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과거 기억과 최신 기억 사이에서 인출을 조절하는 신경회로 메커니즘

현대 사회의 빠른 변화에 적응할 수 있는 이유는 우리 뇌의 기억 업데이트 능력 덕분입니다. 기억 업데이트란 기존에 알고 있던 지식에 새로운 경험을 통합하는 과정으로, 과거의 정보를 완전히 지우지 않으면서도 최신 정보를 행동의 기준으로 삼게 해줍니다. 예를 들어 단골 식당에서 신메뉴가 나왔을 때, 이전의 맛을 기억하면서도 새로운 메뉴의 매력을 추가로 학습하여 선택하는 것과 같습니다. 이러한 기능은 우리가 급변하는 환경 속에서도 혼란을 겪지 않고 가장 적절한 선택을 할 수 있도록 돕는 핵심적인 생존 기제라고 할 수 있습니다. 기억이 업데이트될 때 이전의 기억이 사라지지 않는다는 점은 신경생물학적으로 매우 흥미로운 주제입니다. 연구에 따르면 뇌 속에는 기억을 저장하는 세포 집단인 '엔그램'이 존재하며, 업데이트 후에도 초기 기억을 담당하던 엔그램은 뇌에 여전히 남아 있습니다. 즉, 하나의 대상이나 장소에 대해 성격이 다른 여러 기억이 공존하게 되는 것입니다. 과학자들은 이렇게 공존하는 여러 기억 중 뇌가 특정한 시점에 어떤 기억을 선택해 회상할지 결정하는 구체적인 메커니즘을 밝혀내기 위해 다양한 신경 회로 분석 기법을 동원하여 연구를 진행하고 있습니다. 최근 연구는 내측 중격에서 내측 내후각 피질로 이어지는 가바성 신경 회로가 업데이트된 기억의 회상에 결정적인 역할을 한다는 사실을 밝혀냈습니다. 실험 결과, 이 신경 경로는 단순히 기억의 저장을 돕는 것이 아니라 업데이트된 정보가 필요할 때만 특이적으로 활성화되는 양상을 보였습니다. 특히 해마와 밀접한 연관이 있는 내후각 피질로의 투사는 기억의 내용이 바뀌었을 때 이를 효과적으로 회상할 수 있도록 돕습니다. 이는 우리 뇌가 상황에 따라 최신 정보를 우선적으로 선택할 수 있게 하는 정교한 통제 시스템을 갖추고 있음을 시사합니다. 이 신경 회로의 가장 놀라운 특징은 마치 기억의 선택을 조절하는 '스위치'처럼 작동한다는 점입니다. 광유전학 기술을 이용해 해당 경로를 일시적으로 억제하자, 동물은 업데이트된 최신 기억을 망각한 것이 아니라 오히려 이전에 학습했던 초기 기억을 다시 떠올리는 행동을 보였습니다. 예를 들어 공포 기억이 보상 기억으로 업데이트된 상황에서 이 회로를 차단하면, 동물이 보상을 기대하는 대신 다시 회피 행동을 보이게 됩니다. 이는 특정 신경 회로의 활성 여부에 따라 우리가 어떤 과거를 회상할지가 실시간으로 결정될 수 있음을 증명하는 결과입니다. 기억의 선택적 회상은 해마 CA1 영역의 신경 활성 패턴 변화와 뇌의 리듬에 의해서도 조절됩니다. 내측 중격에서 유래한 신호는 해마 뉴런들이 형성하는 앙상블의 구성과 상관관계를 재조정함으로써, 특정 기억에 부합하는 활성 상태를 만들어냅니다. 또한 뇌의 온라인 및 오프라인 상태, 즉 뇌파의 리듬에 따라 이 회로의 활성도가 달라지며 이는 결과적으로 행동의 변화로 이어집니다. 결국 기억이란 고정된 데이터가 아니라, 신경 회로의 역동적인 조절을 통해 끊임없이 선택되고 재구성되는 생명 활동의 산물이라고 정의할 수 있습니다.

