KAIST, 뇌 신경 활동의 시간적 스케일 규명

[이데일리 김현아 기자] KAIST(카이스트)와 미국 존스홉킨스대학교 연구팀이 공동으로 뇌의 신경 활동에서 중요한 발견을 이루어냈다. 이번 연구에서는 뇌의 활동이 이뤄지는 다양한 시간적 스케일에 대한 보편적 패턴을 규명하고, 뇌의 해부학적 구조와 정보 처리 과정 사이의 관계를 이해하는 데 중요한 성과를 거뒀다.

(왼쪽부터) KAIST 생명과학과 신은주 박사, 존스 홉킨스 대학교 신경과학과 이대열 교수, KAIST 생명과학과 정민환 교수, KAIST 뇌인지과학과 백세범 교수

KAIST 뇌인지과학과의 백세범 교수와 생명과학과의 정민환 교수, 그리고 존스홉킨스대학교의 이대열 교수 연구팀은 다양한 포유류 종의 뇌에서 공통적으로 나타나는 신경 활동의 시간적 스케일 패턴을 분석하여, 뇌가 어떻게 정보를 표상하는지에 대한 원리를 밝혀냈다고 24일 발표했다.

대뇌피질과 시상, 시간적 스케일의 차이를 규명

이번 연구에서는 대뇌피질과 시상의 신경 활동 시간적 스케일을 비교했다. 대뇌피질은 감각 정보 처리부터 고차원적 인지 활동까지 다양한 뇌 기능을 담당하는데, 연구진은 이곳의 신경 활동 시간이 계층적으로 달라지는 패턴을 발견했다.

특히, 대뇌피질의 해부학적 계층에 따라 뉴런의 자발적 활동 및 정보 표상 활동의 시간적 스케일이 증가하는 경향을 확인했다.

반면, 시상은 대뇌피질과 강한 연결을 가지지만, 시간적 스케일의 변화에서는 계층적인 차이를 보이지 않았다. 시상은 감각 정보를 대뇌피질로 전달하는 중계역할을 하며, 그 신경 활동의 시간적 스케일은 대뇌피질보다 상대적으로 짧고, 구조적인 계층 변화가 없는 특징을 보였다.

영장류와 설치류 뇌에서 뉴런의 자발적 활동과 정보 표상 활동의 시간 스케일이 여러 대뇌피질 영역에 걸쳐 계층적으로 증가하는 그림

포유류 뇌의 공통된 설계 원리와 시간적 스케일

연구팀은 원숭이, 쥐, 생쥐의 뇌에서 시간적 스케일의 변화를 비교했으며, 포유류 뇌의 진화적 특성이 반영된 중요한 결과를 도출했다.

즉, 포유류 뇌에서 상위 정보 처리 영역으로 갈수록 정보처리 시간이 길어진다는 공통적 패턴이 발견되었고, 이는 뇌의 다양한 기능을 위한 신경망 구조에 대한 구체적인 설명을 가능하게 했다.

백세범 교수는 “이번 연구는 뇌의 다양한 기능을 구현하는 데 필요한 신경망의 구조를 설명하는 중요한 단서를 제공하며, 뇌의 활동이 어떻게 시간적 스케일에 따라 달라지는지에 대한 구체적인 이해를 돕는다”고 강조했다. 또한 “이번 성과는 연구진들의 밀접한 국제적 협력을 통해 이루어진 중요한 연구”라고 덧붙였다.

포유류 뇌에서 정보 표상의 시간적 스케일의 중요성을 의미하는 일러스트레이션.

연구의 의의와 향후 전망

이번 연구는 미국국립과학원회보(PNAS)에 게재됐으며, 뇌의 신경 활동이 해부학적 계층에 따라 시간적으로 어떻게 변하는지에 대한 보편적인 구조적 패턴을 밝혀냈다.

이 연구는 뇌의 정보 처리 과정을 이해하고, 포유류 뇌의 공통적 설계 원리를 파악하는 데 중요한 발판을 마련했다.

또한, 이번 연구는 한국연구재단과 KAIST의 이공분야기초연구사업, KAIST 특이점교수 사업, 그리고 기초과학연구원의 지원을 받아 수행되었으며, 향후 뇌 과학 및 뇌-기계 인터페이스 연구 분야에서 큰 영향을 미칠 것으로 기대된다.