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- 자극의 문지기 역할을 하는 시상은 일반적으로 마취 상태에서도 활성화되지만 피질은 특정 입력을 무시한다.

마취 상태에서 뇌 과정은 다르게 들린다.
신경 배경 활동과 청각 자극의 상호 작용 균열

낮과 밤의 차이:
우리가 깨어 있을 때 뇌의 뉴런은 소리를 처리하기 위해 소리에 특정한 연관성을 형성한다. 마취 상태에서 뇌 세포도 소음에 반응하지만 소리에 특정한 방식으로 반응하지 않는다. 흥미롭다. 자극의 문지기 역할을 하는 시상은 일반적으로 마취 상태에서도 활성화되지만 피질은 특정 입력을 무시한다. 

▲ 깨어 있는 상태(흰색 점)에서 뇌는 소리에 특정한 뉴런 활동으로 반응한다. 마취 상태에서(녹색 점) 배경 영구 활동으로 되돌아간다. © Joanna Schwenkgrub, Institut Pasteur; Anton Filipchuk, CNRS – Institut Pasteur

마취하는 동안 우리 몸은 마취된 깊은 잠에 빠진다. 마취제는 우리의 통증과 압력 감각을 차단하여 문제없이 외과적 개입이 이루어질 수 있도록 한다. 그러나 그동안 우리의 의식은 어떻게 되었을까? 그것도 완전히 마비된 건가? 우리의 뇌는 마취 상태에서도 무엇을 인식할 수 있고 무엇을 인식할 수 없을까?

우리 뇌의 소위 장기 활동은 마취 연구에서 중요한 역할을 한다. 감각 자극을 감지하는 뇌의 영역은 감각 자극이 전혀 없을 때에도 지속적으로 활성화된다. 예를 들어, 청각 자극에 특화된 뉴런은 완전한 침묵 속에서도 "켜져" 있다. 오랫동안 이것이 우리가 마취 상태에서도 표적 방식으로 소리를 분류할 수 있다는 것을 의미하는지 여부는 불분명했다.

생쥐의 귀를 실험

Paris-Saclay 대학의 Anton Filipchuk이 이끄는 팀은 이제 쥐에 대한 실험을 통해 이 질문에 접근했다. 과학자들은 쥐가 깨어 있고 세 가지 마취제의 영향을 받을 때 소리에 어떻게 반응하는지 알아내고자 했다. 이를 위해 그들은 청각 자극을 처리하는 대뇌 피질 영역인 동물의 청각 피질을 자세히 관찰했다.

그들은 동물에게 미리 정의된 50가지 소리를 들려주고 깨어 있을 때와 마취 상태에서 청각 뉴런이 동물에게 어떻게 반응하는지 조사했다. 연구팀은 특별한 광학 기록 기술을 사용해 쥐의 청각 피질과 시상에 있는 거의 천 개의 뉴런의 활동을 측정할 수 있었다. 후자는 대뇌 피질과 밀접하게 연결되어 있으며 자극 전달에 중요한 역할을 하는 간뇌의 중심이다. 연주되는 음색은 복잡성과 빈도가 다르다.

깨어 있는 동안의 "창의적인" 패턴

결과:
깨어 있을 때 소리로 인해 청각 피질의 수백 개의 뉴런이 함께 활성화되어 감각 자극을 처리한다. 연구원들에 따르면, 이 활동 패턴은 소리마다 다르고 개별적이었다. 청각 자극의 질에 따라 다양한 뉴런 그룹이 활성화된다.

따라서 노이즈에 의한 뉴런의 활동은 깨어 있는 상태에서 배경의 영구적인 활동보다 뚜렷하게 두드러졌다. Filipchuk의 동료인 Alain Destexhe는 "대뇌 피질은 깨어 있는 상태에서 더 창의적이며 각 소리에 반응해 신경 활동의 새로운 패턴을 발명한다. 팀에 따르면 이러한 조정된 활동 네트워크는 감각 지각의 표현이다.

마취 하의 둔한 반응

그러나 마비된 뇌에서는 어떻게 보일까? 마취 상태에서도 쥐의 청각 피질은 수백 개의 뉴런 클러스터를 활성화하여 소리에 반응했다. 그러나 연구원들이 깨어 있는 상태에서 관찰한 것처럼 이러한 연관성은 다른 음색에만 국한되지 않았다. 대신 붕대는 현재 진행 중인 활동의 일부였습니다. "우리는 많은 뉴런이 마취 상태에서 소리에 특이적으로 반응하는 능력을 상실했음을 직접적으로 보여줄 수 있었다"고 과학자들은 보고했다.

그들이 설명하듯이, 뇌는 활성화될 수 있는 더 적은 수의 신경 세포로 작동해야 한다. 결과적으로 비특이적 영구 활동 중에 이미 활성화된 뉴런 그룹으로 대체된다. 과학자들에 따르면, 이 다소 일반적인 뉴런 활동은 쥐와 아마도 인간이 깨어 있을 때 뿐만 아니라 마취 상태에서도 더 이상 소리를 분류할 수 없는 이유를 설명할 수 있다.

시상은 마취 상태에서도 건강을 유지한다.

평가 결과 외부 자극의 문지기인 시상은 마취 상태에서도 여전히 일반적으로 차별화된 반응 패턴을 보이는 것으로 나타났다. Filipchuk과 동료들은 "마취된 피질이 단순히 이러한 입력이 나타내는 차이를 무시하는 것처럼 보이기 때문에 이 사실은 두뇌 영역 간의 연결이 기능적으로 어느 정도 상실되었음을 시사한다"고 기술했다.

청각 피질과 시상의 이러한 다양한 반응은 피질과 그 활동 패턴이 각성 상태와 진정된 수면 사이에 결정적인 차이를 만든다는 것을 확인 시켜 준다. 이것은 의식 상실이 특정 처리 과정의 붕괴와 관련이 있을 뿐만 아니라 뇌의 기능적 연결성 상실과 관련이 있다는 이론을 뒷받침한다.
(Nature Neuroscience, 2022, doi: 10.1038/s41593-022-01168-5)
출처: Nature Neuroscience. Human Brain Project

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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