환각제는 감각 지각, 사고, 감정의 정상적인 패턴을 근본적으로 변화시켜 인간의 의식 상태를 변화시키는 것으로 알려져 있다. 환각제의 치료 잠재력에 대한 연구는 지난 10년 동안 크게 증가했다.

이 연구가 중요하기는 하지만, 나는 환각제가 실험실 동물을 대상으로 인간 의식의 신경 기반을 연구하는 도구로 사용될 수 있다는 생각에 항상 더 흥미를 느꼈다. 우리는 궁극적으로 다른 포유류와 동일한 기본 신경 하드웨어를 공유하며, 의식의 일부 기본 측면도 공유한다. 따라서 의식 경험에 환각적으로 유발된 변화가 있을 때 뇌에서 어떤 일이 일어나는지 조사함으로써 우리는 아마도 의식이 무엇인지에 대한 통찰력을 얻을 수 있을 것이다.

우리는 뇌의 세포 네트워크가 어떻게 의식적 경험을 가능하게 하는지에 대해 아직 많이 알지 못한다. 지배적인 견해는 개별 뉴런(뇌세포)의 분산된 정보 처리가 세포가 상호작용하면서 통합될 때 의식이 어떻게 든 집단적 현상으로 나타난다는 것이다.

그러나 이것이 발생하는 메커니즘은 여전히 불분명하다. 이제 커뮤니케이션 바이올로지(Communications Biology)에 발표된 쥐에 대한 우리의 연구는 환각제가 뉴런이 상호 작용하고 집단적으로 행동하는 방식을 근본적으로 변화시킨다는 것을 시사한다.

우리 연구에서는 쥐를 대상으로 두 가지 종류의 환각제, 즉 고전적인 LSD 유형과 덜 일반적인 케타민 유형(케타민은 고용량의 마취제임)을 비교했다. 두 종류 모두 뇌의 다른 수용체에 작용함에도 불구하고 인간에게 환각적인 경험을 유발하는 것으로 알려져 있다.

뇌파 탐색

우리는 환각제를 투여한 동안 깨어 있는 9마리 쥐의 뇌의 128개 개별 영역에서 전기 활동을 동시에 측정하기 위해 전극을 사용했다. 전극은 두 가지 종류의 신호, 즉 수천 개의 뉴런의 누적 활동으로 인해 발생하는 전기 뇌파와 개별 뉴런에서 활동 전위라고 불리는 더 작은 일시적 전기 펄스를 포착할 수 있다.

LSD 및 실로시빈(마법버섯의 활성 성분)과 같은 고전적인 환각제는 일반적으로 기분과 기타 여러 가지를 조절하는 신경 전달 물질인 세로토닌과 결합하는 뇌의 수용체(5-HT2A)를 활성화한다. 반면에 케타민은 다른 수용체(NMDA)를 억제함으로써 작용한다. 이 수용체는 일반적으로 뉴런을 발화시키는 뇌의 주요 신경전달물질인 글루타메이트에 의해 활성화된다.

우리는 이러한 차이점에도 불구하고 두 종류의 환각제가 뇌 세포의 활동에 유사한 영향을 미칠 수 있다고 추측했다. 실제로 두 약물 종류 모두 여러 뇌 영역에서 매우 유사하고 독특한 뇌파 패턴을 유도하는 것으로 나타났다.

뇌파는 초당 약 150회 진동할 정도로 유난히 빨랐다. 그들은 또한 서로 다른 뇌 영역 사이에서 놀랍게도 동기화되었다. 유사한 주파수의 짧은 진동 폭발은 일부 뇌 영역의 정상적인 조건에서 때때로 발생하는 것으로 알려져 있다. 하지만 이 경우에는 장기간에 걸쳐 발생했다.

