혹시 제목을 보고 한때 힙합 음악 경연 프로그램에서 외치던 “너와 나의 연결고리, 이건 우리 안의 소리”라는 구절이 떠오르셨나요? 그렇다면 성공적이네요. 좋아하는 음악 공연을 볼 때 우리의 뇌 속에서 어떤 일이 일어나는지 함께 상상해봅시다. 음악을 들으며 가수의 표정이나 춤을 보는 동시에, 가사의 의미를 곱씹으며 때론 그 가사가 내 이야기처럼 느껴지기도 합니다. 이 모든 과정은 뇌의 외부 정보 처리와 내적 모델링의 결과입니다. 인간의 뇌는 외부에서 들어오는 다양한 감각 정보를 처리하고, 이를 우리가 가진 정보와 결합해 세상에 대한 깊은 이해를 만들어내는 놀라운 시스템을 갖고 있답니다.

두뇌의 정보처리 시스템이란? 외부 정보처리와 내적 모델링에 대해

뇌 기능의 근본적인 원리는 외부 정보처리와 내적 모델링입니다. 외부 정보처리는 우리가 눈으로 보고, 귀로 듣고, 촉각으로 느끼는 외부 감각 자극을 신속하게 분석하는 과정입니다. 반면, 내적 모델링은 이 정보를 토대로 세상에 대한 추론과 의미를 형성하고, 의도와 인과관계를 파악하는 복잡한 과정이죠. 두 가지 정보처리 시스템은 인간과 고등 영장류가 변화하는 환경 속에서 적절히 대응하고 생존하는 데 중요한 역할을 합니다.

우리 뇌의 대규모 기능적 네트워크¹는 이러한 두 가지 정보처리 과정을 담당하며, 주로 대뇌피질에 자리잡고 있습니다. 대뇌피질은 뇌의 가장 바깥층으로, 외부 환경을 인식하고 문제를 해결하며 고차원적인 인지 기능을 수행하는데 중요한 역할을 합니다. 따라서 대뇌피질과 다른 뇌 부위 간의 연결이 어떻게 형성되고 발달하는지 이해하는 것은 매우 중요합니다.

두뇌 발달의 핵심 메커니즘: 시상과 대뇌피질 연결성

두뇌 발달의 핵심 메커니즘으로 연구진은 시상-대뇌피질 연결성에 주목했습니다. 시상은 뇌의 중심부에 위치한 구조로, 외부에서 들어오는 시각, 청각, 촉각 등 다양한 감각 정보를 처리하고 대뇌피질로 전달하는 역할을 합니다. 이는 우리가 주변 환경을 인식하고 반응하는 데 도움을 줍니다. 최근 연구에서는 시상이 단순한 감각 정보 처리뿐만 아니라 고차원적인 인지 기능인 내적 모델링에도 영향을 미친다는 사실이 밝혀졌습니다. 이는 시상과 대뇌피질의 연결이 뇌 기능의 세분화와 밀접하게 관련되어 있음을 시사합니다.

중심부의 시상과 바깥층의 대뇌피질 간 연결성이 두뇌 발달에 미치는 영향을 규명하고자, 유아기부터 성인기까지의 뇌 기능적 자기공명영상(fMRI)을 분석했습니다. 연구진은 이러한 시상-대뇌피질 연결성이 연령에 따라 어떻게 변화하는지를 추적하고, 유전체 분석을 통해 이 연결성과 관련된 유전자 발현을 살펴봤습니다. 이를 통해 시상-대뇌피질 연결성은 유아기부터 성인기로의 발달과정에서 각각 다른 역할을 한다는 점이 밝혀졌답니다.

