뇌는 시간을 어떻게 기억하는가?

뇌는 시간을 어떻게 기억하는가?

걷다가 신호등이 바뀌는 시간이나 숙련된 자동차 운전자라면 파란불이 노란색으로 바뀐 후 몇 초 후에 빨간불이 켜지는지 왠지 모르지만 감각적으로 알 수 있습니다. 이것은 사람의 뇌에는 '시간을 파악하는 능력'을 갖고 있다는 것을 의미하는데, 뇌가 어떻게 시간을 파악하고 있는지는 수수께끼로 남아 있었습니다. 심리학자 하워드 에이체임바움 등 연구팀에 따르면 '시간을 파악하는 능력'이 '기억'을 담당하는 해마에서 기능하고 있을 가능성이 높다는 것이 동물을 이용한 실험에서 나타났다고 합니다.

 

Over the last few years, a handful of researchers have compiled growing evidence that the same cells that monitor an individual’s location in space also mark the passage of time. This suggests that two brain regions — the hippocampus and the entorhinal cortex, both famous for their role in memory and navigation — can also act as a sort of timer.

에이체임바움 등 연구팀이 진행한 실험은 쥐가 일정시간 운동기구(트레드밀)로 달리면 보상을 준다는 것을 반복해 쥐가 시간을 감각적으로 익힐 수 있는지 알아본 것이었습니다. 예를 들어 보상을 받기 위해 뛰어야 하는 시간을 15초로 설정하고 여러 번 과제를 반복하다 보니 생쥐는 최종적으로 15초의 시간 간격을 이해하게 되었다고 합니다. 이때 해마의 뉴런 상태를 확인하자 뉴런 활성화가 특정 패턴으로 15초간 지속되는 것으로 나타났습니다.

또 어떤 뉴런이 활성화됐는지 관찰하는 것만으로 생쥐가 몇 초 운동기구(트레드밀) 위에 있었는지 예측할 수 있을 정도로 뉴런의 활성화 시간에 정확했던 것으로 확인되고 있습니다. 또한 트레드밀의 속도를 바꾸어 실험을 실시하였지만, 속도의 변화에 좌우되지는 않았고, 쥐가 달리는 시간에 영향이 없었던 것도 확인되었습니다. 이에 따라 뉴런은 단순히 달린 거리만을 체크하고 있는 것은 아니라는 것이 나타났습니다. 이때 보상을 주기 위해 달리는 시간을 변경했더라도 해마는 새로운 간격에 적용한 뉴런 활성화 패턴을 생성하는 것으로 나타나 조건 변화에 유연하게 대응할 수 있다는 것도 확인됐습니다.

또한 이 뉴런들은 '환경'에 의존하고 있다는 것도 밝혀졌습니다. 쥐가 한 번 기억한 패턴으로 시간 측정이 필요한 장면이 되면 뉴런은 정해진 패턴으로 활성화됩니다. 그러나 다른 조건이 더해지면 같은 뉴런이라도 다른 동작을 한다고 합니다. 예를 들어, 쥐를 새로운 환경으로 옮긴 후 탐색시켰을 경우 이 뉴런들에 대해 새로운 활성화 패턴을 구축하게 되며, 장소에 따라 다른 패턴으로 뉴런이 활성화하게 되는 것도 확인되었습니다.

과거에 많은 연구자들이 '운동', '기억', '색을 식별하는 감각' 등과 관련된 뇌 영역을 특정해 왔지만 시간을 파악하는 장소에 대해서는 특정되지 않았습니다. 그리고 지금까지 제시된 연구 결과를 고려해도 '해마가 시간을 파악하고 있다고 보기 어렵다'며 많은 연구자들은 에이체임바움 등의 연구를 비판적으로 보고 있습니다.

해마를 손상시키는 것은 새로운 기억의 생성과 시간의 기억을 어렵게 하는 경우가 많은 것으로 알려져 있습니다. 과거 로보토미(lobotomy.  시상과 전두엽 사이의 신경섬유의 연결을 절단하여 생기는 인격변화를 이용하여 주로 중증정신분열증과 간질을 치료하려고 시도한 것) 수술을 받고 해마를 포함한 안쪽 측두엽을 절제한 것으로 알려진 환자 HM은 수술 후 담당 의사에게 매일 여러 차례 자기소개를 하게 돼 기억장애에 빠졌다고 기록돼 있습니다. 또 HM을 비롯한 환자들은 대부분 사물이나 순서를 기억하는 것조차 힘들어졌다고 한다.

에이체임바움은 이 환자들의 예를 고려하더라도 "해마는 '기억' 및 '시간' 모두와 관련이 있을 가능성이 높다"고 결론지었습니다.

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Time and space in the hippocampus. - PubMed - NCBI
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/25449892

New Clues to How the Brain Maps Time | Quanta Magazine
https://www.quantamagazine.org/new-clues-to-how-the-brain-maps-time-20160126/

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