뇌의 저장용량은 우리가 생각했던 것의 10배??

과학자들은 뇌가 저장할 수 있는 정보의 양을 정밀하게 측정하는 새로운 방법을 활용했으며, 이는 학습에 대한 이해를 증진하는 데 도움이 될 수 있습니다. 뇌는 이전에 생각했던 것보다 거의 10배나 많은 정보를 저장할 수 있다는 새로운 연구 결과가 발표되었습니다.

 

 

컴퓨터와 마찬가지로 뇌의 기억 저장 공간은 '비트'로 측정되며, 저장할 수 있는 비트의 수는 시냅스라고 하는 뉴런 간의 연결에 따라 달라집니다. 역사적으로 과학자들은 시냅스의 크기와 강도가 상당히 제한되어 있어 뇌의 저장 용량도 제한되어 있다고 생각했습니다. 그러나 최근 몇 년 동안 이 이론은 도전을 받아왔으며, 새로운 연구는 뇌가 생각보다 약 10배 더 많은 정보를 저장할 수 있다는 생각을 뒷받침합니다.

 

새로운 연구에서 연구진은 쥐의 뇌 일부에서 뉴런 간의 연결 강도를 평가하는 매우 정밀한 방법을 개발했습니다. 이러한 시냅스는 뇌 세포가 이 지점에서 통신하여 정보를 저장하고 공유하기 때문에 학습과 기억의 기초를 형성합니다.

 

과학자들은 시냅스가 어떻게 강화되고 약화되는지, 그리고 그 정도가 어느 정도인지 더 잘 이해함으로써 이러한 연결이 얼마나 많은 정보를 저장할 수 있는지 더 정확하게 정량화했습니다. 4월 23일 신경 계산 저널에 게재된 이 분석은 이 새로운 방법이 학습뿐만 아니라 뇌의 연결을 약화시키는 노화와 질병에 대한 이해를 높일 수 있음을 보여줍니다.

 

 

연구에 참여하지 않은 시카고 대학교의 신경생리학 조교수인 Jai Yu는 Live Science와의 이메일 인터뷰에서 "이러한 접근 방식은 신경 회로의 정보 처리 능력의 핵심을 파악하는 것입니다."라고 말했습니다. "잠재적으로 얼마나 많은 정보를 표현할 수 있는지 추정할 수 있는 것은 복잡한 계산을 수행하는 뇌의 능력을 이해하는 데 중요한 단계입니다."

 

인간의 뇌에는 뉴런 사이에 100조 개가 넘는 시냅스가 존재합니다. 이러한 시냅스를 통해 화학적 메신저가 전달되어 뇌 전체에서 정보 전달이 원활하게 이루어집니다. 학습할수록 특정 시냅스를 통한 정보 전달이 증가합니다. 이러한 시냅스의 '강화'는 새로운 정보를 기억할 수 있게 해줍니다. 일반적으로 시냅스는 시냅스를 구성하는 뉴런의 활성도에 따라 강화되거나 약화되는데, 이를 시냅스 가소성이라고 합니다.

 

 

하지만 나이가 들거나 알츠하이머 같은 신경 질환이 생기면 시냅스의 활동이 줄어들고 약해져 인지 능력과 기억을 저장하고 검색하는 능력이 저하됩니다.

 

과학자들은 시냅스의 물리적 특성을 살펴봄으로써 시냅스의 강도를 측정할 수 있습니다. 또한, 하나의 뉴런이 보내는 메시지는 때때로 한 쌍의 시냅스를 활성화시키며, 과학자들은 이러한 쌍을 사용하여 시냅스 가소성의 정밀도를 연구할 수 있습니다. 즉, 동일한 메시지가 주어졌을 때 한 쌍의 각 시냅스가 정확히 같은 방식으로 강화되거나 약화될까요?

 

시냅스 가소성의 정밀도를 측정하는 것은 특정 시냅스가 얼마나 많은 정보를 저장할 수 있는지 측정하는 것과 마찬가지로 과거에는 어려운 것으로 입증되었습니다. 하지만 새로운 연구는 이를 바꿔놓았습니다.

 

시냅스의 강도와 가소성을 측정하기 위해 연구팀은 정보가 시스템을 통해 어떻게 전달되는지 이해하는 수학적 방법인 정보 이론을 활용했습니다. 이 접근 방식을 통해 과학자들은 시냅스를 통해 얼마나 많은 정보를 전송할 수 있는지 정량화하는 동시에 뇌의 '배경 소음'도 고려할 수 있습니다.

 

이 전송된 정보는 비트 단위로 측정되며, 비트 수가 많은 시냅스는 비트 수가 적은 시냅스보다 더 많은 정보를 저장할 수 있다고 이 연구의 공동 수석 저자이자 솔크 생물학 연구소의 전산 신경생물학 연구소장인 테런스 세노프스키(Terrence Sejnowski)는 라이브 사이언스와의 이메일 인터뷰에서 말했습니다. 1 비트는 시냅스가 두 가지 강도로 전송을 보내는 것에 해당하며, 2 비트는 네 가지 강도를 허용하는 등의 방식입니다.

 

 

연구팀은 학습과 기억 형성에 중요한 역할을 하는 뇌 영역인 쥐의 해마에서 시냅스 쌍을 분석했습니다. 이 시냅스 쌍은 서로 이웃하고 있으며 동일한 유형과 양의 뇌 신호에 반응하여 활성화되었습니다. 연구팀은 동일한 입력이 주어졌을 때 이 시냅스 쌍이 정확히 같은 양만큼 강화되거나 약화되는 것을 확인했으며, 이는 뇌가 특정 시냅스의 강도를 조정할 때 매우 정밀하다는 것을 시사합니다.

 

분석 결과 해마의 시냅스는 4.1비트에서 4.6비트 사이의 정보를 저장할 수 있는 것으로 나타났습니다. 연구진은 쥐의 뇌에 대한 이전 연구에서도 비슷한 결론에 도달했지만, 당시에는 정확도가 떨어지는 방법으로 데이터를 분석했습니다. 이 연구에 참여하지 않은 영국 카디프 대학의 신경과학 교수인 케빈 폭스는 라이브 사이언스와의 이메일 인터뷰에서 시냅스가 각각 한 비트 이상을 전달한다는 현재 많은 신경과학자들의 가정을 확인하는 데 도움이 된다고 말했습니다.

 

이 연구 결과는 쥐 해마의 매우 작은 영역에 기반한 것이므로 전체 쥐 또는 인간의 뇌에 어떻게 확장 될지는 불분명합니다. 이러한 정보 저장 용량이 뇌 전체와 종에 따라 어떻게 달라지는지 알아보는 것은 흥미로울 것이라고 유는 말했습니다.

 

폭스 박사는 앞으로 이 방법을 뇌의 여러 영역의 저장 용량을 비교하는 데에도 사용할 수 있다고 말했다. 또한 뇌가 건강할 때와 병에 걸렸을 때 뇌의 단일 영역을 연구하는 데에도 사용할 수 있습니다.