III. 연구현황

## 목차

III. 연구 현황

    [1] 인공 뇌

        - 기억 저장하기

        - 인공 해마

        - 인공 피질

        - 인공 소뇌

    [2] 유전자 활용

        - 똑똑한 쥐 (NR2B 유전자)

        - 똑똑한 파리 (CREB 활성/억제)

        - 똑똑한 알약 (MEM1414)

    [3] 기억의 삭제

        - 기억을 지우는 약 (프로프라놀롤 : 원래 고혈압 치료제)

        - 다른 약 (CaMKII, PKMzeta)

III. 연구현황

[1] 인공 뇌

(1) 기억 저장하기

2011년 서던캘리포니아대학교(USC)와 웨이크포레스트대학교의 과학자들은 쥐의 기억을 디지털 데이터로 변환하여 컴퓨터에 저장하는데 성공했다. 인간의 뇌에 기억을 다운로드 하는 것이 원리적으로 가능함을 입증한 것이다.

기억은 다양한 감각적 경험의 산물인데다가, 뇌의 신피질과 대뇌번연계 등 다양한 부위에 분산 저장된다. 우리 뇌에는 모든 기억이 반드시 거쳐 가야할 장소가 있다. 장기기억이 형성되는 해마가 바로 그곳이다. 해마는 CA1부터 CA4까지 총 4개의 구획으로 나뉘는데, 과학자들은 각 구획에서 교환되는 정보를 심층적으로 연구하고 있다.

 

(2) 인공해마

과학자들은 해마 부위에서 CA1과 CA3라는 두 종류의 뉴런에 주목했다. 이 뉴런들은 쥐가 새로운 행동을 배울 때마다 서로 긴밀하게 정보를 교환한다. 과학자들은 우리 안에 두 개의 막대를 설치해놓고 쥐의 뇌파를 관찰했는데 전기적 입력과 출력의 상관관계를 알아낼 수 있었다. 쥐의 해마에 탐침을 삽입하여 쥐가 두 개의 막대를 차례로 누를 때, CA1과 CA3사이에 교환되는 신호를 체계적으로 분류했다.

그 후 쥐에게 ‘습득된 행동을 잊게 하는’ 특수 화학물질을 주입했더니, 쥐는 막대 누르는 순서를 잊고 우왕좌왕했다. 그리고 얼마 후 같은 쥐에게 유실된 기억을 주입하자 이전처럼 정확한 순서로 막대를 눌러 물을 받아먹었다. 즉, 하나의 행동에 관한 총체적인 기억을 재생하는데 성공한 것이다.

2013년 MIT에서는 쥐에게 일상적인 기억 뿐만 아니라, ‘가짜 기억’까지 주입하는데 성공했다. 특정 뉴런에 빛을 쪼여서 활성화하는 광유전학을 이용해 특정 기억에 관여하는 뉴런을 찾아낸 것이다.

이들은 좀 더 복잡한 인공해마를 개발해 다양한 기억을 여러 동물에 주입한다는 계획을 세웠는데, 사람과 비슷한 원숭이를 최종목표로 삼고 있다. 이들은 머리에 달린 전선을 초소형 라디오로 대치하여 기억을 무선으로 업로드한다는 계획도 세워놓고 있다.

해마는 인간의 기억처리 과정에서 핵심적인 역할을 하므로, 이 기술이 완성된다면 뇌졸중과 치매, 알츠하이머병 등 해마의 기능장애로 발생하는 다양한 질병을 치료하는데 커더란 도움이 될 것이다.

이를 위해선 해마의 신경지도가 작성될 필요가 있다. 단, 육체적 경험을 주입하려면 정신적 기억뿐만 아니라 ‘근육기억’을 함께 주입해야 한다. 걸어갈 때 다리의 움직임을 제어하는 신호는 해마뿐만 아니라 운동피질과 소뇌 그리고 기저핵에서도 생성된다. 뇌의 다른 부위에 부분적으로 저장된 기억까지 되살려야 한다.

 

(3) 인공피질

동일한 과학자들은 2012년에 영장류의 두뇌피질에서 진행되는 복잡한 사고과정을 재현하는데 성공했다.

