「학습」과 그것이 몸에 익히는 「기억」은 다른 뇌회로가 담당하고 있는 것으로 판명!

「학습」과 그것이 몸에 익히는 「기억」은 다른 뇌회로가 담당하고 있는 것으로 판명!

「학습」해서 할 수 있는 시냅스를 보유한 것만으로는 「기억」이 되지 않았습니다.

일본 생리학연구소(NIPS) 및 다마가와대에서 실시된 연구에 따르면 학습을 담당하는 뇌회로와 기억을 담당하는 뇌회로가 별개인 것으로 밝혀졌다.

그동안 우리는 학습에 의해 형성되는 시냅스를 어떻게 유지·성숙시키느냐가 기억 유지에 중용이라고 생각해 왔습니다.

그러나 마우스를 이용한 새로운 연구에서는 학습과 기억이 다른 뇌 메커니즘으로 이루어지고 있는 것으로 나타났습니다.

연구 결과가 맞다면 학습과 기억의 개념에 큰 변화가 일어날 것입니다.

그렇다 치더라도 도대체 왜 우리 뇌는 학습에 사용하는 뇌회로를 그대로 기억에 사용하는 뇌회로로 유용하지 않는 것일까요?

연구 내용의 자세한 내용은 2022년 7월 27일에 『Science Advancedes』에서 공개되어 있습니다.

우리 뇌는 끊임없이 새로운 뇌 회로를 만드는 거대한 유기 전자회로입니다.

학습이 일어나면 뇌는 그 내용을 처리하기 위한 회로를 형성하고 학습이 진행되면 학습내용은 기억으로 자리잡게 됩니다.

실제로 마우스를 이용한 실험에서도 새로운 운동 과제를 시키면 대뇌피질의 1차 운동야에서 새로운 시냅스(세포끼리 접착)가 형성되어 신경회로가 변화하고 있는 것으로 알려져 있습니다.

또한 화학약품 등으로 이 신경회로의 형성을 방해하면 학습이 실패하기 쉬워진다는 것도 밝혀져 있습니다.

그렇기 때문에 지금까지 우리는 학습에 의해 형성되는 시냅스를 유지하는 것이야말로 기억을 유지하기 위한 가장 중요한 사항이라고 생각했습니다.

그러나 기존의 연구의 대부분은, 학습에 의해서 새롭게 형성된 시냅스에 대해서는 조사하였어도, 그것들이 어느 뇌 영역과 접속하고 있는가 하는 회로(선)의 변화는, 그다지 자세하게 조사하지 않았습니다.

그래서 이번에 일본 생리학연구소와  다마가와대 연구자들은 학습 중인 쥐의 뇌 신경 접속을 보다 광범위하게 추적해 학습과 기억의 차이를 뇌회로 수준에서 확인하기로 했습니다.

실험을 할 때는 먼저 쥐들에게 앞다리 한쪽으로 씨앗을 잡는 훈련을 받았습니다.

인간에게는 아무렇지도 않은 동작으로 보이지만, 물건을 양 앞다리로 잡는 경우가 많은 쥐들에게는 한쪽으로 하는 것은 어려운 움직임이 됩니다.

학습이 종료되자 연구자들은 쥐의 두개골을 절개하여 뇌 회로의 시간에 따른 변화를 조사했습니다.

「배운」것이 「몸에 익힐」때의 뇌의 변화~운동 학습으로 대뇌 피질 신경회로가 변화해 학습 기억이 진행된다.

그러자 기존 연구보고대로 학습 초기(1일차~4일차)에서는 대뇌피질의 1차 운동야에서 새로운 시냅스가 형성되고 있음을 확인할 수 있었습니다.

또 쥐별 향상도와 비교하면 운동기능 향상도가 높았던 쥐일수록 시냅스 형성수가 많은 것으로 나타났습니다.

다음으로 연구자들은 이 새로운 시냅스 결합이 뇌의 어느 영역과 전달을 하고 있는지 조사합니다.

결과, 새로운 시냅스는, 보다 고차원의 운동과 관련된 뇌 영역(2차 운동분야)으로부터 정보를 받고 있는 것이 밝혀졌습니다.

제2운동 분야에서는 운동의 계획이나 준비 등 의식적인 정보처리를 실시하고 있는 뇌 영역으로, 마우스들은 이 2차 운동분야와 1차운동 분야를 연결함으로써 '시행착오'를 하고 있었다고 추측하고 있습니다.

한편, 학습 후기(5일차~8일차)가 되면 학습 초기에 형성된 1차 운동분야의 시냅스의 대부분이 일부를 남기고 소실된 것으로 확인되었습니다.

그래서 연구자들은 남은 시냅스가 어디에서 정보를 입력받고 있는지 다시 조사합니다.