알츠하이머 모델에서의 기억 회상 결손과 엔그램 Un-silencing: AMPAR trafficking의 역할

기억은 감정, 장소, 운동 등 다양한 형태로 존재하며 우리 뇌의 특정 신경세포 집단에 물리적인 형태로 저장됩니다. 이를 엔그램(Engram)이라 부르며, 학습 시 활성화된 신경세포들이 기억을 회상할 때 다시 재활성화되는 과정을 통해 우리는 과거를 떠올리게 됩니다. 엔그램은 단순한 추상적 개념이 아니라 뇌 속의 물리적인 재현체로서, 특정 뉴런들의 활동 네트워크가 하나의 세트로 묶여 기억의 견고한 토대를 형성하는 생물학적 실체라고 할 수 있습니다. 기억이 형성된 이후 가장 중요한 요소는 필요할 때 이를 다시 끄집어내는 접근성입니다. 엔그램은 응고화 과정을 거쳐 뇌에 안정적으로 자리를 잡지만, 시간의 흐름이나 질병과 같은 요인에 의해 그 활성도가 변화할 수 있습니다. 특히 정보는 뇌 속에 저장되어 있으나 외부 단서에 적절히 반응하지 못해 기억을 인출하지 못하는 상태를 침묵 엔그램(Silent Engram)이라 정의합니다. 이는 기억 자체가 완전히 사라진 것이 아니라, 재활성화될 수 있는 민감성이 떨어진 잠복 상태에 머물러 있음을 의미합니다. 알츠하이머병 모델 마우스를 이용해 기억 결손의 원인을 분석한 결과, 인지 기능의 저하가 단순히 정보의 부재가 아닌 인출 과정의 장애에서 기인할 수 있음이 밝혀졌습니다. 연구팀은 RAM 시스템과 sFLARE2와 같은 정교한 엔그램 태깅 기술을 활용하여 특정 시점에 활성화된 뉴런을 시각화하고 정밀하게 조작했습니다. 이를 통해 알츠하이머병 상태에서도 엔그램 뉴런은 물리적으로 존재하며, 인위적인 광유전학적 자극을 통해 손상된 것처럼 보였던 공포 기억의 반응을 일정 부분 회복시킬 수 있음을 확인했습니다. 기억 인출의 핵심적인 분자 기전으로 주목한 것은 시냅스의 GluA2 AMPA 수용체입니다. 알츠하이머병 모델에서는 이 수용체가 시냅스 내부로 과도하게 끌려 들어가는 내재화 현상이 발생하여 신경 전달 효율이 급격히 저하되는 문제가 나타납니다. 연구에서는 특수한 펩타이드를 투입하여 수용체의 내재화를 차단하고, 시냅스 막에 수용체가 충분히 머물 수 있도록 유도했습니다. 그 결과, 수용체가 준비된 상태에서 신경 재활성화를 유도했을 때 기억 회상 기능이 유의미하게 개선되는 결과를 얻었습니다. 파이버 포토메트리 기술을 활용해 실시간 신경 활동을 측정한 결과, 수용체 조작 처리는 칼슘 신호의 빈도와 강도를 정상 수준으로 회복시켰습니다. 이는 시냅스 수준에서의 미세한 변화가 실질적인 신경망의 활성 증대로 이어졌음을 시사합니다. 또한 신경세포의 구조적 변화인 스파인(spine)의 개수 역시 증가하여 야생형 마우스와 유사한 수준으로 돌아왔음을 확인했습니다. 이러한 데이터들은 분자 수준의 정밀한 조작이 전체 신경 회로의 기능을 복구하고 최종적으로 행동학적 기억 회복을 이끌어낼 수 있음을 증명합니다. AMPA 수용체의 동역학을 정밀하게 시각화하기 위해 도입된 EPSILON 기법은 서로 다른 시점에서 수용체의 막 삽입 비율을 측정할 수 있게 해주었습니다. 헤일로(Halo) 태그를 이용해 두 종류의 염료로 시간차 레이블링을 진행한 결과, 펩타이드 처리와 광유전학적 재활성화가 결합되었을 때만 특이적으로 수용체의 막 삽입이 증가했습니다. 이는 단순히 신경에 자극을 주는 것보다 수용체가 막에 적절히 배치될 수 있는 분자적 환경을 먼저 조성해 주는 것이 침묵 상태의 엔그램을 깨우는 데 필수적임을 보여줍니다. 이번 연구는 기억 소실로 여겨졌던 알츠하이머병의 증상이 사실은 엔그램의 접근성 문제에서 기인할 수 있다는 중요한 단서를 제공합니다. 침묵 상태로 변한 엔그램을 분자적 조작과 재활성화 과정을 통해 다시 인출 가능한 상태로 되돌릴 수 있다는 사실은 퇴행성 뇌 질환 치료에 새로운 패러다임을 제시합니다. 앞으로 시냅스와 신경망 레벨을 아우르는 통합적 연구를 통해 인간의 기억이 어떻게 유지되고 상실되는지에 대한 비밀을 풀어나가는 것이 뇌과학계의 핵심적인 과제가 될 것입니다.

기억회상

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생물학연구정보센터학술웨비나

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