"학습"이 "후천적"일 때 뇌의 변화

 "학습"이 "후천적"일 때 뇌의 변화 ~ 운동 학습은 대뇌 피질 신경 회로를 변화시키고 학습 기억을 발전시킨다. 

'기억'은 '학습'의 연장선상에 있는 현상이지만, '학습'된 정보가 어떻게 '기억'으로서 뇌에 남는지는 알려져 있지 않습니다. 대뇌피질의 신경회로 구조의 변화와 같이 신체가 움직이는 것을 배우는 메커니즘을 포착되었습니다. 

후천적-뇌의-변화

뇌에서는 뉴런 간에 복잡한 방식으로 정보가 교환되어 거대한 네트워크를 형성합니다. 특히 신경 세포와 신경 세포의 정보를 전달하는 연결고리를 시냅스라고 부르며, 시냅스는 학습과 기억에 매우 중요한 역할을 하는 것으로 생각됩니다. 실제로 생쥐에게 특정 운동 훈련을 시키면 운동을 담당하는 대뇌 피질(1차 운동 피질) 영역에서 새로운 시냅스가 형성되고 신경 회로가 바뀌는 것으로 알려져 있습니다. 그러나 과거에는 신경 회로의 변화를 밝힌 연구가 없었으며, 어떤 정보 영역이 학습과 기억에 중요한지와 같은 세부 사항은 알려지지 않았습니다. 학습 과정에서 변화하는 시냅스 연결을 명확히 함으로써 사람들이 나이프나 포크로 무의식적으로 연습하고 점차적으로 수행함으로써 행동을 개선할 수 있도록 하는 뇌의 메커니즘이 명확해질 것이라고 생각했습니다. 

"운동 학습"과 "운동 기억"의 신경 메커니즘을 명확히 하기 위해 운동 학습을 위해 훈련된 쥐의 시냅스 변화를 관찰했습니다. 
먼저 앞다리를 이용하여 운동학습과제를 지속적으로 수행하는 생쥐의 뇌를 관찰한 결과, 앞다리의 움직임을 조절하는 대뇌피질의 일차운동피질에 새로운 시냅스가 형성되는 것을 확인하였다. 선행연구에서 보고된 바와 같이 학습 초기(학습 1일~4일 차)에 새로운 시냅스 연결이 자주 형성되었으며, 운동능력에 능숙할수록 능수능이 높았다. 그 수가 많다는 것은 새로운 시냅스 연결의 형성이 운동 능력 향상에 중요하다는 것을 나타냅니다.

이 연구에서 우리는 이러한 새로운 시냅스 연결이 뇌의 어디에서 정보를 전달하는지 조사했습니다. 그 결과, 새로 형성된 많은 시냅스 연결들이 상부 운동 피질로부터 보내진다는 것이 밝혀졌다. 고차원 운동 피질은 운동 계획 및 준비와 같은 운동 실행과 관련된 의식적인 정보 처리를 담당하는 것으로 생각되며, 신호 정보를 의식적으로 올바른 움직임으로 보낼 수 있습니다. 즉, 동물들은 학습의 초기 단계에서 운동 과제를 마스터하기 위해 "시행착오를 통해" 다양한 일을 한다고 추론할 수 있습니다. 
반면, 학습 후기 단계(학습 5~8일 차)에는 학습 초기에 새로 형성된 시냅스 연결이 많이 사라졌습니다. 그러나 잔류 시냅스도 존재하며, 시상(thalamus)이라는 영역에서 정보를 받는 시냅스가 학습의 후기 단계에 머물러 있음을 발견했습니다. 또한 시상으로부터 정보를 전달하는 시냅스 연결이 남아 있을 뿐만 아니라 신호가 더 강화되었음을 밝혔다. 시상(thalamus)은 뇌 깊숙한 곳에 있는 영역으로, 자동화된 운동 신호를 전달하는 것으로 알려져 있습니다. 이러한 결과를 바탕으로 시상으로부터의 입력은 학습의 후기 단계에서 중요한 역할을 하며, 학습된 운동 정보의 정보 처리는 점차 자동화되고 습관화된다고 생각합니다.

