배우지 않은 기억을 입력해 새가 노래한다

[파이낸셜뉴스] # 한 아버지가 갓난아기를 안아 얼굴을 마주하고는 천천히 "아"와 "빠"를 반복한다. 이 소리를 몇달 동안 듣고 난 후 아기가 소리를 내려고 하다가 점차 "아 아 아" 거리기 시작하고 마침내 "아빠"라는 단어로 바뀌게 된다.
이것은 우리의 지적 발달에 중요한 단계들이지만, 말을 학습하는 많은 요소들은 아직까지도 수수께끼로 남아있다.

뇌는 어떻게 부모의 말을 흉내내는 데 필요한 기억을 심을 수 있을까? 그리고 그 과정이 잘못됐을 때 과학자들이 개입할 수 있을까?

미국 UT 남서부 의료센터 오도넬 뇌연구소의 신경과학자인 토드 로버츠 박사가 광유전학을 통해 새에게 노래하는 기억을 주입시키는 데 성공했다. 토드 로버츠 박사는 "이번 연구로 우리가 새들에게 기억을 심어주고 새들이 노래를 배울 수 있게 됐다"고 4일(한국시간) 밝혔다.

이것은 로버츠 박사 실험실에서 나온 최신 연구결과중 하나이며, 음성 학습중 뇌가 어떻게 작용하는지를 기술하고 있다. 연구진들은 새들이 짝짓기 노래를 배우는 것과 관련된 신경 과정을 지도화해 향후 이 지식을 이용해 자폐증이나 다른 신경 발달 질환 환자들에게 방해되는 특정 언어 유전자를 목표로 사용하기 바라고 있다.

로버츠 박사팀은 최근 다른 프로젝트들 중에서 뇌의 운동 부위와 청각 부위의 상호작용을 도와 발성을 배우는 데 중요한 역할을 하는 뉴런 네트워크를 확인했다.

■ 뉴런 활성화
4일 '사이언스'지에 발표된 이 연구는 과학자들이 광유전학을 통해 어떻게 뉴런 회로를 활성화시켰는지 설명한다. 광유전학은 빛을 이용해 뇌의 활동을 모니터링하고 제어하는 비교적 새로운 도구다.

연구원들은 인간이 부모에게 말을 배우듯 어릴때 아비새가 노래하는 것을 듣고 음을 외우는 금화조를 실험에 사용했다.

로버츠 박사 팀은 뇌의 두 영역 사이의 상호작용을 제어함으로써 아버지로부터 배운 경험이 없는 금화조에 기억을 입력했다. 새들은 이 기억들을 그들이 노래의 음절을 배우기 위해 사용했고, 각 음의 지속시간은 빛이 뉴런을 활성화시키는 시간에 해당된다. 빛 노출이 짧을수록 음은 짧아진다.

로버츠 박사는 "우리는 새에게 그들이 알아야 할 모든 것을 거르치는 것이 아니라 새의 노래속 음절만 가르치는 것"이라며 "이 연구에서 테스트한 두 뇌 부위는 퍼즐의 한 조각일 뿐이다"고 말했다.

그럼에도 불구하고 이 발견은 음정이나 각 음의 순서 등 다른 발성 측면에 영향르 미치는 뇌 회로를 더 많이 식별하기 위한 새로운 연구 방법을 열어놓았기 때문에 주목할 만하다.

■ 언어장애를 타깃으로
'사이언스'에 기술된 연구결과는 행동 목표 기억들이 어떻게 형성되고 발성을 배우는데 있어서 기억의 역할이 무엇인지에 대해 새로운 기반을 마련했다.

로버츠 박사는 "연구실에서 이런 기억들이 어디에 입력되는지 알 수 없었기 때문에 연구하기가 어려웠다"고 말했다.

로버츠 박사팀은 뇌의 감각 운동 영역 사이의 연결을 테스트함으로써 그 해답 중 일부를 발견했다. 특히, 연구원들은 '핵인터페이스(NIf)' 뇌 영역의 뉴런 활동을 조작하고 그것이 청각 경험으로부터 배우는 것과 관련된 또 다른 뇌 영역인 'HVC'로 보내는 정보를 통제하기 위해 광유전학을 이용했다.

로버츠 박사팀은 NIf가 음절 특정 기억을 형성하는 역할을 기술하는 것 이외에도 이러한 기억들이 형성되고 난 후 뇌의 다른 어딘가에 저장되고 있다는 것을 발견했다. 과학자들은 학습 과정의 서로 다른 지점에서 NIF와 HVC 사이의 연결을 끊음으로써 이것을 보여줬다.

이미 기억을 형성한 금화조는 여전히 노래할 수 있는 반면, 신경 연결이 끊긴 후에 가르친 것들은 노래를 복사할 수 없었다.

로버츠 박사는 자신의 연구실이 행동 목표 기억의 추가적 특성이 어떻게 형성되는지를 더 잘 이해하기 위해 HVC에 다른 종류의 정보를 전달하는 다른 뇌 영역을 조사할 것이라고 말했다.

로버츠 박사는 "인간 두뇌의 언어와 관련된 경로는 금화조의 뇌 구조보다 훨씬 더 복잡하지만 우리의 연구는 신경 발달 장애에 대한 더 많은 통찰력을 어디서 찾아야 하는지에 대한 강력한 단서를 제공하고 있다"고 말했다.

[e-mail] 김만기 기자