우리는 특정 상황에서 빛, 소리, 행동 즉, 외부의 감각(sensations)이 우리의 반응으로 통합되는 방법을 지속적으로 학습한다. 새로운 연구에서 생쥐가 특정 소리에 반응하여 특정한 결정을 내리는 학습을 하는 동안, 신경 세포들 간의 소통에서의 변화가 지도화되었다. 그 다음, 이 지도는 생쥐의 반응을 정확히 예측하는데 이용되었다. 이들 결과는 뇌가 감각을 가공하고 기억을 만들어 행동에 정보를 제공하는 방법에 대한 이해에 도움이 된다.

연구자들이 뇌의 기억을 읽고 있다는 것이 제이도(Anthony Zador) 박사의 말인데, 그는 콜드스프링하버연구소 (Cold Spring Harbor Laboratory)의 교수이고 학술지 nature에 실린 이번 논문의 선임 저자이다. 10여 년간 뇌의 기억을 지도화하려는 학자들의 노력이 진행되고 있는 가운데, 이번 연구에서 특정 기억이 만들어지고 학습이 일어나고 있는 곳의 시냅스들의 정확한 위치를 찾아내는 일을 시작할 수 있다는 것이 확인되었다고 한다.
제이도 박사 연구실이 연구한 통신 지점들 또는 시냅스들은 선조체(striatum)에 위치하는 데, 이는 뇌의 안쪽 깊숙한 곳에 위치하는 통합센터 (integrating center)로, 생각과 감각을 감각의 해석(translation)을 행동으로 통합시키는 데 있어 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 선초체의 기능 관련 문제점들은 헌팅톤 병(Huntington`s disease)과 같은 특정 신경적 장애와 연관이 있는데, 이 질환자들은 기술 학습(skill learning)에 심각한 장애가 있다.
이번 연구로 얻어진 중추적 시냅스의 가소성(central synaptic plasticity)에 대한 이해는 청각적 학습(auditory learning)이 촉발되고 유지될 수 있는 방법에 대한 이해에 도움이 되고, 또한 언어 학습과 같이 매우 복잡한 기술에 대한 이해에도 의미가 있다고 한다.
듣기는 소리를 신경 세포 시그널로 바꾸어 뇌로 전달하는 귀의 유모 세포로부터 시작되고, 그 신호들은 뇌의 청각 피질(auditory cortex )에 의해 가공된다. 선초체의 신경들과 시냅스로 연결된 길고 가는 액손으로 신호를 내려 보내는 신경들이 청각 피질을 비롯한 대부분의 피질 영역에 존재한다. 선조체는 다중의 피질 영역에서 온 정보들을 가공하여 그 피질로 되돌려 보내는 복합적 릴레이 회로(multiple relay circuit)의 일부로, 이 회로는 기술학습에 핵심이 된다.
재멘스키(Petr Znamenskiy) 박사는 이전 연구에서 청각적 식별 과제(auditory discrimination task)를 수행하는 동안, 특정 음파를 코드(code )하는 청각 피질 뉴런이 선조체 뉴런에 신호를 보내고, 이 신호가 행동 결정으로 이어진다는 것을 확인했다. 어떤 선조체 세포들은 진동수가 높은 소리에, 다른 선조체 세포들은 진동수가 낮은 소리에 조율되어 있었다. 이번 연구에서는 낮은 진동수의 소리에 대한 반응으로 방향성 이동(directional movements)을 하는 것을 배우는 훈련을 생쥐가 받으면 청각 피질과 선조체 간의 시냅스 연결의 강도가 증가한다는 것이 확인되었다.
이 시그널에 대한 연구를 위해, 고주파와 저주파 톤(low frequency tone)에 대한 선조체의 전기적 반응이 기록되었다. 그 기록은 생쥐의 좌측 선조체(left striatum)에서 이루어졌고, 이는 우측 이동을 담당한다. 어떤 시냅스들은 고주파 톤에 반응하고 다른 시냅스들은 저주파 톤에 반응하는 것이 발견되고, 생쥐의 좌측 선조에 대한 주파수 대응 지도(음위상 지도, tonotopic map)가 얻어졌다.
이 연구팀은 또한 청각 피질 세포에 광 감수성 분자를 주입하여, 소리 외에 빛의 번쩍임에 대한 반응으로 청각피질의 엑손을 직접적으로 자극할 수 있게 만들었다. 그 다음, 생쥐가 훈련되었다. 생쥐는 세 개의 문 앞에 놓여졌고, 첫 번째 세트의 실험에서, 오른쪽 문 뒤의 음식을 저준위 톤에, 오른쪽 문 뒤의 음식을 고준위 톤에 반응하여 찾도록 훈련되었다. 네 번의 훈련 과정으로 실행력은 극적으로 개선되었다. 특정 소리와 음식 위치 간의 관계를 학습시킨 결과, 훈련 횟수의 증가에 따라 음식을 찾는 속도는 더 빨라졌다.
매회 훈련 이전에 레이저 플래시(laser flashes)에 의한 청각 피질 엑손 자극에 대한 반응으로, 좌측 선조체에서 시냅스적으로 생성되는 전기적 시그널이 기록되었다. 그 결과, 생쥐의 실행이 좋아질수록, 저준위 음에 맞추어져 있어 오른쪽 이동에 이르게 하는 좌측 선조체의 시냅스들이 점진적으로 강해지는 것이 발견되었다. 이와 반대로, 고준위 시냅스들의 강도는 변하지 않았다. 시각적 큐(visual cues)에 대한 훈련의 경우는 이 시냅스에 아무런 효과가 없어서, 이 변화는 저 준위 음을 듣는 것에 기인하며, 다른 감각에 의한 것은 아닌 것으로 확인되었다.
말 그대로, 훈련 과정 동안 매우 특정한 소리에 대한 반응으로 시냅스가 귀 기울이고 학습하는 것을 이 연구자들이 목격한 것이라고 한다.
그 다음, 훈련 받은 생쥐의 좌측 선조체의 슬라이스를 해부하고, 슬라이스의 서로 다른 부분들의 엑손 활성을 광 플래시(light flashes)로 유도하여 시냅스들을 지도화했다. 이 지도화로 생쥐에게 저준위 음을 우측 문 뒤의 음식과 연결시키는 훈련시키면, 선조체 안쪽 경계(inside border) 근처의 시냅스들에서의 커뮤니케이션이 강화되고, 이 효과는 선조체의 외부 표면(outer surface) 쪽으로 이동할수록 감소된다는 것이 발견되었다.
다음 시험은 역으로 즉, 오른쪽 문을 고준위 음에 상응시키는 훈련이 이루어졌다. 이 경우, 좌측 선조체의 외부 경계면 쪽 즉, 고 준위에 반응하여 오른쪽으로 이동하는 시냅스들이 훈련으로 강화되었다. 이 연구 결과는 학습 회로(circuits )에는 과제의 정확한 조건에 따라 특이성이 있다는 것을 보여준다. 이번 연구결과는 피질과 선조체 간의 연결에 대한 선택적 강화로 감각 진술(sensory representations)이 모터 반응 선택을 가이드하는 방법에 대한 일반적 메커니즘이 제공된다는 것을 시사한다. 이번 연구 결과는 뇌가 감각(sights, sounds, smells)을 의미로 전환하는 방법에 대한 한 가지 훌륭한 사례라고 한다.