[쿠키과학] '기억은 있는데 왜 못 떠올릴까?'… IBS, '뇌의 연결선' 찾다

공포학습 후 엔그램–엔그램 시냅스에서 선택적 강화 확인
단백질 합성 억제 시 회상과 재활성화가 함께 약화
엔그램 시냅스 형성·강화가 회상 행동 연관

학습 이후에는 기억을 저장하는 엔그램 세포들 사이의 시냅스 수가 증가하고, 개별 시냅스를 이루는 구조도 더 커지는 변화가 나타난다. 학습 직후 단백질 합성 억제제를 한 차례 투여한 경우에는, 시냅스의 구조적 크기 증가는 억제되지만 시냅스 수의 증가는 상당 부분 유지된다. 이 조건에서는 자연적인 기억 인출(회상)은 약해지지만, 엔그램 세포를 인위적으로 자극했을 때에는 기억을 다시 불러낼 수 있다. 반면 단백질 합성을 반복적으로 억제한 경우에는 시냅스의 수와 구조적 크기 증가가 모두 크게 줄어, 기억 저장 시냅스의 전반적인 강화가 일어나지 않는다. 이로 인해 자연적인 인출뿐 아니라 인위적으로 유도한 인출까지도 나타나지 않는다. IBS

기억이 뇌에 저장됐더라도 세포와 세포를 잇는 통로가 튼튼하지 않으면 기억을 다시 꺼낼 수 없다는 뇌 과학적 원리가 규명됐다.

기초과학연구원(IBS) 강봉균 기억및교세포연구단장팀은 엔그램 세포와 이 세포들 사이에 형성되는 시냅스의 수 및 구조적 변화가 기억을 회상하는 데 결정적인 역할을 한다는 사실을 실험으로 밝혀냈다.

엔그램 세포는 어떤 경험을 할 때 함께 활성화돼 경험의 ‘기억 흔적(엔그램)’을 뇌에 저장하고, 나중에 비슷한 단서가 주어지면 다시 활성화되며 기억을 떠올리는 데 관여하는 신경세포 집단이다.

박사팀은 공포 기억과 밀접한 복측 해마(vCA1)와 기저 편도체(BA)를 잇는 뇌 회로를 집중 분석했다. 이때 서로 다른 신경세포 연결을 색으로 구분해 보여주는 고해상도 시각화 기법인 ‘듀얼 이그래스프(dual-eGRASP)’를 활용했다.

듀얼 이그래스프는 서로 다른 신경세포 연결을 색으로 구분해 보여주는 기술이다.

분석결과 공포학습 이후 엔그램 세포 사이를 잇는 시냅스 수가 현저히 늘었고, 시냅스 끝에 달린 돌기 크기도 커졌다.

신경세포 가지 끝에 있는 돌기 머리 부분이 커진다는 것은 시냅스 연결이 구조적으로 튼튼해졌음을 뜻한다.

반면 기억과 무관한 일반 세포 사이 시냅스에서는 이런 변화가 나타나지 않았다.

연구팀은 시냅스 변화가 기억 회상에 미치는 영향을 확인하고자 단백질 합성 억제제를 투여하는 실험도 진행했다.

단백질 합성은 시냅스 구조를 튼튼하게 만드는 필수 과정이다.

단백질 합성을 한 차례 억제했을 때는 시냅스 크기 증가만 막혔고, 생쥐는 기억을 잘 떠올리지 못했다.

하지만 이때 엔그램 세포를 인위적으로 자극하자 기억이 다시 살아났다.

반면 6시간 동안 반복적으로 단백질 합성을 억제해 시냅스 수와 크기 증가를 모두 차단하자 생쥐는 자연적인 상태는 물론 인위적인 자극을 줘도 공포 기억을 전혀 떠올리지 못했다.

이는 기억 저장세포가 형성됐더라도 세포 사이를 잇는 다리인 시냅스가 충분히 만들어지지 않으면 기억이 행동으로 나타나지 않는다는 점을 의미한다.

학습 이후 단백질 억제제 투여 방식에 따른 시냅스 변화 사진. dual-eGRASP는 서로 다른 신경세포 집단에서 유래한 시냅스를 색으로 구분해 시각화하는 기법으로, 동일한 신경세포에 형성된 시냅스의 기원을 구별해 관찰할 수 있다. 위 이미지에서는 엔그램 세포에서 유래한 시냅스가 노란색으로, 비엔그램 세포에서 유래한 시냅스가 청록색으로 표시돼 있다. 단백질 합성 억제제를 한 차례 투여한 경우와 반복적으로 투여한 경우에서 엔그램 유래 시냅스의 분포와 형태가 서로 다르게 나타난다. IBS

이번 연구는 기억이 세포 하나에 머무는 것이 아니라 세포 사이 연결망에 존재한다는 사실을 시냅스 수준에서 증명한 것으로 의미를 갖는다.

특히 동일한 신경세포에서 기억 유래 입력과 일반 입력을 구분해 정량화하는 고난도 분석으로 신뢰도를 높였다.

이런 발견은 치매나 기억 상실증처럼 기억은 존재하지만 회상하지 못하는 기억 장애 현상을 이해하고 치료하는 데 중요한 단서가 된다.

강 단장은 “그동안 엔그램 세포가 기억을 저장한다는 사실에 비해 회상을 위한 조건은 명확하지 않았다”며 “이번 연구는 기억 회상이 세포 사이 시냅스 연결 상태에 의해 결정됨을 보여주며, 기억 장애를 이해하는 데 중요한 단서를 제공한다”고 말했다.

한편, 이번 연구결과는 지난 12일 국제학술지 ‘미국국립과학원회보(PNAS)’에 게재됐다.
(논문명 : Protein Synthesis Blockade Prevents Fear Memory Reactivation via Inhibition of Engram Synapse Strengthening / PNAS(2026) Ilgang Hong, Yeonjun Kim, Hyunsu Jung, Chang-Ho Kim, Jun-Hyeong Cho, Bong-Kiun Kaang)