우리의 뇌는 영화를 보거나 책을 읽을 때 다양한 정보를 동시에 받아들이며 기억을 형성한다. 특히, 등장인물의 이름, 관계 변화, 사건의 흐름 등을 통합적으로 기억해야 나중에 내용을 잘 회상할 수 있다. 이처럼 새로운 정보 처리, 기억 형성 그리고 회상과 같은 일련의 과정을 우리 뇌 속 해마(hippocampus) 어떻게 통합적으로 조율하는지 비밀이 밝혀졌다.

기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 뇌과학 이미징 연구단 심원목 참여교수(성균관대 글로벌바이오메디컬공학과 부교수)와 유승범 참여교수(성균관대 글로벌바이오메디컬공학과 조교수) 공동연구팀은 기능적 자기공명영상(functional MRI, fMRI)¹⁾을 활용해 해마가 기억 형성과 회상에 관여하는 여러 인지 과정을 조율하는 메커니즘을 규명했다.

연구팀은 실험 참가자들에게 유튜브 웹드라마를 보여준 후, 자유롭게 줄거리를 회상하게 하면서 뇌 신호를 측정했다. 웹드라마는 대학생들의 연애와 우정 이야기를 다루며, 삼각관계와 이별 같은 다양한 갈등을 포함하고 있었다. 실험 결과, 새로운 정보가 적은 장면일수록 참가자들이 더 잘 기억하는 경향이 나타났다. 이는 새로운 정보를 감지하는 과정과 기억 형성 과정이 연관되어 있음을 암시한다. fMRI 데이터 분석 결과, 해마는 영화 장면마다 새로운 정보 처리, 기억 형성 그리고 기억 회상 과정을 처리하며 이 일련의 과정을 조율하는 역할을 한다는 것이 확인됐다.

이에 연구팀은, 해마의 조율 역할을 중심으로 fMRI 데이터를 분석했다. 해마의 신경 신호를 분석해 각 인지 과정의 핵심 신경 신호 축인 ‘기억 형성 공간’, ‘기억 회상 공간’, 그리고 ‘새로운 정보 처리 공간’을 추출하여 분석했다. 이 공간들은 뇌에서 발생하는 복잡한 신경 신호를 단순화해 특정 기억 과정이나 정보 처리 과정을 설명하는 핵심 신호 축인 저차원 하위 공간(low-dimensional subspace)'을 의미한다.

그 결과, 새로운 정보를 처리하는 공간과 기억 형성 공간은 신경 활동이 특정 축을 따라 조율·정렬되는 방식으로 상호작용하고 있었다. 여기서 ‘정렬’은 신경 신호 패턴이 서로 유사하게 배치되고 조화를 이루는 것을 의미한다. 이는 해마가 새로운 정보를 처리한 뒤 이를 기억 형성과 통합하는 것을 돕는다는 점을 보여줬다.

반면, 기억 회상 공간은 기억 형성 공간과만 정렬되어 있었고, 새로운 정보를 처리하는 공간과는 정렬되지 않음을 확인했다. 더하여, 새로운 정보 처리 공간과 기억 형성 공간의 정렬이 더 잘 이루어진 참가자일수록 이후 영화 내용을 더 잘 기억하는 경향도 나타났다. 이는 해마가 기억을 형성할 때 신경 신호 패턴이 얼마나 잘 조율·정렬하는지가 기억력을 높이는 중요한 열쇠라는 점을 보여준다.

유승범 참여교수는 “해마의 개별 인지 과정에서의 역할 뿐 아니라 여러 인지 과정을 조율하는 역할을 규명한 중요한 연구”라고 전했다. 심원목 참여교수는 “자연스러운 경험 속에서 뇌 활성화 패턴을 분석해 기억 형성과 회상 과정을 조율하는 해마의 메커니즘을 밝힌 혁신적 연구”라고 밝혔다.

이번 연구는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 1월 14일 온라인 게재됐다.

그림 설명

[그림1] 기억 과정과 관련된 해마의 하위 공간 간 정렬
그림 A는 영화를 시청하는 참가자들의 해마 역학을 개괄적으로 나타낸 그림이다. 해마의 fMRI 데이터는 복셀 단위로 측정되며, 각 정보의 새로운 정도와 기억 수행 점수를 이용해 관련된 하위 공간을 추출할 수 있다. 이를 통해 하나의 해마 역학 데이터에서 새로운 동시 등장 정보 처리, 새로운 관계 정보 처리, 기억 형성이라는 세 가지 하위 공간을 각각 추출했다.

그림 B는 하위 공간 간의 정렬 정도를 보여주는 그래프이다. 분석 결과, 정보의 새로움을 처리하는 공간들은 기억 형성 공간과 정렬되어 있었지만, 기억 회상 공간과는 정렬되지 않았다. 통계적 검정을 위해 데이터를 섞어서 생성한 하위 공간 1,000개에 대한 정렬 정도를 계산하고(회색 점 데이터), 이를 실제 관찰된 하위 공간의 정렬 정도(빨간색 및 보라색 점 데이터)와 비교했다.

그림 C는 정보의 새로운 정도를 처리하는 공간과 기억 형성 공간 간의 정렬 정도가 기억 수행 점수와 어떻게 관련되는지 보여준다. 그래프의 각 점은 개별 참가자의 데이터로, 참가자 정보의 새로운 처리 공간과 기억 형성 공간이 더 정렬될수록 영화 내용에 대한 기억 수행 점수가 더 높았다.

[그림2] 해마의 고유 성분과 하위 공간 성분의 비교
해마의 고유 성분과 추출된 하위 공간들이 어떻게 연관되어 있는지를 시각화한 그림이다. 가운데 세 개의 성분은 참가자들이 영화를 시청하거나 영화 내용을 자유롭게 회상할 때 해마의 신경 신호 데이터를 주성분 분석으로 차원 축소하여 얻은 주성분이다. 선행 연구에서 제안된 대로, 해마의 세로축을 따라 세 가지 주성분이 나뉘는 구조를 확인할 수 있었다.

첫 번째 주성분은 기억 형성 공간과 연관이 있었고, 세 번째 주성분은 정보의 새로움을 처리하는 공간과 연관이 있었다. 또한, 정보의 새로움을 처리하는 공간은 기억 형성 공간과 연관이 있었지만, 기억 회상 공간과는 연관이 없었다. 반면, 기억 형성 공간과 기억 회상 공간은 서로 연관이 있었다.

이러한 결과는 이번 연구에서 추출한 신경 하위 공간들이 해마에 내재된 고유의 기능적 구조를 반영하고 있음을 보여준다.

1) 기능적 자기공명영상(functional MRI, fMRI): 뇌 활동을 시각적으로 분석하기 위한 비침습적 영상 기술이다. 이 기술은 뇌의 특정 영역에서 발생하는 혈류 변화를 측정하여, 해당 영역의 신경 활동을 간접적으로 추적한다.