뇌에서 컴퓨터의 RAM에 이르기까지 모든 메모리 저장 장치는 물리적 특성을 변경하여 정보를 저장한다. 130여 년 전 선구적인 신경과학자 산티아고 라몬 이 카할(Santiago Ramón y Cajal)은 뇌가 뉴런 사이의 연결 또는 시냅스를 재배열하여 정보를 저장한다고 처음 제안했다.

그 이후로 신경 과학자들은 기억 형성과 관련된 물리적 변화를 이해하려고 시도했다. 그러나 시냅스를 시각화하고 매핑하는 것은 어려운 일이다. 하나는 시냅스가 매우 작고 촘촘하게 모여 있다. 그것들은 표준 임상 MRI가 시각화 할 수 있는 가장 작은 물체보다 약 100억 배 작다. 게다가, 연구자들이 종종 뇌 기능을 연구하기 위해 사용하는 쥐의 뇌에는 약 10억 개의 시냅스가 있으며, 그것들은 주변 조직과 마찬가지로 불투명하거나 반 투명하다.

개발된 새로운 이미징 기술을 통해 기억 형성 동안 시냅스를 매핑할 수 있었다. 우리는 새로운 기억을 형성하는 과정이 뇌 세포가 서로 연결되는 방식을 바꾼다는 것을 발견했다. 뇌의 일부 영역은 더 많은 연결을 생성하지만 다른 영역은 연결을 잃는다.

물고기의 새로운 기억 매핑

이전에 연구자들은 뉴런에서 생성된 전기 신호를 기록하는 데 중점을 두었다. 이러한 연구는 기억이 형성된 후 뉴런이 특정 자극에 대한 반응을 변화시킨다는 것을 확인했지만, 이러한 변화를 일으키는 원인을 정확히 찾아내지는 못했다.

뇌가 새로운 기억을 형성할 때 물리적으로 어떻게 변화하는지 연구하기 위해 기억 형성 전후에 제브라피시 시냅스의 3D 지도를 만들었다. 제브라피쉬는 사람과 같은 기능을 하는 뇌를 가질 만큼 충분히 크지만 살아있는 뇌를 들여다볼 수 있을 만큼 작고 투명하기 때문에 테스트 대상으로 제브라피쉬를 선택했다.

제브라피쉬는 특히 신경과학 연구에 적합한 모델이다. Zhuowei Du 및 Don B. Arnold, CC BY-NC-ND

물고기의 새로운 기억을 유도하기 위해 우리는 고전적 조건화라는 일종의 학습 과정을 사용했다. 여기에는 동물을 두 가지 다른 유형의 자극에 동시에 노출시키는 것이 포함된다. 즉, 반응을 일으키지 않는 중립적인 자극과 동물이 피하려고 하는 불쾌한 자극이다. 이 두 가지 자극이 충분히 여러 번 짝을 이루면 동물은 마치 그것이 불쾌한 자극인 것처럼 중성 자극에 반응하여 이 자극을 함께 묶는 연상 기억을 만들었다는 것을 나타낸다.

불쾌한 자극으로 우리는 적외선 레이저로 물고기의 머리를 부드럽게 가열했다. 물고기가 꼬리를 흔들었을 때 우리는 그것을 탈출하고 싶다는 표시로 받아들였다. 물고기가 중성 자극에 노출되면 불이 켜지고 꼬리를 흔드는 것은 이전에 불쾌한 자극을 만났을 때 일어난 일을 회상한다는 의미이다.

파블로프의 개는 종과 음식 사이에 연상 기억을 형성하기 때문에 개가 울리는 종에 반응하여 침을 흘리는 고전적 조건화의 가장 잘 알려진 예이다. Lili Chin/Flickr, CC BY-NC-ND

지도를 만들기 위해 우리는 시냅스에 결합하여 가시적으로 만드는 형광 단백질을 생성하는 뉴런이 있는 제브라피시를 유전적으로 조작했다. 그런 다음 형광을 사용하여 이미지를 생성하는 표준 장치보다 훨씬 적은 양의 레이저 광을 사용하는 맞춤형 현미경으로 시냅스를 이미지화했다. 우리의 현미경은 뉴런에 손상을 덜 입히기 때문에 구조와 기능을 잃지 않고 시냅스를 이미지화 할 수 있었다.

