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차원용(77회)소장/시상망상핵(TRN), 집중력과 멀티태스킹을 유지하게 하는 메커니즘(퍼온
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퍼온곳 : ICT portal media(15.11.24)
시상망상핵(TRN), 집중력과 멀티태스킹을 유지하게 하는 메커니즘
차원용 소장/교수/MBA/공학박사/미래학자
아스팩기술경영연구소(주) 대표, 국과과학기술심의회 ICT융합전문위원회 전문위원, 미래창조과학부 성장동력발굴기획위원회 기획위원, 국제미래학회 과학기술위원장, (사)창조경제연구회 이사, 연세대학원/KAIST IP-CEO 미래융합기술 겸임교수
여러분이 어떤 한 가지 일에 집중하고 있을 때에는, 지나가는 자동차 소리, 옆 사람이 지껄이는 소리, 전화벨이 울리는 소리가 들리지 않는다. 설사 다 끓는 커피 향기의 냄새도 맡을 수 없고 누군가 바라보는 시선도 인식할 수 없다. 반면 음악을 들으면서 커피 향기를 즐기면서 동시에 슬라이드 작업 등의 멀티태스킹(Multitasking) 작업도 할 수 있다. 전자의 경우 여러분의 뇌가 산만한 소리나 향기나 시선을 걸러내어 한가지 일에 집중하게 하는 경우이고, 후자는 뇌가 다양한 작업들에 집중하게 하여 멀티태스킹을 유지하게 하는 것이다.
이 집중력과 멀티태스킹의 기능이 상실되면 정신장애(정신질환, psychiatric disorder)에 걸릴 수도 있다. 그렇다면 뇌의 어느 부분이 집중력과 멀티태스킹을 가능하도록 하는 것일까? 이 메커니즘만 밝힌다면 획기적인 정신질환 치료법이나 약을 개발할 수 있다.
과학자들은 지난 수십 년 동안 뇌의 어느 영역이 어떤 기능과 역할로 집중력을 유지시켜 주는지 다양한 가설들을 제시해 왔지만 그 가설들을 증명하는데 다 실패했다. 이에 대해 미국 뉴욕 소재 콜드스프링하버연구소(CSHL, Cold Spring Harbor Laboratory)의 보 리(Bo Li)1 박사를 중심으로 미국과 중국의 과학자들이 2014년 말에 쥐의 뇌에서 주의(집중)와 감각 과정(sensory processing)을 제어하는 하나의 신경회로(a neural circuit)를 찾아냈다(Sandra Ahrens and Bo Li et al, Nature Neuroscience, 2015)2.
다시 말해 과학자들이 어떻게 뇌에서 산만들을 걸러내어 우리로 하여금 집중케 하는지 그 메커니즘을 밝혀 낸 것이다. 따라서 조현병(정신분열병, 정신분열증, schizophrenia)과 같이 인간을 폐허 시키는 정신장애나 정신질환을 치료하는데 기여할 것으로 기대하고 있다. 특히 주의력(집중력)결핍증(ADD, Attention deficit disorder)이나 주의력(집중력)결핍과다장애(ADHD, Attention deficit hyperactivity disorder)의 원인을 분석하고 치료할 수 있는 약물이 개발될 것으로 희망하고 있다(CSHL & Science Daily, 15 Dec 2014)3.
두뇌의 맨 밖에 있는 피질(cortex)은 대부분의 인지 기능(cognitive function)이 일어나는 뇌의 가장 중요한 영역이다. 바로 피질에서 정보가 처리되어 해석되고 의사결정이 이루어진다. 그러나 감각기관들이 감지한 정보들이 피질로 들어가려면 먼저 시상(thalamus)이라는 관문(gateway)을 통과해야만 한다. 시상은 공(球) 모양(a ball-shaped)의 뉴런 다발(bundle of neurons)로 시상망상핵(TRN, thalamic reticular nucleus)이 둘러싸고 있다.