학습 회로에서 기억 회로로 정보가 전달되지 않으면 향상이 일어나지 않는다

 

학습 회로에서 기억 회로로 정보가 전달되지 않으면 향상이 일어나지 않는다

그러면 잔존하는 1차 운동분야의 시냅스가 시상이라고 불리는 뇌 영역에서 입력을 받고 있는 것으로 판명됩니다.

또 시상과 연결된 시냅스는 단순히 남아 있을 뿐만 아니라 하나하나의 신호 강도가 강화되고 있는 것으로 나타났습니다.

시상은 뇌 안쪽에 있으며 자동화된 운동신호를 중계하는 영역입니다.

이러한 결과는 학습 초기(1일차~4일차)에 시행착오를 겪기 위해 1차 운동분야와 2차 운동영역 사이에 '학습회로'가 형성되고 학습 후기(5일차~8일차)에는 학습한 내용을 습관화하기 위해 1차 운동분야와 시상 사이에 '기억회로'가 형성되어 있음을 보여줍니다.

즉 학습이 성립할 때와 기억이 성립할 때에는 뇌는 다른 루트의 회로를 형성하고 있었던 것입니다.

실제로, 학습 초기에 학습 회로를 바이러스를 이용해 차단하면 학습의 향상이 방해되는 한편, 기억회로를 억제해도 학습이 정상적으로 향상되는 것이 판명됩니다.

그러나 8일간의 학습기간이 종료되어 충분히 향상이 일어난 마우스에 대해 기억회로를 차단한 결과, 향상되었을 운동을 제대로 실행하지 못하는 것으로 판명됩니다.

이러한 결과는 「학습 시냅스(학습회로)」에 의해서 얻어진 향상은, 그 후에 형성되는 「기억 시냅스(기억회로)」에 계승되지 않으면 보존할 수 없음을 나타냅니다.

그동안 우리 대부분은 학습했을 때 형성되는 시냅스를 유지하는 것이 기억으로 이어진다고 생각했는데, 정말 중요한 것은 향상 내용을 회로 간에 올바르게 이어가는 것이었습니다.

연구자들은 비슷한 구조가 인간의 뇌에 존재할 확률이 높다고 말합니다.


학습회로만으로는 향상이 일어나지 않는다 '학습+학습=0'

이번 연구를 통해 학습과 기억이 다른 뇌 회로에 의해 형성되고 있음을 보여주었습니다.

과제의 향상을 이루기 위해서는 우선 의도적인 시행착오(학습 노력)에 의해서 「학습 시냅스(학습 회로)」를 형성하고, 그 후에 형성되는 다른 「기억 시냅스(기억 회로)」에 내용을 인계하지 않으면 안됩니다.

「학습+학습+학습…」이라고 학습 노력만 쌓아도 「기억 시냅스(기억 회로)」의 기능이 없으면, 향상은 일어날 수 없기 때문입니다.

한편, 「기억 시냅스(기억 회로)」에 접속되어 있는 시상은 무의식적인 자동 행동과 관련된 뇌 영역으로, 노력이 필요했던 과제를 무의식적·자동적으로 실행할 수 있게 해줍니다.

사람으로 비유하자면 처음에는 젓가락 연습에 신경을 써야 하는데, 향상이 이루어지면서 운동이 자동화되고 그러다 보면 대화를 하거나 TV를 보면서도 무의식적으로 젓가락을 다룰 수 있게 되는 과정이 해당될 것입니다.

연구자들은 최종적으로 필요한 기억 시냅스(기억회로)의 형성을 학습 시냅스(학습회로)가 돕고 있을 가능성이 있다고 말합니다.

뇌는 의식적인 시행착오가 필요한 '학습'과 자동화된 움직임을 실현하는 '기억'으로 회로를 나눔으로써 보다 효율적인 향상을 실현하고 있다고 추측됩니다.

또 연구자들은 비슷한 구조가 인간에게도 존재하고 있으며 학습과 기억을 연결하는 메커니즘이 밝혀지면 학습 장애나 인지기능장애 등의 원인 규명에도 도움이 된다고 말합니다.

아무리 학습을 반복해도 성과가 오르지 않는 사람의 경우 학습회로에서 기억회로로의 인계에 장애가 있을 수 있으며, 이번 연구는 그러한 학습장애의 치료나 개선에 도움이 될 수 있습니다.

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【연구 성과】「배운」것이 「몸에 익을」때의 뇌의 변화~운동 학습으로 대뇌 피질 신경회로가 변화해 학습 기억이 진행된다~
https://www.tamagawa.jp/research/brain/news/detail_20719.html

【研究成果】「学んだ」ことが「身につく」ときの脳の変化～運動学習で大脳皮質神経回路が

 

Presynaptic supervision of cortical spine dynamics in motor learning
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm0531

【研究成果】「学んだ」ことが「身につく」ときの脳の変化～運動学習で大脳皮質神経回路が