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뇌세포 내비게이션 시스템 해독

뇌세포 내비게이션 시스템 해독

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인간의 뇌는 대략 1000억 개의 뉴런으로 구성된다. 이 뉴런 사이의 정보는 신경섬유로 이루어진 복잡한 네트워크를 통해 전송된다. 대부분의 네트워크는 태어나기 전에 외부의 영향이 없이 유전자 설계도에 따라 연결된다. 카를스루에 공과 대학(KIT)의 과학자들은 성장 과정에서 어떻게 내비게이션 시스템이 엑손(axons)을 유도하는지를 발견했으며 이라이프(eLife)를 통해 발표했다. 

뇌 속의 신경섬유 네트워크는 지구에서 달까지 거리보다 긴 약 50만 km에 달한다. 신경섬유의 성장은 잘못된 연결을 방지하는 내비게이션 시스템의 통제를 받는다. 하지만 성장과정에서 정확히 어떻게 신경섬유가 목적지를 찾아가는 것일까? 동물연구소의 세포 및 신경생물학부의 프랑코 웨스는 이것을 도로 위의 자율 주행차와 유사한 것이라고 말했다. 자동차는 서로 간에 정보를 교환하고 도로 위의 신호 송신기의 정보를 통해 목적지에 도달한다. 신경섬유의 경우에는 끝에 달린 감각 분자가 안테나 역할을 한다. 이 안테나를 통해 단백질로 이루어진 안내 신호를 수신하고 경로 상에 위치한 다른 신경섬유를 식별하면서 목적지를 찾아간다. 목적지에 도달하면 엑손은 다른 뉴런과 결합하여 시냅스를 형성한다.

이런 연결은 망막과 뇌에서 찾을 수 있다. 거의 100만 개에 달하는 신경섬유가 시각 영역과 시각 신경 사이에 존재한다. 유전적으로 미리 프로그래밍된 신경 연결을 통해 투영과 유사한 정보를 일대일로 재생하여 신생아도 이미지를 처리할 수 있게 하는 것이다. 이 중요한 기능은 진화의 산물로 체득된 것으로 따로 경험을 통해 배울 필요가 없다. 웨스는 우리 뇌에서 추가 학습이 필요한 시냅스는 소수에 불과한다고 말했다.

놀랍게도 단백질 내비게이션 시스템에서 들어오는 신호에 대한 엑손의 민감도는 목적지에 도달하는 도중에 줄어든다. 하지만 엑손이 목적지에 정확히 도달하기 위해서는 정보를 해석해야 한다. 엑손은 모든 형태의 안내 신호에 대한 민감도가 떨어지는 것을 극복하는 해결책으로 놀랍게도 각 신호의 강도를 비율로 보존한다. 결과적으로 신호의 세기가 아니라 특정 신호의 비율로 목적지를 파악하는 것이다. 이처럼 발달한 신호 비율을 결합하여 신뢰성과 가변성 간의 갈등을 관리하는 것이다. 이런 유형의 결합된 신호 조절 방식을 생물학에서 매우 드문 경우다. 바로 앞에 앉은 상대방의 향수를 조금만 지나도 알아차리지 못하지만 그때 마시고 있는 커피 냄새를 더 이상 맡을 수 없다는 것을 의미하지는 않는다. 하지만 이런 일은 뇌 속에서는 일어나는 일이다.

과학자들은 아직 강한 신호가 목적지를 더 잘 안내해 줄 것이라는 당연한 기대와 달리 엑손의 신호 감도가 여행 중에 떨어지는지 이해하지 못하고 있다. 아마도 에너지가 필요한 신호 전송 과정에 에너지를 절약하기 위한 것일 수 있다. 사실 자연은 무질서를 선호한다. 질서를 갖추는 것은 에너지를 소비해야 하는 일이다. 생물학에 있어서 뇌의 연결보다 더 질서 정연한 것은 없다. 자연이 이 연결에 에너지 소비를 최소화할 때만 인지 컴퓨터를 탑재하기 위한 최고의 성능을 얻을 수 있는 것이다. 

이 발견을 통해 과학자들은 출생 전에 발생한 뇌 연결 오류로 인한 질병인 뚜렛 증후군, 자폐증, 정신분열증 등을 더 잘 이해할 수 있을 것으로 보인다.

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