이들은 붉은털 원숭이 다섯 마리를 골라 두뇌피질의 두 층(L2, L3, L5)에 초소형 전극을 삽입하고, 원숭이들이 특정 작업을 수행할 때 두 층 사이에 오가는 신호를 기록했다. 이 실험은 원숭이한테 특정한 그림을 보여준 후, 여러 개의 그림 속에서 전에 봤던 그림을 찾아내면 상을 주는 식으로 진행헀는데, 비슷한 훈련을 받은 원숭이의 성공률은 약 75%였다. 그런데 원숭이가 고르기 작업을 수행할 때, 동일과정에서 이미 저장해둔 신호를 두뇌피질에 주입하면 성공률이 10%까지 증가했다.

웨이크포레스트대학교의 샘 데드와일러 박사는 이 장치의 기본 아이디어를 설명하면서 “뇌의 손상된 부위를 우회하는 출력패턴을 만들어서 다른 식의 연결이 가능하다는 사실을 증명하는 것”이 목적이라고 했다. 이 실험이 성공하면 신피질에 손상을 입은 환자들에게 커다란 도움이 될 것이다.

 

(4) 인공소뇌

이스라엘 텔아비브대학교의 과학자들은 쥐의 소뇌를 인공적으로 만들어냈다. 파충류에게 소뇌는 균형감각을 비롯한 기본 신체기능을 유지하는데 반드시 필요한 부위다.

일반적으로 쥐의 얼굴에 짧은 바람을 쏘이면 눈을 깜박인다. 이럴 때 소리를 같이 들려주면 나중에는 소리만 들어도 눈을 깜박인다. 연구자들은 쥐의 얼굴에 바람을 쏘이면서 동시에 특정한 소리를 들려주었을 때 뇌간으로 전달되는 신호를 기록했다.

이 신호는 뇌의 다른 부위에서 처리된 후 다시 뇌간으로 되돌아온다. 실험결과, 쥐들은 예상했던 대로 신호를 받을 때마다 눈을 깜박였다. 이는 뇌의 한 부분에서 신호를 받아 처리한 후 다른 부분으로 업로드한 최초의 사례로 기록되었다.

 

 

[2] 유전자 활용

(1) 똑똑한 쥐 – NR2B 유전자

1999년 조셉 첸 박사는 프린스턴대학교와 MIT 그리고 워싱턴대학교의 과학자들과 함께 쥐의 기억력을 크게 향상하는 유전자를 발견하여 쥐에게 이식하는데 성공했다. 이 ‘똑똑한 쥐’는 미로의 출구를 훨씬 빠르게 찾아냈고, 지나간 과거를 훨씬 많이 기억했으며 다른 쥐들보다 월등한 능력을 발휘했다.

연구자들은 NR2B라는 유전자를 집중적으로 분석했다. 대부분의 표유류는 하나의 사건을 다른 사건과 연결하는 능력이 있는데, 이 능력을 제어하는 유전자가 NR2B이다. NR2B는 해마에 있는 기억세포들 사이의 정보교환을 제어한다. NR2B를 제거했더니 기억력과 습득능력이 현저히 떨어진 반면, NR2B가 강화된 쥐들은 정상 쥐보다 정신능력이 눈에 띄게 증가했다. 첸 박사는 물속 어딘가에 먹이를 숨겨놓고 쥐들을 풀어놓았는데 정상적인 쥐들은 바로 며칠 전에 똑같은 훈련을 받았음에도 방향을 잡지못했지만, 똑똑한 쥐들은 처음부터 먹이가 있는 곳을 향해 똑바로 헤엄쳐갔다.

비슷한 실험을 계속 하면서, 2009년 첸 박사는 한층 더 똑똑한 쥐를 탄생시켰다. 하비-J라고 불리는 이 쥐는, 장난감의 위치 등 지나간 기억을 이전의 똑똑한 쥐들보다 세 배 이상 길게 기억했다. 다음엔 유전자가 사람에 더 가까운, 개를 대상으로 실험할 것이라고 한다.

한 가지 짚고 넘어갈 점은 똑똑한 쥐들 중 일부가 보통 쥐들보다 눈에 띄게 겁 많고 소심했다는 점이다. 기억력이 좋아지면 과거의 실수나 심리적 상처까지 고스란히 남아 있어서, 행동이 그만큼 신중해지기 때문이라고 한다.

