우리 뇌의 감각 처리 회로는 어린 시절에 이미 완성되어 이후에는 고정된다는 것이 그동안 신경과학계의 지배적인 상식이었다. 그러나 최근 이러한 정설을 뒤집고, 성인기에도 뇌가 스스로 회로를 리모델링하며 감각 인지의 정밀도를 높여간다는 연구 결과가 24일 발표됐다.
DGIST(총장 이건우) 뇌과학과 시냅스 다양성 및 특이성 조절 연구센터 고재원 교수팀과 연세대학교(총장 윤동섭) 생명공학과 정은지 교수팀은 공동연구를 통해 성인기에도 뇌의 ‘감각 검문소’가 정교하게 재구성되며, 이 과정이 고해상도 감각 인지에 필수적이라는 사실을 세계 최초로 규명했다.
▲(왼쪽부터) 연세대 정은지 교수·이동수 박사,
DGIST 고재원 교수, 충남대 한경아 교수
이번 연구는 뇌 회로의 성숙이 청소년기를 넘어 성인기까지 이어진다는 새로운 패러다임을 제시했으며, 2월 18일 세계적 권위의 뇌과학 전문학술지 뉴런(Neuron)에 온라인 게재됐다.
인간이 복잡한 환경 속에서 적응하며 살아갈 수 있는 이유는 쏟아지는 자극 중 중요한 정보만을 선별해 받아들이는 능력 덕분이다. 이때 뇌 시상부에 위치한 시상망상핵(thalamic reticular nucleus; TRN)은 외부 자극이 대뇌 피질로 전달되기 전 이를 조절하는 ‘감각 검문소’ 역할을 한다. 그동안 학계에서는 이 검문소의 설계가 아동기 시절의 ‘결정적 시기(critical period)’를 지나면 고정된다고 보았다. 그러나 연구팀은 생쥐 모델의 발달 단계를 정밀 분석하여, 청소년기에서 성인기로 이행되는 과정에서 TRN 회로가 재구성을 거친다는 사실을 확인했다.
연구 결과에 따르면 성인기에 접어들면서 TRN으로 들어오는 특정 흥분성 입력이 감소하고, 그 결과 미세한 촉감 차이를 구별하는 능력이 강화됐다. 연구팀은 이 변화가 단순한 경험의 축적이 아니라, 성인 뇌가 감각 정보 처리 방식을 최적화하기 위해 회로를 다시 조정하는 능동적 성숙 과정이라고 제시했다. 즉, 성인기에도 뇌는 불필요한 감각 신호를 더 정밀하게 걸러내고 중요한 정보만 선명하게 남기도록 회로 수준에서 ‘업그레이드’하는 것이다.
연구팀은 이 과정의 핵심 분자로 시냅스 접착단백질 ‘LRRTM3’를 지목했다. TRN에 특이적으로 많이 분포하는 LRRTM3는 신경세포 간 연결을 정교하게 조절해 뇌가 성인용 고해상도 감각 인지 모드로 전환하도록 돕는다. 실제로 TRN에서 LRRTM3 유전자를 제거한 생쥐에서는 성인기에 나타나야 할 회로의 정교화가 충분히 일어나지 않았고, 이로 인해 미세한 촉감을 구별하는 능력이 현저히 저하되었다. 이는 성인기의 감각 능력 향상이 단순한 학습 효과가 아니라, 분자 수준의 조절을 기반으로 한 회로 재설계와 직접 연결돼 있음을 보여준다.
이번 연구 성과는 사회적·산업적으로도 큰 의의를 지닌다. 감각 정보 처리의 불균형은 자폐 스펙트럼 장애, 주의력결핍 과잉행동장애, 조현병 등 다양한 신경정신질환에서 중요한 특징으로 보고된다. 본 연구는 감각 인지 장애를 개인의 성향이나 행동 문제로만 보지 않고, 감각 검문소 (TRN) 회로의 성인기 성숙·조절 메커니즘이라는 관점에서 이해할 수 있는 과학적 기반을 제공했다.
또한 성인기 뇌 가소성의 존재를 구체적으로 제시함으로써 향후 감각 인지 기능 회복을 겨냥한 치료 표적 발굴, 회로 기반 신경조절 전략, 디지털 치료 및 재활 기술 개발에도 중요한 단서를 제공할 것으로 기대된다. 고령화 사회에서 감각·인지 기능 저하가 삶의 질과 직결되는 만큼, 성인기 이후에도 기능 회복의 가능성을 넓혔다는 점에서 그 파급력이 크다.
이번 연구는 DGIST 고재원 교수팀과 연세대 정은지 교수팀이 각자의 전문성을 결합해 이뤄낸 학제 간 공동연구 성과다. 이동수 박사(연세대)와 한경아 충남대학교 교수(前 DGIST 뇌과학과 연구교수)가 공동 제1저자로 참여해 연구를 주도했다. 본 연구는 과학기술정보통신부/한국연구재단 주관 리더연구사업, 삼성미래기술육성사업, 중견연구사업, 세종펠로우십의 지원으로 수행됐다.
▲[그림 1] 유년기부터 성인기에 이르기까지, 우리 뇌의 ‘감각 검문소’가 정교해지는 과정
(그림설명)우리 뇌의 감각 검문소(TRN)는 성인이 되면서 LRRTM3라는 특별한 단백질을 통해 회로를 미세하게 조정한다. 이는 마치 거친 필터를 촘촘한 고해상도 필터로 교체하는 것과 같다. 이 과정을 통해 뇌는 불필요한 신호는 걷어내고 중요한 감각만 선명하게 받아들이게 되며, 결과적으로 아주 미세한 촉감의 차이까지 구별해낼 수 있는 ‘어른의 예민한 감각’을 완성하게 된다.
