기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 뇌과학 이미징 연구단 홍석준 참여교수(성균관대 글로벌바이오메디컬공학과 교수) 연구팀은 뇌의 외적 정보처리와 내적 정보처리를 담당하는 대규모 기능적 전뇌 네트워크(functional brain network)¹⁾들이 형성되는 과정을 아이들의 뇌 영상을 성장 시기별로 분석해 최초로 밝혀냈다.

외적 정보처리와 내적 정보처리는 뇌 기능의 아주 근본적인 원리이다. 외부 세계로부터 쏟아져 들어오는 시각적 정보(텍스트)를 처리하는 ‘외부수용’ 기능과, 이 정보를 기반으로 외부 세계에 대한 인과관계를 더 깊이 이해(의도파악 등)하는 ‘내부모델링’ 기능이 바로 그것이다. 이는 인간을 포함한 고등영장류가 변화하는 환경 속에서도 적절히 대응하고 생존하도록 도와주는 핵심적인 인지 역량이다. 두 정보처리를 담당하는 대규모 기능적 전뇌 네트워크들은 대뇌피질에 포함되는데, 이는 뇌 발달과 밀접한 관련이 있다.

특히, 뇌의 발달 과정에서 시상(thalamus)²⁾과 대뇌피질(cerebral cortex)³⁾ 간 연결성은 뇌 기능 분화에 핵심적인 역할을 한다. 시상은 주로 외부 감각 정보를 처리하는 중계 역할을 하는데, 최근 연구에서는 내부모델링과 같은 상위인지기능에도 영향을 미친다고 밝혀졌다.

이에 연구진은 뇌의 발달 과정에서 시상이 대뇌피질의 기능적 세분화에 미치는 영향, 즉 외부 네트워크와 내부 네트워크에 어떤 영향을 미치는지 조사했다. 우선, 유아기부터 성인기에 걸친 다양한 연령대의 뇌 영상 데이터에 최신 뇌 영상 분석기법을 적용해 시상-대뇌피질 연결성이 나이에 따라 어떻게 변화하는지 추적 관찰했다. 또한, 유전체 분석으로 시상-대뇌피질 연결성이 뇌 발달에 관여하는 유전자의 발현과 관련 있는지 살폈다.

그 결과, 시상-대뇌피질 연결성은 뇌 발달 초기 단계와 이후 단계에서 다른 역할을 한다는 점을 알아냈다. 유아기에는 시상과 감각 정보를 전달하는 대뇌피질 영역(감각 운동 네트워크) 간 연결성이 뚜렷하고 뇌 발달과 관련된 유전자가 발현됐다. 하지만 성인기로 넘어가면서 현저성 네트워크(salience network)⁴⁾와의 연결성이 주축이 돼 외부수용성과 내부모델링 시스템이 분리됐다. 이는 구분된 각 시스템이 서로 명확히 다른 역할을 수행하게 되어 기능적 세분화가 일어났다는 의미이다.

또한, 연구진은 발달 시뮬레이션으로 시상-대뇌피질 연결성과 기능적 전뇌 네트워크 형성 간 인과관계에 대한 가설을 검증했다. 시뮬레이션하는 동안 시상-대뇌피질 연결 규칙(wiring rule)을 임의로 교란(조절)하니 내·외부 네트워크 간 분리가 이루어지지 않았으며, 이는 횡·종단적 데이터 분석에서도 확인 가능함을 함축적으로 의미한다.

동시에 인과관계를 나타내는 뇌 발달 곡선도 추적 조사했다. 성숙한 두뇌의 주요 특징은 기능적 분리와 감각-연합 축(sensory-association axis)⁵⁾의 발달인데, 시상-대뇌피질 연결성이 이에 기여함을 알아냈다. 그중에서도 특히 12~18세 사이에 크게 기여해, 두뇌 발달에 어느 시기가 가장 중요한지를 밝혔다.

이번 연구는 시상-대뇌피질 연결성이 내·외적 정보처리 과정을 담당하는 기능적 전뇌 네트워크의 초기 형성과 발달에 기초 틀을 제공한다는 것을 처음 밝혔다. 이는 뇌 발달에 대한 이해를 높이고, 대뇌피질의 기능적 세분화가 뇌 질환과 어떻게 연결되는지에 대한 중요한 단서를 제공한다.

홍석준 교수는 “태아의 뇌가 형성될 때 시상이 중요한 역할을 한다고 알려져 있었지만, 태어난 이후에도 기능적 전뇌 네트워크의 발달에 영향을 미침을 밝혀냈다”며, “이를 통해 내·외적 시스템 발달 부진으로 나타나는 자폐, 조현병 등 다양한 뇌 질환의 기전을 이해하는 데 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.