사실, 화학유전학적 방법을 사용하여 운동 과제 훈련 중에 고등 운동 피질의 정보를 억제하면 운동 개선이 어렵다는 것이 분명해졌습니다. 한편, 시상에서 운동 피질로의 신경 정보 전달이 억제되어도 평소와 같이 움직임이 개선되었습니다. 이러한 결과는 고등 운동 피질의 정보가 학습 초기 단계의 운동 개선에 중요하며 시상에서 나오는 정보의 영향이 약하다는 것을 나타냅니다.
그러나 8일 동안 훈련을 받고 움직임이 충분히 개선된 쥐의 경우, 훈련 9일째에 시상에서 일차 운동 피질로 가는 신경 신호를 실험적으로 억제한 결과 개선된 운동을 제대로 수행할 수 없는 것으로 나타났습니다. 이 결과는 이미 수집된 "모터 메모리"를 자동으로 실행할 때 시상의 정보가 중요하다는 것을 나타냅니다. 이러한 결과는 고등 운동 피질에서 일차 운동 피질로의 신경 정보 전달이 운동 학습에 중요한 역할을 하며, 획득한 운동 기억은 시상으로부터의 시냅스 입력에 의해 인수되어 새로 저장된다는 것을 보여줍니다.

'기억'은 '학습'의 연장선상에 있기 때문에, 기존에는 '학습'에 의해 새로운 신경회로가 형성되어 '기억'의 신경회로가 성숙함에 따라 기능한다고 생각했습니다. 우리의 연구에 따르면 "학습"과 "기억"은 서로 다른 메커니즘에서 기능합니다. 이러한 결과를 바탕으로 우리는 "학습 시냅스"가 "기억 시냅스"를 형성하고 학습 기억을 확립하는 데 도움이 된다는 새로운 이론을 제안했습니다. 

뇌가 학습한 것을 기억으로 변환하는 방법에 대한 새로운 지식을 보여줄 수 있습니다. 예를 들어, 젓가락 사용법을 연습하면 처음에는 손가락 끝을 움직여야 하지만, 연습하면 할수록 능숙해집니다. 결국 대화를 할 때, TV를 볼 때, 신문을 읽을 때 무의식적으로 젓가락을 잘 사용하여 먹게 됩니다. 우리는 이 성과가 그러한 일상적인 운동 학습에 관여하는 뇌의 학습 메커니즘의 해명으로 이어질 것이라고 믿습니다."라고 말하고 있습니다. 

특정 동작을 연습할 때 일차 운동 피질과 피질하(시상) 사이의 조정이 잘 되지 않는 것으로 생각됩니다. 그러므로, 더 높은 운동 피질이 이러한 조정을 돕고 있을 가능성이 있다. 한편, 이 연구는 사람들이 개선되면 더 높은 운동 피질의 도움 없이도 일차 운동 피질과 하부 피질 사이의 조정이 더 정교해지고 움직임이 더 부드러워진다는 것을 시사합니다.

학습 과정에서 대뇌 피질에 나타나는 시냅스에는 '학습'에 중요한 기억 회로의 통합을 촉진하는 시냅스와 서로 다르고 별도로 기능하는 '기억'을 담는 시냅스가 포함된다는 것을 발견되었습니다. 
운동과 관련된 대뇌 피질의 신경 회로는 "학습"과 "운동 능력 습득"에 중요한 역할을 하는 것으로 밝혀졌습니다. 
시상(thalamus)에서 뇌 깊숙한 곳에 있는 운동 피질(motor cortex)로 전달되는 시냅스 입력은 학습된 기술을 "기억"으로 유지하고 자동운동 기능에 중요한 역할을 합니다. 

동물은 생존을 위해 환경에 유연하게 적응하기 위해 학습할 수 있는 능력이 있습니다. 이를 위해 동물은 배운 것을 대뇌 피질에 기억으로 간직합니다. 대뇌피질의 신경회로에서 일어나는 변화를 규명할 수 있었다. 이 기억의 원리는 감각 정보(시각, 청각, 체성 감각 등)를 사용한 학습과 고차원 기능을 사용한 학습에 대해 유사한 메커니즘을 따를 가능성이 높습니다.