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- 신경망이 출생 초기에는 무작위로 연결된 빽빽한 덩어리 형태,
- 발달 과정에서 점차 얇아지고 최적화돼

정교해진 신경망

피라미드형 뉴런은 태어날 때부터 해마에 나란히 배열되어 있다. 이곳은 기억이 저장되고 감각 정보가 연결되는 곳이다. 오스트리아 연구팀은 이 신경망이 출생 초기에는 무작위로 연결된 빽빽한 덩어리 형태이지만, 발달 과정에서 점차 얇아지고 최적화된다는 사실을 발견했다. 

▲ CA3 피라미드형 신경세포의 현미경 이미지. 신경세포를 고정시킨 후 염색하여 형태를 완전히 재구성했다. © Jose Guzman / ISTA Jonas Group

해마는 뇌에 있는 해마 모양의 구조로, 순간적인 지각 정보가 오래 지속되는 기억으로 처리되는 곳이다. 이미지는 쥐의 뇌 단면에서 관찰한 CA3 영역의 피라미드형 뉴런 8개를 보여준다. 해마에서 이 뉴런들의 핵은 점선으로 표시된 호 모양을 이루고 있다. 오스트리아 과학기술연구소의 페터 요나스(Peter Jonas) 연구팀은 이번 연구를 통해 이 뇌 영역의 신경망이 출생 후 어떻게 발달하는지 밝혀냈다.

지금까지는 해마의 신경망이 태어날 때부터 존재하는지, 아니면 점진적으로 발달하는지가 명확하지 않았다. 연구진은 백지라는 비유를 사용했다. 기존 정보가 평생에 걸쳐 추가되고, 정리되고, 삭제되는 것(tabula plena)일까, 아니면 처음에는 완전히 백지상태인 것(tabula rasa)일까? 모든 것이 처음부터 미리 정해져 있는 것일까, 아니면 경험이 우리를 만들어가는 것일까?

연구진은 포유류 해마에서 기억을 저장하는 CA3 피라미드형 뉴런을 조사했다. 패치 클램프 기법을 사용하여 쥐에서 이 뉴런의 전기 신호를 측정했다. 또한, 정교한 현미경을 사용해 신경망의 발달 과정을 관찰했다. 쥐는 세 가지 발달 단계, 즉 생후 직후(7~8일), 청소년기(18~25일), 그리고 성체(45~50일)에 걸쳐 연구되었다.

연구진은 포유류 해마에서 기억을 저장하는 CA3 피라미드형 뉴런을 연구했다. 그 결과는 연구진을 놀라게 했다. 평생에 걸쳐 개별 뉴런 사이의 거리가 증가하고, 실처럼 뻗어 나온 세포들의 연결 고리가 점점 약해지는 것이었다. "직관적으로 생각하면 신경망은 시간이 지남에 따라 성장하고 더욱 촘촘해질 것이라고 예상할 수 있다. 하지만 여기서는 정반대의 현상이 나타난다. 이는 가지치기 모델과 같다. 처음에는 촘촘하지만, 나중에는 정제되고 최적화된다"고 피터 요나스는 말했다.

이러한 발달 방식에는 분명 이점이 있다. 처음부터 광범위하게 분기된 신경망은 신경 세포들이 서로 빠르고 효율적으로 연결될 수 있도록 해준다. 만약 모든 연결이 새로 형성되어야 한다면, 세포들은 처음에는 너무 멀리 떨어져 있어 효율적인 소통이 사실상 불가능할 것이다.

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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