새로운 신경 임플란트, 여러 뇌 영역 활동 동시 추적

학습과 기억 형성 중에 뇌의 다른 부분들은 어떻게 서로 소통할까요? 캘리포니아 대학교 샌디에이고 연구자들의 새로운 연구가 이 근본적인 신경과학 질문에 답하는 첫걸음을 내디뎠습니다.

이 연구는 뇌 표면부터 깊은 구조까지 여러 뇌 영역의 활동을 동시에 모니터링하는 신경 임플란트 개발로 가능해졌습니다. 이는 해당 분야 최초의 성과입니다. 이 새로운 기술을 사용하여 연구자들은 학습과 기억 형성에 역할을 하는 것으로 알려진 두 뇌 영역인 해마와 대뇌피질 사이에서 다양한 양방향 소통 패턴이 발생함을 보였습니다. 또한 이러한 다양한 소통 패턴이 수면과 휴식 중 해마에서 발생하는 '예파-리플(sharp-wave ripples)'이라 불리는 사건과 연관되어 있음을 보였습니다.

"우리의 신경 임플란트는 다재다능합니다. 뇌의 어느 영역에나 적용할 수 있으며, 해마와 대뇌피질뿐만 아니라 다른 피질 및 피질하 뇌 영역 연구를 가능하게 합니다."라고 Duygu Kuzum 교수는 말했습니다.

신경 임플란트는 미크로미터 크기의 금 전극 배열로 제작된 얇고 투명하며 유연한 폴리머 스트립으로 구성되며, 여기에 백금 나노입자가 증착되어 있습니다. 각 전극은 마이크로미터 두께의 와이어로 맞춤형 인쇄 회로 기판에 연결됩니다. 이는 해마와 같은 뇌 깊숙한 곳의 단일 뉴런에서 전기 신호를 기록하면서 대뇌피질과 같은 넓은 영역을 이미징할 수 있습니다.

여러 설계 특징이 다중 영역 모니터링을 가능하게 합니다. 하나는 이 프로브가 유연하다는 것입니다. 해마와 같은 영역을 모니터링하기 위해 뇌 깊숙이 삽입되면, 뇌 밖으로 나온 부분을 구부려 현미경을 표면 가까이 내릴 공간을 만들어 대뇌피질을 동시에 이미징할 수 있습니다. 기존 신경 프로브는 딱딱해서 현미경의 방해가 되므로, 깊은 뇌 구조를 모니터링하면서 뇌 표면을 이미징하는 데 사용할 수 없습니다. 이 신경 프로브는 부드럽고 유연하지만 삽입 중 압력에 의한 좌굴을 견디도록 설계되었습니다. 또 다른 중요한 특징은 프로브가 투명하여 현미경에 명확한 시야를 제공하고, 이미징 중 그림자나 추가 노이즈를 발생시키지 않는다는 점입니다.

이 연구의 동기는 학습 및 기억 형성과 같은 다양한 인지 과정이 뇌에서 어떻게 발생하는지 근본 원인을 파악하는 것이었습니다. 이러한 과정에는 해마와 대뇌피질 간의 소통이 관여합니다. 하지만 이 소통은 정확히 어떻게 일어날까요? 그리고 어느 뇌 영역이 이 소통을 시작할까요: 해마인가 대뇌피질인가? 이러한 유형의 질문은 이 두 뇌 영역을 동시에 연구하기가 매우 어렵기 때문에 답하지 못한 채 남아 있었다고 Kuzum은 말합니다.

연구자들은 형질전환 쥐에서 해마와 대뇌피질의 활동을 모니터링하기 위해 프로브를 사용했습니다. 구체적으로 해마에서 '예파-리플'이라 불리는 진동이 발생하기 전, 도중, 후에 활동을 모니터링했습니다. 실험 결과 해마와 대뇌피질 간의 소통은 양방향이었습니다. 때로는 피질이 소통을 시작하고, 때로는 해마가 시작했습니다. 이는 뇌의 영역 간 소통을 이해하는 중요한 첫 단서라고 연구자들은 말했습니다.

"우리가 여기서 보고한 양방향 소통은 피질이 해마로부터 정보를 수동적으로 받아들인다는 통념과 다릅니다. 대신 피질은 정보를 뇌에 인코딩하는 데 적극적으로 관여하며 기억 통합과 검색 중에 지시적 역할을 할 수 있습니다."라고 연구원 중 한 명인 Dr. Chi Ren은 말했습니다.