1953년에 미국 하버드의 왓슨(James Watson, 1928~)4과 영국 런던대의 윌킨스(Maurice Wilkins, 1916~2004)5와 함께 1953년에 DNA 분자모델인 이중나선(Double Helix)6을 만들어, 1962년 노벨생리의학상을7 공동 수상한 영국의 프랜시스 크릭(Francis Crick, 1916~2004)8은 1984년에 ‘TRN은 문지기(guardian)로서 어떤 정보를 통과시켜 피질로 보내 좀 더 자세한 분석을 할 것인지를 결정하는 기능을 한다’는 가설(hypothesis)을 내놓은 바 있다(Pinault D, Brain Research and Brain Research Reviews, Aug 2004; CSHL, 15 Dec 2014)9.
다시 말해 TRN은 주의 집중하는 우선 순위에 따라 모든 신경회로들을 동시에 집중하게 하는 내부 집중의 서치라이트를 조정한다는 것이다. 간단히 말해 감각기관들이 감지한 정보들이 이미 알고 있는 정보들인 경우 시상이 각 감각기관에 하달하고, 처음 들어오는 정보들과 복잡한 정보들은 시상도 판단을 할 수 없어, 피질의 각 중추기관으로 보내 자세한 분석을 한다는 것이다.
▲ 시상과 감각의 이미지화 및 뇌 전달 프로세스. Image Credit : 차원용, 매트릭스 비즈니스(2006), p. 187
과학자들은 크릭의 가설에 흥미를 느꼈지만 기술적 한계 때문에 가설이 맞는지 검증을 할 수가 없었다. TRN은 독특한 해부학적 구조, 즉 사과껍질과 유사해서(analogous to the skin on an apple), 과학자들은 TRN을 표적(target)하기가 어려웠다. 그럼에도 불구하고 크릭의 가설이 옳다는 연구는 계속 진행되기 시작했다. TRN에 기능 장애(dysfunction)가 생기면 조현병을 야기시킬 수 있으며, TRN의 활동은 감각 감지(sensory detection) 및 집중력과 밀접한 상관관계가 있다는 연구결과도 발표됐다.
마침내 보 리(Bo Li) 박사가 이끄는 연구팀은 30년 만에 크릭이 발표한 가설을 입증하는데 성공했다. 과학자들은 쥐를 대상으로 한 실험에서, TRN이 시상과 피질 사이에서 신호(signalling)를 조절한다는 증거를 찾아냈으며, 더 나아가 시상-TRN-피질이라는 3개의 구조가 하나의 회로를 형성하여 집중력과 감각정보 처리를 제어하는 역할을 수행한다는 것을 밝혀 낸 것이다.
연구팀은 새로운 바이러스 기술(new viral technology)과 CSHL의 조시 황(Josh Huang) 박사가 개발한 마우스 모델들(mouse models)을 이용하여, TRN을 정확하게 표적하는 방법을 찾아냈다. 연구팀은 TRN에 특이적으로 발현되는 ErbB4라는 단백질을 불활성화시켰다(inactivated).
ErbB4 단백질은 TRN에서 대량으로 발견되는데, 그 전 연구에서는 ErbB4에 돌연변이가 발생할 경우, 조현병을 비롯한 다른 주의력결핍장애가 발생한다고 보고된 바 있었다. 그 결과 TRN에서 ErbB4가 불활성화되어 없어지자(loss), 산만으로부터 쥐의 집중력은 크게 향상되었다. "ErbB4가 없으면 피질과 TRN 간의 연결이 훨씬 더 강해집니다. 이는 TRN이 시상의 관문을 지키는 문지기라는 것을 의미합니다. 우리는 크릭이 오래 전에 제시했던 가설을 뒷받침하는 메커니즘을 발견했습니다"라고 보리 박사는 말했다.
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▲ CSHL을 중심으로 하는 과학자들이 시상-시상망상핵(TRN)-피질을 연결하는 신경회로를 찾아냈다
TRN은 왼쪽의 빨강 색과 오른쪽의 파넬이다. 이 신경회로는 산만들을 걸러 주어 우리가 집중력을 유지하게 해준다. TRN 내의 ErbB4라는 단백질의 상실은(가운데의 그린 색과 오른쪽의 파넬) 쥐로 하여금 신경회로의 기능을 향상시켜 집중력이 크게 향상되었다. Image Credit : CSHL, 15 Dec 2014.
