우리는 달리기할 때 음악이 희미하게 들리거나 누군가 불러도 잘 알아채지 못하곤 한다. 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 시냅스 뇌질환 연구단 이승희 부연구단장(KAIST 생명과학과 부교수) 연구팀은 동물실험을 통해 뇌가 행동 상태에 따라 감각 정보를 다르게 통합하는 기전을 규명했다. 연구팀은 쥐가 달릴 때는 시각 정보를 우선 처리하고 가만히 있을 때는 청각 정보를 우선하여, 감각 정보를 효과적으로 통합하는 과정이 행동 상태에 따라 변화함을 밝혔다.

우리는 눈으로 보는 정보(시각 정보)와 귀로 듣는 정보(청각 정보)를 동시에 받아들이며 살아간다. 예를 들어, 영화를 볼 때 화면과 소리를 함께 이해해야 내용을 자연스럽게 파악할 수 있다. 하지만 뇌가 감각 정보를 어떻게 결합하여 행동으로 이어지는지는 명확히 밝혀지지 않았다. 특히 자폐스펙트럼, 조현병과 같이 감각처리장애(sensory processing disorder, SPD)를 겪는 사람은 감각 통합 능력이 저하되어, 감각 정보가 뇌에서 통합되는 원리를 이해하는 것은 신경과학적으로 매우 중요하다.

우선, 연구팀은 시각·청각 정보가 통합되는 뇌 영역을 찾고자 실험 쥐 특정 뇌 부위를 인위적으로 비활성화하는 약물주입실험¹⁾과 이를 조절하는 광유전학 실험²⁾을 진행했다. 그 결과, 후두정피질(posterior parietal cortex, PPC)이 시각 정보 처리에 중요한 역할을 하며, 이 영역이 비활성화되면 청각 정보를 우선적으로 처리함을 발견했다.

이후 연구팀은 뉴런의 활성 정도를 측정하는 칼슘 이미징 실험³⁾을 통해 후두정피질의 뉴런들이 어떻게 반응하는지 분석했다. 가만히 있는 경우, 후두정피질의 시각 뉴런이 청각 신호에 의해 억제되어 쥐가 청각 정보를 우선 처리했다. 반면, 쥐가 달리면 청각 신호가 후두정피질로 전달되지 않아 시각 정보가 우선으로 처리됐다.

이러한 변화는 달릴 때 운동피질(secondary motor cortex, M2)에서 생성된 신호가 후두정피질로 청각 정보를 전달하는 뉴런을 선택적으로 억제하면서 발생한다. 즉, 실험 쥐가 달릴 때 운동피질에서 보내는 신호가 청각 정보 전달을 차단하여 시각 정보가 우세해진 것이다. 한편, 청각 피질 자체는 달리는 동안에도 안정적으로 작동해 청각 정보 처리가 유지됨을 확인했다. 이는 개별 감각의 처리 능력은 달라지지 않으며 시각 정보와 청각 정보가 뇌에서 통합되는 과정이 행동 상태에 따라 조절됨을 시사한다.

연구를 이끈 이승희 부연구단장은 “이번 연구는 감각 정보가 뇌에서 처리될 때 개별 감각 자체는 안정적으로 유지되지만, 이를 통합하는 방식은 행동 상태에 따라 유연하게 조절됨을 밝힌 중요한 발견”이라며, “이 연구가 앞으로 감각처리장애 치료를 목표로 하는 특정 뇌 신경회로의 작동 방식을 제시하는 데 기초적인 토대가 될 것으로 기대한다”고 전했다.

이번 연구 결과는 세계적인 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 3월 7일 온라인 게재됐다.

그림 설명

[그림1] 행동 상태에 따른 시청각 정보 처리의 유연성
가) 시청각 정보 기반 의사 결정 테스트에서 실험 쥐는 주어진 시청각 자극을 바탕으로 보상(물)을 얻거나 처벌(얼굴에 약한 바람)을 피하고자 적절한 선택을 해야 한다. 시각·청각 정보가 동시에 주어질 때, 가만히 있는 쥐는 청각 정보를 우선으로 인지하여 행동을 결정하지만, 달리는 쥐는 시각 정보를 더 중요하게 고려하여 행동을 선택하는 경향을 보였다.
나) 칼슘 이미징 실험을 통해 후두정피질 뉴런들이 청각, 시각, 시청각 자극에 반응하는 방식을 분석했다.
다) 각 감각 자극으로 활성화된 후두정피질 뉴런들을 형광 이미징으로 시각화해보니, 달리는 상태에서는 가만히 있을 때보다 청각 자극에 대한 반응이 유의미하게 감소함을 확인했다.

[그림2] 시청각 정보 처리의 유연성을 조절하는 신경 메커니즘
실험 쥐는 가만히 있을 때 후두정피질의 시각 뉴런이 청각 신호에 의해 억제되면서, 청각 정보를 우세하게 인지하여 의사 결정을 내린다. 반면, 달릴 때는 운동피질이 활성화되면서 후두정피질로 전달되는 청각 신호를 선택적으로 억제하게 된다. 그 결과, 시각 정보 처리가 방해받지 않으며, 쥐는 시각 정보를 우선으로 인지하여 행동을 결정한다. 이러한 메커니즘은 행동 상태에 따라 대뇌 피질에서 특정 감각 정보가 우선으로 통합될 수 있음을 보여주며, 동물이 다중 감각 정보를 상황에 맞게 유연하게 조절하도록 돕는 역할을 한다.

[사진1] 이번 연구의 제1저자와 교신저자
왼쪽부터 이승희 IBS 시냅스 뇌질환 연구단 부연구단장(교신저자), 최일송 IBS 시냅스 뇌질환 연구단 박사후연구원

1) 약물주입실험: 특정 뇌 영역을 억제하는 신경전달물질을 모방한 약물(Muscimol)을 주입해 해당 부위의 기능을 차단한 후 동물의 행동 변화를 관찰함.

2) 광유전학 실험: 빛을 받으면 활성화되는 단백질(Channelrhodopsin)을 특정 뉴런에 발현시킨 후, 빛을 이용해 해당 뉴런의 활성을 조절하여 동물의 행동 변화를 관찰함.

3) 칼슘 이미징 실험: 뉴런이 활성화되면 세포질 내 칼슘 이온의 농도가 상승하는데, 칼슘 농도 상승에 따라 형광의 세기가 강해지는 단백질을 발현시켜 여러 뉴런의 활성도를 동시적 형광 이미징으로 시각화하여 관찰함.