 

(2) 똑똑한 파리, 기억상실증 쥐 – CREB 활성제/억제제

과학자들은 또한 ‘사진기억’이 주입된 과실파리와 기억을 잃은 쥐를 만들어냈다. 과학자들은 기억과 관련하여 CREB 활성제(뉴런 사이의 새로운 연결을 촉진하는 유전자)와 CREB 억제제(새로운 기억이 형성되는 것을 억제하는 유전자)라는 두 개의 유전자를 추가로 발견했다.

뉴욕 콜드스퍼링 하버연구소의 제리 인과 티머시 툴리는 과실파리를 대상으로 실험을 했다. 일반적으로 과실파리에게 특정 행동(냄새감지, 충격회피 등)을 유발하려면 평균 10회 정도의 훈련이 필요한데, 이들에게 CREB 억제제를 추가하면 거의 아무것도 기억하지 못한다. 그러나 CREB 활성제를 투입하면, 과실파리는 단 한번의 연습으로 특정 임무를 수행할 수 있다.

콜드스프링 하버연구소의 알치노 실바 박사는 쥐를 대상으로 동일한 실험을 수행해서 “CREB 활성제가 결핍된 쥐는 장기기억력을 거의 상실한다”는 결과를 얻었다. 그래서 과학자들은 “인간의 뇌 속에는 특정량의 CREB 활성제가 함유되어있으며, 이 양에 따라 무언가를 습득하는 능력이 결정된다”고 결론지었다. 시험을 앞두고 벼락치기 공부를 하면 CREB 활성제가 빠르게 소진되어 무언가를 더 습득하기가 어려워 진다는 것이다. CREB활성제가 재생산되려면 간간이 휴식을 취하는 것이 좋다.

튤리 박사는 다음과 같이 말했다. “기말고사를 준비하는 가장 좋은 방법은 매일 주기적으로 내용을 습득하여 단기기억이 아닌 장기기억 창고에 저장해두는 것이다”

또한 정신적으로 강렬한 경험이 수십 년 동안 지속되는 이유가 설명가능하다고 한다. CREB 억제제는 일종의 필터처럼 필요 없는 기억을 수시로 지우는데, 감정적으로 강렬한 기억은 CREB 억제제에 의해 지워지거나 CREB 활성제에 의해 더욱 강렬해진다.

그러나 뇌의 능력을 지금 당장 끌어올릴 수 있는 것은 아니다. 여러 문제들이 산재해 있다.

첫째, 파리와 지를 대상으로 얻은 결과가 사람에게 적용되는지 확실치 않다.

둘째, 사람에게 적용 되더라도, 어떤 효과가 있을지 알 수 없다. 예를 들어 CREB 유전자가 기억력을 증진할 수는 있지만, 지능까지 좋아진다는 보장은 없다.

셋째, 유전자치료법은 생각했던 것 보다 훨씬 어렵다. 이 방법으로 치료할 수 있는 유전병은 극히 일부에 불과하다. 사람에게 무해한 바이러스를 주입해 좋은 유전자를 만들려고 해도, 항체가 바이러스를 공격해 치료자체를 무용지물로 만든다.

이런 문제들을 극복해서 ‘똑똑한 유전자’가 세포에 성공적으로 자리 잡으면 곧바로 단백질을 생성하여 기억력과 지적능력을 향상시켜줄 것이다. 이 방법이 신통치 않다면, 유전자시술을 거치지 않고 단백질을 직접 주입하면 된다. 이 경우 주사보다 알약이 효과적이라고 한다.

 

(3) 똑똑한 알약 - MEM1414

궁극적으로 집중력과 기억력, 그리고 지능까지 높여주는 연구가 이루어지고 있다. 제약회사들은 MEM 1003, MEM 1414등 정신기능을 향상하는 몇 가지 알약을 꾸준히 연구해왔다.

과학자들은 동물연구를 통해 “효소와 유전자를 이용하면 장기기억력을 높일 수 있다”는 사실을 알아냈다. 어떤 행동을 하면 CREB와 같은 특정 유전자가 활성화되고, 그로부터 특정 단백질이 만들어지면서 행동요령을 습득하게 된다. 연체동물과 과실파리 그리고 쥐를 대상으로 실험한 결과, 두뇌를 순환하는 CREB 단백질 양이 많을수록 장기기억이 빠르게 형성되는 것으로 밝혀졌다. MEM1414는 CREB 단백질의 생성을 촉진하는 약으로서, 노년기에 접어든 동물에게 MEM1414를 투입하면 장기기억이 평소보다 훨씬 빠르게 형성된다.