이번 연구의 의의는 집중력의 신경학적 기본(neuronal basis of attention)에 대한 새로운 통찰력(new insights)을 제공했을 뿐만 아니라, 집중력결핍장애나 조현병을 포함하는 보다 넓은 범위의 집중력 문제의 잠재적 치료를 위한 가능한 표적(possible targets)을 제시했다는데 있다.
보 리 박사는 “다음 연구는 ErbB4의 상실(loss)이 피질과 TRN의 연결을 어떻게 강화시키고 있는지를 이해하는 것이다. 그럴 경우 미래에 보다 많은 약물 표적들(more drug targets)을 찾아내는데 도움이 될 것으로 희망하고 있다”라고 말했다.
▲ 인간 두뇌의 이미지. 조개 모양의 시상망상핵(TRN)이 공 모양의 시상(thalamus, 가운데 빨강색)을 둘러 싸고 있다. 시상은 감각정보들을 피질로 보내는 게이트웨이(관문)이고 TRN은 문지기(guardian) 역할을 한다. 이번 논문에서는 각각의 개별 TRN 뉴런들은 스위치보드(switchboard)의 역할을 한다는 것을 밝혔다. Credit: Courtesy of Michael Halassa.
미국 뉴욕대(New York University)와 스탠포드대(Stanford University)의 과학자들이 우리가 어떻게 여러 일을 동시에 수행하는 멀티태스크를 할 수 있는지, 무엇이 중요한 일들이며 중요한 일들에 두뇌가 어떻게 집중하는지(Attention), 그 신경회로인 조개 모양(a shell-shaped)의 뉴런 다발인 시상망상핵(TRN, thalamic reticular nucleus)의 메커니즘을 밝혀냈다(Wimmer et al., Nature, 21 Oct 2015)10.
따라서 시상망상핵의 신경회로들이 깨지면 조현병과 같은 정신장애나 정신질환을 일으키고, 특히 주의력(집중력)결핍증(ADD)이나 주의력(집중력)결핍과다장애(ADHD)가 발생한다는 사실을 밝혀, 앞으로 이러한 정신질환들을 치료할 수 있는 길을 열었다는 평가이다(Science Daily, 21 Oct 2015)11.
연구팀들은 뉴런 다발인 TRN을 이루는 각각의 개별 뉴런들은 정보들을 피질로 보내는 스위치보드(switchboard) 역할을 한다는 것을 밝혀 냈는데, 지속적으로 감각 정보를 걸러내고, 어느 정보를 피질로 보내 집중해야 하는지 말아야 하는지를 결정한다는 것이다.
예를 들어 인간의 두뇌인 경우 의사결정력에 가장 커다란 영향을 미치는 시각 정보(이 경우 87%)가 들어 오면 다른 청각 정보들은 산만 정보로 걸러낸다는 것이다. 예를 들어 미인이나 미남을 만나면 시각이 87% 의사결정력이 있으므로 미인이나 미남이 말하는 허스키한 소리조차 다 좋게 들린다는 것이다.
▲ 오감의 의사결정 영향력, 시각(87%)-미각(1%). Image Credit : copy; : 차원용 외, 솔루션 비즈니스 마케팅(2002); 디자인포장센터(1990)
쥐를 대상으로 시각의 반짝이는 빛을 쪼여주어 이에 집중하면 밀크를 보상으로 주는(a visual flash of light to get a milk reward) 유도 실험을 했는데, 이 때 TRN 뉴런들이 덜 활성화되었다. 반면 소리(a sound)에 집중하도록 유도했을 때, 청각을 담당하는 TRN 뉴런들이 많이 활성화 되었지만, 시각의 반짝이는 빛은 거의 무시되었다. 그 이유는 쥐들은 시각 보다는 야행성의 청각에 집중을 한다는 사실이었다.
