일본 과학기술진흥기구는 전략적 창조연구추진사업의 일환으로 수행한 도야마 대학 연구진의 연구에서 마우스의 서로 다른 두 기억을 인위적으로 결합하여 새로운 기억을 만드는데 성공하였다고 밝표하였다.
뇌가 가진 기능 중 하나는 서로 다른 기억을 연결하여 새로운 의미를 가진 기억을 형성하는 기억 업데이트 기능이다. 기억은 뇌의 중심에 특정 신경세포집단의 형태로 부호화되어 저장된다. 구체적으로는 경험 시 활동하는 특정 신경세포집단(세포군, cell assembly)으로 기억을 부호화하고, 그 세포군이 다시 활동할 때 기억이 상기된다. ([그림 1]) 서로 다른 기억에는 서로 다른 세포군이 대응한다.
최근 광 유전학을 이용하여 특정 기억에 대응하는 세포군을 인위적으로 활동시켜 그 기억을 강제적으로 활동시키면서 공포 체험을 하게 하면, 그 기억과 공포가 결합되며 기억이 형성되는 것이 밝혀졌다. 즉, 과거의 기억과 체험의 사건을 연결시켜 현상을 오인하게 되는 것이 가능하게 되었다. 하지만 이미 기억되어 있는 오래된 기억들을 결합시켜 질적으로 다른 새로운 기억을 형성하는 방법에 대해서는 밝혀지지 않았다. 이에 따라 두 개의 기억을 인공적으로 결합하여 새로운 기억을 구축 및 재현하는 것이 가능한지가 큰 문제로 남아있었다.
본 연구에서는 마우스를 이용하여 학습능력을 이용한 문맥성 공포조건부여의 변법인 CPFE과 제를 활용하였다. 조건 부여장치 (사각의 관)에 마우스가 들어가면 바로 전기쇼크를 주는 즉시 꺼내어(즉시 쇼크) 마우스가 장치와 공포체험을 관련 지을 수 없도록 하였다.
하지만 일단 장치에 들어가 그 장소에 대한 기억을 형성하면 (문맥 사전 폭로), 그 후 즉시 전기쇼크 체험을 주어 장치와 공포를 연관시켜 기억하게 하면, 사각의 관에 대해 높은 공포반응을 보이는 것이 밝혀졌다. ([그림 2] 페어 군) 한편 문맥 사전 폭로로 둥근 관을 기억시킨 후 사각의 관에서 쇼크를 부여한 케이스는 양쪽 체험을 연결짓지 못하기 때문에, 둥근 관에 들어간 마우스는 낮은 공포반응을 보였다. ([그림 2], 암페어군) 이에 따라 둥근관에서의 체험과 공포의 체험(전기쇼크)이 독립적으로 기억됨을 이해할 수 있었다.
문맥 사전 폭로와 즉시 쇼크 체험 시 활동하는 신경세포를 CatFISH법으로 해석하면, 장소에 관한 기억과 공포에 관한 기억을 결합시키는 경우 문맥 사전 폭로 시와 즉시 전기쇼크 시 양쪽 모두 활동하는 신경세포(오버랩 신경세포)의 수가 편도체 BLA 부위에서 증가함을 확인할 수 있었다. ([그림 2]) 즉, 장소 세포군과 공포세포군 간의 오버랩률을 결합하지 않은 경우와 비교하여 크게 증가함을 밝혀내었다. 이는 2개의 세포군을 동시에 계속적으로 활동시키는 것이 기억 결합의 메커니즘임을 강하게 시사하였다.
다음으로 2개의 독립된 기억이 인위적으로 결합할 수 있는지, 할 수 없는지를 조사하였다. c-fos::tTA 유전자개량 마우스와 재편성 렌티 바이러스 유전자 도입법을 결합한 시스템을 활용하여 둥근 관과 즉시 쇼크(암페어군)에서 활동하는 해마와 편도체 세포군에 채널로드맵2를 도입하였다. ([그림 3])
이 체험 1주일 후 마우스가 홈 케이지에서 쉬고 있을 때, 해마와 편도체에 주입한 광셤유를 통하여 20Hz의 레이저광을 2분광 조사하여 채널 로드맵의 발현세포를 활동시켰다. 이 조작으로 둥근 관 세포군과 공포체험 세포군을 동기활동시켰다. 다음 날, 이 마우스를 둥근 관에 들여보내자 강한 공포반응을 보였다. 마우스는 체험하지 않은 삼각관에 대해서는 공포반응을 보이지 않았기 때문에, 장소의 기억과 공포의 기억의 인위적 결합의 특이성이 있다는 것을 확인할 수 있었다.
이 인위적 기억 결합에는 NMDA 수용체 의존성이나 단백질 합성의존성이 있으며, 통상적인 방법에 의해 형성된 연합기억과 같은 성질을 가지고 있다는 것을 확인하였다. 이상의 결과로 각각 기억에 대응하는 세포군이 동시에 활동하는 오버랩이 기억 결합의 메커니즘이며, 각각 다른 세포군을 동기활동시켜 독립적인 두 개의 기억을 인위적으로 결합시킬 수 있다는 것을 확인하였다.
본래 결합되지 않은 과거의 기억들을 어떠한 계기로 관련지어 체계를 세우는 것은 인간의 뇌 기능에 있어 매우 중요한 요소이다. 기억이 결합되는 메커니즘에 관한 이번 연구는 이러한 인간의 동차 뇌 능력을 해명으로 연결될 수 있는 성과이다. 또한 관련이 약한 기억들을 불필요하게 결합시키는 것은 여러 가지 정신질환에도 관련되어 있기 때문에, 독립적인 2개의 기억을 연결시키는 이번 성과는 정신질환의 치료에도 기여할 것으로 기대된다.
본 연구에 관한 자세한 내용은 2015년 4월 2일 발표된 'cell reports'지에 게재된 논문 "Artificial Association of Pre-Stored Information to Generate a Qualitatively New Memory"에서 확인할 수 있다.
