서 그리드세포가 형성된 특정의 시기가 있는 건지, 장소세포나 그리드세포가 포유류 이 외의 척추동물이나 무척추동물에도 존재하는 것이지 등의 의문이 이어진다.

무척추동물도 이러한 세포들을 사용하고 있었던 경우라면, 진화는 몇 억년도 이전부터 이 공간지도 작제시스템을 채용하여 온 것이 된다. 뇌 안의 GPS는 앞으로 몇 십년에 걸쳐서 새로운 연구의 실마리를 제공하여, 과학자의 연구는 계속될 것이다.  

   -- 끝 --