 

[3] 기억의 삭제

알츠하이머병은 환자의 기억력을 무차별적으로 파괴한다. 하지만 만일 특정 기억을 골라서 지울수 있다면, 끔찍한 경험 때문에 발병한 정신질환인 PTSD를 치료하는데 큰 도움이 될 것이다.

기억상실증에는 기본적으로 두 가지가 있다. 단기기억상실과 장기기억 상실이다. 역행성 기억상실증은 뇌에 충격이 가해지거나 외상을 입었을 때 나타나는 증세로서, 충격을 받은 그 순간부터 깨어날 때까지 있었던 일을 전혀 기억하지 못하는 현상이다. 영화 본 아이덴티티의 주인공이 겪은 기억상실증이라고 볼 수 있다. 반면에 ‘순행성’ 기억상실증은 단기기억력이 손상된 경우로서, 충격을 받은 후부터는 새로운 기억을 장시간 저장하지 못한다. 영화 메멘토의 주인공이 겪은 기억상실증이라고 볼 수 있다.

 

(1) 기억을 지우는 약 - 프로프라놀롤

2009년 네덜란드의 과학자 메렐 킨트 박사와 그의 연구팀은 다음 내용을 골자로 하는 논문을 발표했다. “예전부터 사용해왔던 프로프라놀롤(교감신경 억제제 중 하나로 고혈압, 협심증, 부정맥 등에 효과가 있다고 알려졌다)은 외상성 충격에 의한 고통스러운 기억을 지우는 ‘기적의 약’이 될 수 있다. 이 약은 특정 시간대의 기억상실을 유발하지는 않지만, 약 3일 동안 경미한 고통을 유발한다.

장기기억은 전기적 신호로 기록되는 것이 아니라 단백질 분자의 수준에서 기록된다. 그러나 총체적인 기억을 떠오리려면 여러 곳에 흩어진 기억의 단편들을 모아서 재조합해야 하므로 이 과정에서 단백질 분자 구조가 어떻게든 재배열 될 것이다. 다시 말해서, 기억을 떠올리는 행위 자체가 기억을 변형시킨다는 이야기다. 외상을 입은 후 끔찍한 기억이 형성되는 것은 주로 아드레날린 때문인데, 프로프라놀롤은 아드레날린의 흡수를 방해하여 나쁜 기억의 형성을 억제하는 효과가 있다. 프로프라놀롤은 기억과 관련한 신경세포에 자리잡고 있다가 아드레날린의 침투를 방해한다. 따라서 아드레날린은 분명히 존재하지만 자신의 임무를 제대로 수행하지 못한다.

//감정적으로 고조된 상태에서 경험한 일은 더욱 생생히 기억에 남는다

 

한편 뉴욕 대학의 조지프 레두스 박사는 같은 정신의학전문지에 실린 또 다른 연구논문에서 특정한 한가지 기억을 지우는 약을 개발했다고 밝혔다.

레두스 박사는 쥐들을 두 가지 음악이 들리면 전기충격을 가해 이러한 조건에 적응하도록 훈련시켜 이 두 가지 음악 중 하나만 들리면 전기충격이 올 것을 예상해 몸을 움추리게 만들었다.

이어 이 쥐들 중 절반에만 U0126이라고 불리는 부분적으로 기억을 잃게하는 약을 이 두 가지 음악 중 하나가 들릴 때 투여한 결과 그 음악이 나올 때는 몸을 움추리는 동작을 하지 않았다.

이는 약으로 특정 기억만 지울 수 있음을 보여주는 것이라고 레두스 박사는 말했다.

 

 

(2) 다른 약 – CaMKII, PKMzeta

조지아의과대학의 조 첸 박사와 상하이대학교의 동료들은 CaMKII라는 단백질을 이용해 쥐의 기억을 지우는데 성공했다고 밝혔고, 뉴욕 브루클린에 있는 SUNY 다운스테이트 메디컬센터의 과학자들은 PKMzeta를 이용해 기억을 지우는데 성공했다. 고통스러운 기억을 지울 뿐만 아니라, 일반적인 불안감과 우울증, 공포증, 외상후 스트레스장애 그리고 각종 장애를 치료하는데 쓰일 수 있다.