동물의 학습운동시 대뇌피질 변화연구

 

쥐가 도구를 사용하여 운동 과제를 학습하는 과정에서 두 광자 현미경을 이용한 칼슘 이미징법에 의해 대뇌피질 운동의 천층에서 심층(뇌 테이블에서 약500 μm)에 이르기까지 신경 세포의 활동을 2주 동안 측정하는 데 세계 최초로 성공했습니다. 그 결과, 학습 기간 동안 동물이 운동 과제에 숙련중기에서 후기에 걸쳐 학습한 운동의 기억이 대뇌피질 심층 특히 대뇌 기저핵에 신호세포의 새로운 활동패턴으로 유지되는 것으로 나타났습니다. 운동학습과 운동제어 메커니즘과 운동 질환의 병태에 대한 이해와 함께 새로운 인공 지능과 자율적으로 운동하는 로봇의 설계에 크게 공헌 할 것입니다. 

 

연습을 반복하여 자전거 타기, 피아노 연주, 수영등의 어려운 기술을 향상시킬 수 있습니다. 이러한 운동을 통해 뇌에 축적된 정보는 '절차기억이라고 합니다. 그런데 연습기간 동안 우리의 뇌는 어떤 세포의 활동 변화가 일어나고 "절차 기억 '이 형성되는 것입니까? 최근 조직 내 세포를 산 채로 볼 수 있는 두 광자 현미경이 개발된 살아있는 쥐의 뇌속에 있는 신경 세포내 칼슘 이온 농도를 빛의 강도로 측정하는 것으로, 여러 신경 세포의 활동을 한 번에 파악하는 실험이 가능하게 되었습니다. 

대뇌 피질은 6층 구조를 가집니다. 지금까지 이 2광자 칼슘 이미징법에 의해 관찰이 비교적 용이한 대뇌 피질의 천층(제 2/3 층)에서 세포 활동 변화는 이미 여러번 보고되어 왔습니다. 그러나 대뇌 피질에서 외부로 신호를 출력하는 심층의 제5층의 세포 활동이 도구를 조작하는 난이도 높은 운동학습 동안 어떻게 변화 하는지를 행동 변화와 대응 지으면서 양적 장기적으로 측정하는 것은 기술적인 어려움 때문에 전혀 할 수 없습니다.

 

연구그룹은 앞발을 사용해 일정 시간 레버를 당기면 물을 받을수 있다는 마우스에게 고난이도의 운동 과제를 수행하고 과제 수행중인 마우스의 운동 피질의 신경 세포의 활동을 안정적으로 기록하는 방법 을 개발하고 지난해 1월 그 실험 방법을 세계 최초로 발표했다. 이번은 또한 현미경과 실험 기술을 혁신시킴으로써 훈련 기간 2주 동안 과제 수행중에 운동들 제 2/3층(뇌 테이블에서 약 200 μm의 깊이)의 신경 세포와 뇌 테이블에서 약 500μm의 깊이에 있는 5층의 신경 세포의 총 여덟 천개의 활동을 측정하는 데 성공했다. 

그리고 이 신경 세포의 활동 패턴에 어떻게 '절차 기억'이 기록되어 가는지를 평가하기 위해 신경 세포와 그 집단의 활동에서 레버의 움직임을 어느 정도 예측할 수 있는지를 정량화 그 예측 정확도가 훈련 기간 동안 어떻게 변화 하는지를 조사했다. 배워서 세포 집단 활동에서 레버 예측 정확도가 높아지면 그만큼 세포가 레버의 움직임에 대한 정보를 많이 갖게 된 것입니다. 즉 앞발을 사용한 레버 당기기 운동이 세포 집단의 활동 패턴으로 유지(기억)된 것을 의미합니다. 예측 정확도의 정량 (예측 정확도 정보량의 산출)은 금융 공학에서 위험 평가에 사용되어왔다 접합부 함수라는 함수를 이용하여 처음으로 성공했다.

 

제2/3층에서는 학습2주 기간에 예측 정확도 정보량이 높아진다 세포 낮아지는 세포의 비율이 거의 20%에서 세포 집단 전체의 예측 정확도 정보량은 별로 변화하지 않았다. 한편, 제 5층에서는 예측 정확도 정보량이 낮아진다 세포는 거의 존재하지 않고, 30%의 세포가 예측 정확도 정보량을 높이게되었습니다. 그리고 5층의 세포 집단 전체가 가지는 예측 정확도 정보량은 레버 당기기 운동이 능숙할수록 높아지는 것으로 나타났습니다. 제5층의 세포가 예측 정확도 정보량을 증가하는 시작하는시기는 레버 당기기 운동의 성공률과 성공 개수가 일정하게 되는 시기이다. 훈련 1주일 후였습니다. 이 결과는 운동들 제 2/3 층은 학습 기간 동안 다른 뇌 부위에서의 다양한 정보를 통합하고 레버 당기기 운동을 조정하고있는 반면, 운동 피질 제 5 층은 운동 학습 가 어느 정도 진행된 후 레버 당기기 운동을 세포 활동 패턴으로 유지(기억)하는 것을 강하게 시사합니다.

 

또한, 제5층의 세포 활동 변화가 신호의 출력에 따라 다른지 확인하기 위해 근육을 제어하는​​ 세포가 존재하는 척수에 신호를 보내는 신경 세포와 운동의 숙련 화나 자동화에 관련된 대뇌 기저핵에 신호 신경 세포를 따로 분류하는 방법을 개발했습니다. 그 결과, 척수 출력 세포에 비해 대뇌 기저핵 출력 세포는 학습 초기에는 예측 정확도 정보량이 낮은 세포가 학습 후기 의해 높아지게되는 것을 알 수있었습니다. 이 결과는 대뇌피질 운동 제5층이 새로운 기억 회로를 대뇌 기저핵과 함께 형성하여 특정 근육의 제어를 더 효과적으로하고 운동을 숙련 및 자동화하는 것이 좋습니다 합니다.

 

이러한 결과는 운동이 어느 정도의 수준에 도달에서도 열심히 연습을 계속하면 어려운 기술도 무의식적으로 할 수있게되는 것은, 그 운동을 자동으로 만들기 위해 새로운 회로가 대뇌 피질 심부에 형성 된 것에 의한 것으로 간주합니다.