[과학을읽다]기억이 안 나는 이유, '엔그램 연결'에 있었다

IBS, 엔그램 세포 간 시냅스 강화가 기억 회상의 핵심 조건임을 규명

기억은 분명 뇌에 저장돼 있지만, 막상 떠올리려 하면 사라지는 이유는 무엇일까. 기억을 담당하는 특정 신경세포, 이른바 엔그램(engram) 세포 자체보다 이 세포들을 서로 잇는 연결 상태가 기억 회상의 성패를 좌우한다는 연구 결과가 나왔다.

기초과학연구원(IBS) 기억 및 교세포 연구단 강봉균 단장 연구팀은 기억을 저장하는 엔그램 세포뿐 아니라, 이들 사이에 형성되는 시냅스의 수와 구조적 강화가 실제 기억 회상에 결정적인 역할을 한다는 사실을 실험적으로 밝혀냈다.

연구 핵심 내용 요약 모식도. 학습 이후 엔그램 세포 사이의 시냅스 수와 구조적 크기가 증가한다. 단백질 합성을 한 차례 억제하면 시냅스 구조 강화는 줄어들지만 수 증가는 일부 유지돼 자연적 기억 인출은 약화되나 인위적 인출은 가능하다. 반면 반복적으로 억제한 경우에는 시냅스 수와 구조 강화가 모두 차단돼 자연적·인위적 기억 인출이 모두 나타나지 않는다. 연구진 제공

엔그램은 특정 경험이 뇌에 남긴 기억의 흔적을 의미하며, 신경과학에서는 기억을 담당하는 신경세포 집단을 '엔그램 세포'라고 부른다. 그동안 기억 연구는 주로 어떤 세포가 기억을 저장하는지에 초점이 맞춰져 있었지만, 연구진은 "엔그램 세포가 존재하더라도 이들을 충분히 연결하는 회로가 형성되지 않으면 기억은 행동으로 드러나지 않을 수 있다"는 점에 주목했다.

엔그램 세포를 잇는 시냅스가 기억을 되살린다

연구진은 공포 기억과 밀접하게 관련된 복측 해마(vCA1)-기저 편도체(BA) 뇌 회로를 분석했다. 생쥐에게 특정 환경을 불쾌한 자극과 연관 짓는 공포 조건화 실험을 수행한 뒤, 학습 전후 뇌 회로에서 나타나는 시냅스 변화를 고해상도로 관찰했다. 이 과정에서 엔그램 세포에서 유래한 시냅스와 그렇지 않은 시냅스를 구분해 정량적으로 분석했다.

그 결과 공포 학습 이후 시냅스 변화는 무작위적으로 발생하지 않았다. 엔그램 세포와 엔그램 세포를 직접 연결하는 시냅스에서만 선택적으로 시냅스 수가 증가하고, 시냅스를 이루는 돌기(spine) 구조의 크기도 함께 커졌다. 반면 엔그램 세포와 비(非)엔그램 세포 사이의 시냅스에서는 이러한 변화가 거의 나타나지 않았다.

연구진은 이어 이러한 시냅스 변화가 실제 기억 회상에 어떤 영향을 미치는지 확인하기 위해 학습 직후 단백질 합성 억제 실험을 진행했다. 단백질 합성을 한 차례 억제한 경우, 시냅스의 구조적 강화는 대부분 차단됐지만, 시냅스 수 증가는 상당 부분 유지됐다. 이 조건에서는 생쥐의 자연적인 공포 기억 회상은 감소했으나, 엔그램 세포를 인위적으로 자극해 기억을 강제로 재활성화했을 때는 회상 반응이 유지됐다.

연구진 사진. 왼쪽부터 강봉균 IBS 기억 및 교세포 연구단 단장(교신저자), 홍일강 기억 및 교세포 연구단 박사후연구원(제1저자), 김연준 기억 및 교세포 연구단 박사후연구원(제1저자). IBS 제공

반면 단백질 합성을 장시간 반복적으로 억제해 시냅스 수와 구조 변화가 모두 차단된 조건에서는 자연적인 기억 회상뿐 아니라 인위적으로 유도한 회상 반응까지 현저히 감소했다. 기억을 저장한 엔그램 세포가 형성되더라도, 이를 잇는 충분한 시냅스 연결이 만들어지지 않으면 기억이 행동 수준에서 회상되지 않을 수 있음을 보여주는 결과다.

강봉균 단장은 "엔그램 세포가 기억을 저장한다는 사실에 비해, 그 기억이 실제로 회상되기 위해 어떤 조건이 필요한지는 명확하지 않았다"며 "이번 연구는 기억 회상이 세포 간 시냅스 연결 상태에 의해 결정될 수 있음을 보여주며, 기억 회상 실패나 기억장애를 이해하는 데 중요한 단서를 제공한다"고 말했다.

이번 연구 결과는 국제학술지 미국 국립과학원회보(PNAS)에 지난 12일 게재됐다. 논문명은 "단백질 합성 차단이 엔그램 시냅스 강화를 억제해 공포 기억 재활성화를 방해한다(Protein Synthesis Blockade Prevents Fear Memory Reactivation via Inhibition of Engram Synapse Strengthening)"이다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr