어떤 추억은 평생 지속된다. 완전한 일식을 보는 경외감. 파트너와 나눈 첫 미소. 잠든 사이에 세상을 떠난 사랑하는 애완동물의 모습.
다른 추억은 별로 없다. 우리 중 일주일 전에 점심으로 무엇을 먹었는지 기억하는 사람은 거의 없다. 왜 어떤 기억은 지속되고 어떤 기억은 사라지나?
놀랍게도 그 대답은 DNA 손상과 뇌의 염증일 수 있다. 표면적으로 이러한 과정은 뇌 기능에 완전히 해로운 것처럼 들린다. 깨진 DNA 가닥은 일반적으로 암과 관련이 있으며 염증은 노화와 관련이 있다.
그러나 쥐를 대상으로 한 새로운 연구 에서는 뉴런의 DNA를 파괴하고 복구하는 것이 오래 지속되는 기억을 위한 길을 열어준다는 사실을 시사한다.
우리는 뇌 깊은 곳에 있는 해마 모양의 영역인 해마의 뉴런을 통해 전기 신호가 전달될 때 기억을 형성합니다. 전기 펄스는 뉴런 그룹을 함께 연결하여 기억을 인코딩하는 네트워크로 만든다. 신호는 소중한 경험의 짧은 단편만을 포착하지만 일부는 수십 년 동안 반복해서 재생할 수 있다(깨진 기록처럼 점차적으로 쇠퇴하기는 하지만).
오늘날 대부분의 AI를 구동하는 인공 신경망과 마찬가지로 과학자들은 오랫동안 뇌의 연결 재배선이 빠르게 일어나고 변화하기 쉽다고 생각해 왔다. 그러나 새로운 연구에서는 오래 지속되는 기억을 인코딩하기 위해 연결을 변경하는 뉴런의 하위 집합을 발견했다.
이를 위해 이상하게도 뉴런은 일반적으로 박테리아를 방어하고 염증을 일으키는 단백질을 모집한다.
“뇌 뉴런의 염증은 일반적으로 알츠하이머병이나 파킨슨병과 같은 신경학적 문제로 이어질 수 있기 때문에 나쁜 것으로 간주됩니다.” 라고 연구 저자인 Albert Einstein College of Medicine의 Jelena Radulovic 박사는 보도 자료에서 말했다 . "그러나 우리의 발견은 뇌의 해마 부위에 있는 특정 뉴런의 염증이 오래 지속되는 기억을 만드는 데 필수적이라는 것을 시사합니다."
머물러야 할까요, 아니면 가야 할까?
우리 모두는 삶을 위한 정신적 스크랩북을 가지고 있다. 언제, 어디서, 누구인지, 무엇인지에 대한 기억을 재생할 때 우리의 마음은 그 경험을 재현하기 위해 시간을 통해 우리를 이동시킨다.
해마는 이 능력의 핵심이다. 1950년대에 HM이라는 남자가 간질을 치료하기 위해 해마를 제거했다. 수술 후 그는 오래된 기억을 유지했지만 더 이상 새로운 기억을 형성할 수 없었다. 이는 뇌 영역이 기억을 암호화하는 핫스팟임을 시사한다.
그러면 DNA는 해마나 기억과 어떤 관련이 있나?
그것은 뇌 세포가 어떻게 연결되어 있는지에 달려 있다. 뉴런은 시냅스라고 불리는 작은 돌기를 통해 서로 연결된다. 서로 반대되는 두 해안 사이의 부두처럼 시냅스는 화학 물질을 펌핑하여 한 뉴런에서 다른 뉴런으로 메시지를 전달한다. 신호에 따라 시냅스는 이웃 뉴런과 강력한 연결을 형성하거나 통신을 중단할 수 있다.
뇌를 재배선하는 능력을 시냅스 가소성이라고 한다. 과학자들은 오랫동안 이것이 기억의 기초라고 생각해 왔다. 새로운 것을 배울 때 전기 신호가 뉴런을 통해 흘러 분자의 연쇄를 촉발합니다. 이는 시냅스를 재구성하여 이웃과의 연결을 높이거나 감소시키는 유전자를 자극한다. 해마에서 이 "다이얼"은 새로운 기억을 기록하기 위해 전반적인 신경망 배선을 빠르게 변경할 수 있다.
시냅스 가소성에는 비용이 발생한다. 시냅스는 세포 내부의 DNA에서 생성된 단백질 모음으로 구성된다. 새로운 학습을 통해 뉴런의 전기 신호는 뉴런 내부의 DNA를 일시적으로 절단한다.