연구결과는 국제학술지 ‘네이처 뉴로사이언스(Nature Neuroscience)’ 온라인판에 6월 10일 게재됐다.

그림 설명

[그림 1] 시상 연결지도와 신피질 투사지도
시상 연결지도와 신피질 투사지도로 뇌 발달 단계에 따른 연결성의 변화를 보여준다. (a)에서는 유아기(29~44주)의 시상 연결지도 1, 2와 신피질 투사지도 1, 2가 감각 운동 네트워크의 초기 분화를 나타낸다. (b)에서는 어린이와 성인 초기(8~22세)의 지도를 보여주며, 현저성 네트워크(salience network)와의 연결성 확립 및 외부지향 시스템과 내부지향 시스템 간의 구분을 보여준다. 이는 각 신피질 투사지도의 파란색 영역의 위치에서 확인할 수 있는데 지도 1의 경우 외부지향 네트워크를, 지도 1의 경우 내부지향 네트워크를 나타낸다. 각 신피질 투사지도 옆 상자 그림에서는 대뇌피질을 7개의 주요 기능적 네트워크로 구분한 뇌 지도인 ‘Yeo-Krienan 7 네트워크 아틀라스’를 기반으로 신피질 투사지도의 값을 정렬했다. (c)에서는 어린이와 청소년기의 신피질 투사지도에서 도출된 내외부 축의 구분을 도식화해 현저성 네트워크의 중요한 역할을 보여준다.

[그림 2] 발달 시뮬레이션 기반 네트워크 모델의 교란
(a) 발달 연령에 따라 변화하는 시상-현저성 네트워크 연결성 규칙을 기반으로 한 발달 시뮬레이션 모델을 보여준다. 네 가지 교란 모델을 테스트했는데 이는 각각 8~12세, 12~18세, 18~22세 및 모든 연령 그룹의 연결 규칙에 교란을 적용한 모델로, 교란이 없는 모델과 비교했다.
(b) 각 모델의 시뮬레이션 결과에 대한 분리 지수(현저성-외부, 현저성-내부)를 계산했으며, 교란이 없는 모델과 비교한 차이를 백분율로 표시했다.
(c) 각 모델의 시뮬레이션 결과에서 추출한 대뇌피질 그라디언트(gradient)는 이러한 교란이 뇌 연결성 발달에 미치는 영향을 보여준다.

[동영상 1] 발달 단계에 따른 신피질 투사지도의 변화 영상(29~44주, 8~22세)
이 영상은 나이에 따른 그라디언트(gradient)의 발달을 보여준다. 29~44주와 8~22세 동안의 신피질 투사지도의 변화를 시각적으로 나타내며, 나이에 따라 신피질 영역화가 어떻게 발달하는지를 보여준다. 이는 뇌 발달 연구에 중요한 통찰을 제공하고 시상-대뇌피질 연결성의 기능적 변화와 세분화를 이해하는 데 기여한다.

1) 기능적 전뇌 네트워크(functional brain network): 뇌의 여러 영역이 상호작용해 특정 작업이나 상태를 유지하는 시스템으로, 신경 활동의 동시성이나 상관관계를 통해 식별된다.

2) 시상(thalamus): 뇌의 중심부에 있는 구조로, 다양한 감각 정보를 대뇌피질로 전달하고 처리하는 중계 역할을 하며, 수면 및 각성 상태의 조절에도 중요한 역할을 한다.

3) 대뇌피질(cerebral cortex): 대뇌의 가장 바깥층을 이루는 얇은 회백질로 인간의 고차원적인 인지 기능, 감각 처리, 운동 조절, 언어, 기억, 감정 등을 담당한다.

4) 현저성 네트워크(salience network): 뇌의 특정 자극이나 사건을 감지하고 이에 주의를 기울이도록 하는 뇌 기능적 네트워크로, 대표적으로 전방섬엽(anterior insula)과 대상회(cingulate gyrus)가 포함된다.

5) 감각-연합 축(sensory-association axis): 다양한 감각 정보를 처리하고 통합해 고차원적인 인지 기능과 연결하는 신경 경로이다. 시각·청각·촉각과 같은 감각 정보는 각각 일차 감각 피질에서 처리된 후 두정엽, 측두엽, 전두엽 등의 연합 영역으로 이뤄진 기능적 네트워크들에 전달된다.