기억 형성 전과 후의 3D 시냅스 지도를 비교했을 때, 우리는 한 뇌 영역인 전 외측 등쪽 팔륨(anterolateral dorsal pallium)의 뉴런이 새로운 시냅스를 발달시키는 반면, 두 번째 영역인 전내측 등쪽 팔륨(anteromedial dorsal pallium)의 뉴런은 시냅스를 상실한다는 것을 발견했다. 이것은 새로운 뉴런이 함께 짝을 이루는 동안 다른 뉴런은 연결을 파괴했음을 의미했다. 이전 실험에서는 물고기의 등쪽 팔륨이 공포 기억이 저장되는 포유류의 편도체와 유사할 수 있다고 제안했다.

놀랍게도, 기억 형성과 함께 발생한 뉴런 간의 기존 연결 강도의 변화는 작고 새로운 기억을 형성하지 않은 대조군 물고기의 변화와 구별할 수 없었다. 이것은 연상기억을 형성하는 것은 시냅스의 형성과 소실을 수반하지만, 이전에 생각했던 것처럼 반드시 기존 시냅스의 강도의 변화는 아니라는 것을 의미했다.

시냅스를 제거하면 기억이 제거될 수 있을까?

뇌 세포 기능을 관찰하는 우리의 새로운 방법은 기억이 실제로 어떻게 작동하는지에 대한 더 깊은 이해뿐만 아니라 PTSD 및 중독과 같은 신경 정신 질환 치료를 위한 잠재적인 방법에 대한 문을 열 수 있다.

연관 기억은 어제 점심 식사에 대한 의식적인 기억과 같은 다른 유형의 기억보다 훨씬 강한 경향이 있다. 더욱이 고전적 조건화에 의해 유도된 연관 기억은 PTSD를 유발하는 외상성 기억과 유사한 것으로 생각된다. 그렇지 않으면 외상 당시 경험한 것과 유사한 무해한 자극이 고통스러운 기억을 회상하게 할 수 있다. 예를 들어, 밝은 빛이나 시끄러운 소음은 전투의 기억을 불러일으킬 수 있다. 우리의 연구는 시냅스 연결이 기억에서 할 수 있는 역할을 밝히고 연관 기억이 다른 유형의 기억보다 더 오래 지속되고 더 생생하게 기억될 수 있는 이유를 설명할 수 있다.

현재 PTSD에 대한 가장 일반적인 치료법인 노출 요법은 외상 사건의 회상을 억제하기 위해 무해하지만 유발하는 자극에 반복적으로 환자를 노출시키는 것을 포함한다. 이론적으로 이것은 뇌의 시냅스를 간접적으로 개조하여 기억을 덜 고통스럽게 만든다. 노출 요법으로 약간의 성공이 있었지만 환자는 재발하기 쉽다. 이것은 외상성 반응을 일으키는 근본적인 기억이 제거되지 않았음을 시사한다.

시냅스 생성과 손실이 실제로 기억 형성을 유도하는지 여부는 아직 알려지지 않았다. 우리 연구실에서는 뉴런을 손상시키지 않고 시냅스를 빠르고 정확하게 제거할 수 있는 기술을 개발했다. 우리는 유사한 방법을 사용하여 제브라피시 또는 생쥐에서 시냅스를 제거하여 이것이 연관 기억을 변경하는지 여부를 확인할 계획이다.

이러한 방법으로 PTSD 및 중독과 같은 파괴적인 조건의 기초가 되는 연상 기억을 물리적으로 지우는 것이 가능할 수 있다. 그러나 그러한 치료가 고려되기 전에 연상 기억을 인코딩하는 시냅스 변화가 더 정확하게 정의될 필요가 있다. 그리고 분명히 해결해야 할 심각한 윤리적, 기술적 장애물이 있다. 그럼에도 불구하고 시냅스 수술이 나쁜 기억을 제거할 수 있는 먼 미래를 상상하는 것은 유혹적이다.

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