DNA 손상이 항상 해로운 것은 아니다. 이는 2021년부터 기억 형성과 관련이 있다. 한 연구에 따르면 유전 물질의 파손은 뇌에 널리 퍼져 있으며 놀랍게도 쥐의 기억력 향상과 관련이 있다. 과제를 학습한 후 생쥐의 여러 유형의 뇌 세포에서 더 많은 DNA 파손이 발생했는데, 이는 일시적인 손상이 뇌의 학습 및 기억 과정의 일부일 수 있음을 암시한다.
하지만 그 결과는 단편적인 기억일 뿐이었다. 유사한 메커니즘이 장기적인 메커니즘도 추진하나?
“단 몇 초 만에 암호화된 짧은 경험을 일생 동안 반복해서 재생할 수 있는 것이 무엇인지는 미스터리로 남아 있습니다.”라고 Drs. 이번 연구에 참여하지 않은 아이오와 신경과학 연구소의 벤저민 켈빙턴(Benjamin Kelvington)과 테드 아벨(Ted Abel)은 Nature 에 글을 썼다.
메모리 오믈렛
답을 찾기 위해 팀은 기억력을 평가하는 표준 방법을 사용했다. 그들은 서로 다른 방에 쥐를 모았습니다. 일부는 편안했고, 일부는 편안했다. 다른 사람들은 동물의 발에 작은 전기 충격을 가해 서식지를 싫어할 만큼만 주었다. 쥐들은 편안한 방을 선호하는 법을 빠르게 배웠다.
그런 다음 연구팀은 최근 기억이 있는 쥐(시험 후 약 4일 후)의 유전자 발현과 체류 후 거의 한 달이 지난 쥐의 유전자 발현을 비교했다.
놀랍게도 일반적으로 시냅스 가소성과 관련된 유전자 외에 염증과 관련된 유전자도 갑자기 나타났다. 더 깊이 조사한 결과, 팀은 TLR9라는 단백질을 발견했다. 일반적으로 위험한 박테리아에 대한 신체의 첫 번째 방어선의 일부로 알려진 TLR9는 침입한 박테리아의 DNA 단편에 대한 신체의 면역 반응을 강화한다. 그러나 여기서는 해마 내부의 뉴런, 특히 며칠 동안 지속되는 DNA 손상이 지속되는 뉴런에서 유전자가 매우 활성화되었다.
그것은 무엇을 합니까? 한 테스트에서 팀은 해마에서 TLR9를 코딩하는 유전자를 삭제했다. 챔버 테스트에 도전했을 때, 이 쥐들은 유전자가 온전한 동료들에 비해 장기 기억 테스트에서 "위험한" 챔버를 기억하는 데 어려움을 겪었다.
흥미롭게도 팀은 TLR9가 DNA 파손을 감지할 수 있다는 것을 발견했다. 유전자를 삭제하면 쥐 세포가 DNA 파손을 인식하지 못하게 되어 장기 기억 상실뿐 아니라 뉴런의 전반적인 게놈 불안정성도 초래된다.
Kelvington과 Abel은 “이 연구의 가장 중요한 공헌 중 하나는 DNA 손상과 장기 기억과 관련된 지속적인 세포 변화 사이의 연관성에 대한 통찰력을 제공한다는 것입니다.”라고 썼다.
기억의 미스터리
장기 기억이 어떻게 지속되는지는 미스터리로 남아 있습니다 . 면역 반응은 아마도 하나의 측면일 뿐.
2021년에 같은 팀은 뉴런 주변의 그물 모양 구조가 장기 기억에 중요하다는 사실을 발견했다. 새로운 연구에서는 TLR9가 이러한 구조를 형성하는 데 도움을 주고 지속적인 기억을 지원하는 다양한 뇌 구성 요소 사이의 분자 메커니즘을 제공하는 단백질로 지적했다.
결과는 "우리는 우리 자신의 DNA를 신호 시스템으로 사용하고 있다"고 Radulovic이 Nature 에 말하면서 "오랜 시간 동안 정보를 유지할 수 있다"고 말했다.
많은 질문이 남아있다. DNA 손상이 특정 뉴런을 메모리 인코딩 네트워크 형성에 취약하게 만드는가? 그리고 아마도 더 시급한 점은 염증이 종종 알츠하이머병과 같은 신경퇴행성 질환과 연관되어 있다는 점이다. 이번 연구에서 쥐가 위험한 방을 기억하는 데 도움을 준 TLR9는 이전에 뇌의 면역 세포인 소교세포에서 발현될 때 치매를 유발하는 데 관여했다.
“뉴런에서는 TLR9의 활성화가 기억 형성에 중요한데, 소교세포에서는 기억과 반대되는 신경변성을 일으키는 것은 어떻게 된 걸까요?” Kelvington과 Abel이 물었다. "유해한 DNA 손상과 염증을 기억에 필수적인 것과 구별하는 것은 무엇입니까?" 이미지 출처: geralt / Pixabay