첫째, 우리는 단일 뇌 구조가 파동을 생성하고 그 후 다른 위치로 확산된다고 가정했다. 그러나 데이터는 해당 시나리오와 일치하지 않았다. 대신에 우리는 파동이 우리가 감지할 수 있는 뇌의 모든 부분에서 거의 동시에 위아래로 움직이는 것을 보았다. 이는 위상 동기화라고 불리는 현상이다. 우리가 아는 한, 그렇게 장거리에 걸친 긴밀한 위상 동기화는 이전에 관찰된 적이 없다.

우리는 또한 환각 상태 동안 개별 뉴런의 활동 전위를 측정할 수 있었다. 활동 전위는 세포막의 이온 채널이 열리고 닫힐 때 생성되는 1000분의 1초 이하의 전기 펄스이다. 활동전위는 뉴런이 서로 영향을 미치는 주요 방식이다. 결과적으로 그들은 뇌의 주요 정보 전달자로 간주된다.

그러나 LSD와 케타민으로 인한 활동 전위 활성은 크게 달랐다. 따라서 일반적인 환각 상태와 직접적으로 연결될 수는 없다. LSD의 경우 뉴런이 억제되어 뇌의 모든 부분에서 활동 전위가 더 적게 발생했다. 케타민의 경우 효과는 세포 유형에 따라 달라졌다. 특정 큰 뉴런은 억제되는 반면, 더 작고 국소적으로 연결된 뉴런은 더 많이 활성화되었다.

따라서 아마도 환각 상태와 가장 강하게 연관되어 있는 것은 동기화된 파동 현상(뉴런이 집단적으로 행동하는 방식)일 것이다. 기계적으로 이것은 어느 정도 의미가 있다. 이러한 유형의 동시성 증가는 정상적인 인식과 인지가 의존하는 신경 시스템 전반의 정보 통합에 큰 영향을 미칠 가능성이 높다.

나는 뉴런 수준의 시스템 역학과 의식 사이의 이러한 가능한 연결이 매력적이라고 생각한다. 이는 의식이 개별 뉴런의 활동보다는 결합된 집단 상태에 의존한다는 것을 시사한다. 즉, 의식은 각 부분의 합보다 더 크다.

즉, 이 링크는 현시점에서 여전히 매우 추측적이다. 아직 인간의 뇌에서는 이런 현상이 관찰되지 않았기 때문이다. 또한 인간의 경험을 다른 동물에 추론할 때 주의해야 한다. 물론 설치류 친척과 여행의 어떤 측면을 공유하는지 정확히 아는 것은 불가능하다.

그러나 의식의 심오한 미스터리를 풀려면 모든 정보가 소중하다.

이미지 출처: Gerd Altmann

작성자: 파르 할리에 Pär Halje

https://portal.research.lu.se/en/persons/p%C3%A4r-halje

그는 자유롭게 움직이는 설치류와 영장류의 자발적인 행동과 질병 상태의 전기생리학적 상관관계를 연구한다. 특히, 레보도파로 유발된 운동 이상증이나 환각제 사용 중에 국소 장 전위에 나타나는 설명할 수 없는 협대역 진동 뒤에 숨은 일반적인 메커니즘을 찾고 있다. 그는 MultiPark의 AI/ML 코디네이터이자 MoRe Lab의 기술 관리자로도 활동하고 있다. 그는 이론물리학(스웨덴 스톡홀름 대학교 물리학 석사)과 인지 신경과학(스위스 로잔 EPFL 인지 신경과학 연구소 박사)에 대한 배경 지식을 갖고 있다. 박사 학위 논문의 주제는 체화된 의식의 신경 상관물(다감각 통합, 공간 인식, 자기 식별, 주체)이었다. 그는 세포외 스파이크, 국소 필드 전위 및 인간 ECoG를 포함한 신경생리학적 신호의 데이터 분석과 비디오 추적 및 가속도계를 사용한 동물 행동의 정량화를 전문으로 하고 있다. 그는 이러한 대규모 데이터 세트의 대화형 분석을 위한 여러 소프트웨어 도구를 개발했다. 연구실 밖에서는 즉흥 록 그룹 Øresund Space Collective의 일원으로 음악을 즐길 시간을 찾으려고 노력한다.