유아기에는 시상과 감각 운동 네트워크 간의 연결성이 두드러졌으며, 이는 뇌 발달과 관련된 유전자가 활성화되는 시기였습니다. 이때 시상은 외부 감각 정보를 처리하고, 이를 대뇌피질로 전달해 뇌 기능의 초기 기반을 형성하는 역할을 했습니다. 하지만 성인기로 넘어가면서, 현저성 네트워크(salience network)²와의 연결성이 주축이 돼, 외부 정보처리와 내적 모델링 시스템이 독립적으로 분리되는 현상이 관찰됐습니다(그림 1 참고). 이는 뇌의 기능적 세분화가 이루어지며 고차원적 인지 기능이 성숙해지는 과정을 보여줍니다. 이번 연구성과는 뇌과학 분야 세계적 권위지인 ‘네이처 뉴로사이언스(Nature Neuroscience)’에 올해 6월 게재됐습니다.

[그림 1] 시상과 대뇌피질 연결성의 뇌 발달 단계에 따른 변화

(a) 유아기의 시상-대뇌피질 연결성은 감각 운동 네트워크의 초기 분화를 나타낸다. (b) 아동기에서 성인 초기(8~22세)의 현저성 네트워크와의 연결성 확립 및 내∙외부 네트워크 간의 구분을 보여준다. (c) 아동기 및 성인기의 뇌에서 내∙외부 축의 구분과 현저성 네트워크의 중요한 역할을 도식화해 보여준다.

계산 시뮬레이션과 인과관계 분석

연구진은 계산 시뮬레이션을 통해 시상-대뇌피질 연결성이 기능적 네트워크 형성에 미치는 영향을 검증했습니다(그림 2 참고). 시뮬레이션 결과, 시상-대뇌피질 연결 규칙을 교란했을 때 외적 정보를 처리하는 네트워크와 내적 모델링을 담당하는 네트워크 간의 분리가 이루어지지 않았습니다. 이는 시상-대뇌피질 연결성이 뇌 기능적 네트워크 분화에 중요한 역할을 한다는 점을 보여줍니다. 특히, 12세 이후에 연결성이 교란될 경우 외부 정보처리와 내적 모델링을 담당하는 뇌 기능적 네트워크 간의 분리가 복구되기 어려웠으며, 이는 12~18세 사이가 뇌 발달의 중요한 시기임을 시사합니다.

[그림 2] 계산 시뮬레이션을 통한 시상-현저성 네트워크 연결성의 교란 모델

(a) 발달 연령대에 따른 시상-현저성 네트워크 연결성의 교란 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 계산해 교란이 없는 모델과의 차이를 백분율로 표시했다. (c) 시뮬레이션 결과로 도출된 뇌 기능적 네트워크의 분포를 통해 이러한 교란이 뇌 연결성 발달에 미치는 영향을 시각적으로 보여준다.

뇌 질환 연구와 치료에 기여

이번 연구는 시상-대뇌피질 연결성이 두뇌 발달에 어떤 영향을 미치는지 최초로 밝혀낸 중요한 성과입니다. 향후 자폐 스펙트럼 장애, 조현병 등 다양한 뇌 질환 기전을 이해하는 데 활용될 것으로 기대됩니다. 이러한 뇌 질환은 뇌 특정 영역 간 기능적 연결성에 문제가 발생해 나타날 수 있어, 시상-대뇌피질 연결성을 이해하는 것은 뇌 질환 조기 진단과 맞춤형 치료 개발에 중요한 단서를 제공할 수 있습니다.

오늘 뇌의 외부 정보처리와 내적 모델링이 어떻게 기능적으로 분리되고, 그 과정에서 시상-대뇌피질 연결성이 어떤 역할을 하는지 이해함으로써 뇌 발달의 비밀을 한층 더 깊이 탐구했습니다. 앞으로 공연을 보고 음악을 들을 때 열심히 외부 정보를 처리하고 내적 모델링을 업데이트하고 있을 당신의 뇌에게도 힘찬 응원을 보내는 것은 어떨까요?

본 콘텐츠는 IBS 공식 포스트에 게재되며, https://post.naver.com/ 에서 확인하실 수 있습니다.

1 기능적 네트워크: 뇌의 여러 영역이 상호작용해 특정 작업이나 상태를 유지하는 시스템으로, 신경 활동의 동시성이나 상관관계를 통해 식별된다.

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