그 결과 시각, 청각, 후각, 미각 등을 담당하는 TRN 뉴런들이 따로 있다는 것과 여러 일을 할 때 필요한 TRN 뉴런들이 다 집중된다는 것이다.
이것은 무엇을 의미하는가 하면, 시상망상핵을 이루고 있는 TRN 뉴런들이 우리가 집중하고 싶지 않은 감각 정보들을 걸러낸다는 것과 우리가 집중하고 싶은 여러 작업들에 필요한 감각 정보들을 집중시키고 있다는 것이다.
운전을 할 때는 시각 정보가 중요하고, 전화를 받을 때는 청각 정보가 중요하며, 사교를 할 때나 여러 일을 수행 할 때는 모든 감각들이 다 동원된다는 것이다. 이렇듯 우리가 원하는 여러 일을 동시에 수행할 경우 각각의 담당 TRN 뉴런들이 집중하게 해서 멀티태스킹이 가능하도록 한다는 것이다.
이번 연구는 ADHD, 자폐증(autism), 조현병의 경우에 보이는, 신경회로가 깨져 두뇌가 집중을 못하는 복잡한 행동에 자세한 이론적 바탕을 제공했다는 평가이다. 우리가 왜 집중하는지, 왜 무시하는지, 왜 시각에 87%를 의존하는지, 왜 멀티태스킹을 하는지, 왜 협력해야 하는지, 왜 누구와 일을 해야 하는지 등을 연구하는 이유가 여기에 있으며 노벨상에 도전하는 이유가 여기에 있다.
참고문헌
1) Bo Li – http://www.cshl.edu/Faculty/Bo-Li.html
2) Sandra Ahrens, Miao He, Z Josh Huang, and Bo Li et al, "ErbB4 regulation of a thalamic reticular nucleus circuit for sensory selection", Nature Neuroscience, 18, 104-111(2015), DOI: 10.1038/nn.3897, Published online 15 Dec 2014.
http://www.nature.com/neuro/journal/v18/n1/full/nn.3897.html
3) Cold Spring Harbor Laboratory – Neuronal circuits filter out distractions in the brain(15 Dec 2014). http://www.cshl.edu/1269-neuronal-circuits-filter-out-distractions-in-the-brain.html
Science Daily – Neuronal circuits filter out distractions in brain(15 Dec 2014)
http://www.sciencedaily.com/releases/2014/12/141215114240.htm
4) James Watson(1928~) – 현재 콜드스프링하버연구소(Cold Spring Harbor Laboratory)의 대표로 재직 중이다 http://www.cshl.edu/
5) Maurice Wilkins(1916~2004) – https://en.wikipedia.org/wiki/Maurice_Wilkins,
http://www.nzedge.com/heroes/wilkins.html
6) Double Helix(1953~3002), "We have discovered the secret of life" –
http://www.ncbe.reading.ac.uk/dna50/menu.html
7) 1962년 노벨생리의학상 – http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1962/
8) The Francis Crick Institute – http://www.crick.ac.uk/about-us/francis-crick
Francis Crick(1916~2004) via Wikipedia – https://en.wikipedia.org/wiki/Francis_Crick
9) Pinault D, "The thalamic reticular nucleus: structure, function and concept", Brain Research and Brain Research Reviews, 46(1):1-31, Aug 2004.
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15297152
Cold Spring Harbor Laboratory – Neuronal circuits filter out distractions in the brain(15 Dec 2014). http://www.cshl.edu/1269-neuronal-circuits-filter-out-distractions-in-the-brain.html
10) Wimmer et al., "Thalamic control of sensory selection in divided attention", Nature, doi:10.1038/nature15398, Published online 21 October 2015.
http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature15398.html
11) Science Daily – Study reveals how brain multitask s. Findings help explain how the brain pays attention to what’s important and how neural circuits may be 'broken' in attention-deficit disorders(21 Oct 2015)
http://www.sciencedaily.com/releases/2015/10/151021135619.htm
2015년 11월 24일
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