시각 피질 간 상호 흥분성 연결이 동적 합의를 만든다

영국 케임브리지대 등 국제 공동연구진이 이같은 결과를 네이처 뉴로사이언스에 9월 18일 실린 논문에서 보고했다. 연구진은 쥐의 1차 시각피질(V1)과 상위 후측외측(LM) 영역에서 동시에 다채널 전기생리 기록을 하면서, 파르발부민(PV) 양성 억제성 세포를 광활성화해 특정 시간(150밀리초)의 활동을 교란하는 실험을 수행했고, 이 데이터를 바탕으로 데이터 기반의 비선형 잠재 회로 모델을 만들었다.

가장 중요한 발견은 V1과 LM 사이의 서로 주고받는(excitatatory) 장거리 연결이 두 영역의 결합 역학에서 근사적 선(線) 어트랙터(line attractor)를 구현한다는 점이다. 이 동역학은 두 영역의 활동 패턴이 서로 '일치'할 때 그 성분의 소멸 속도를 느리게 하고, 반대로 '불일치' 성분은 더 빨리 사라지게 하여 시간에 따라 영역 간 합의를 형성한다.

모델 분석에서 선 어트랙터 주변의 느린 모드는 약 400밀리초의 시간상수를 가지며, 이는 단일 뉴런 특성 시간상수인 20밀리초보다 약 20배 길었다. 연구진은 이 예측을 모델에 의존하지 않고도 검증했다. 두 영역의 국소 균형(밸런스)을 합친 '동의(agree)' 성분은 자기상관이 더 천천히 줄어드는 반면, '불일치(disagree)' 성분은 더 빠르게 줄어드는 것이 실험 데이터에서도 관찰되었다.

기계적 해석을 위해 연구진은 단순화한 두 영역 E−I(흥분−억제) 회로 모델을 제시했다. 이 이론 모델은 장거리 흥분성 연결이 동의 모드의 시간상수를 늘리고 불일치 모드의 소멸을 가속해 선 어트랙터를 만들며, 원래의 고차원 잠재 모델 반응의 상당 부분을 설명한다고 밝혔다. 또한 모델은 광유전학적 억제가 다른 신경들의 반응에 미친 값을 예측했고, 데이터에서 그 예측이 양의 상관을 보이며 검증되었다.

논문은 몇 가지 제한도 밝혔다. 모든 세포의 흥분·억제 정체를 완전히 알기 어렵기 때문에 보다 일반적인 예측(모든 모드에 대한 시간상수 차이)을 실험적으로 직접 확인하는 데 제약이 있다고 연구진은 설명했다. 한편 연구진은 광유전학적 교란을 포함한 여러 통제와 복수 초기값에서의 모델 적합을 통해 모델이 데이터를 자의적으로 과대해석하지 않았음을 보였다고 덧붙였다.

이 연구는 지역별로 분산된 피질 회로가 반복적 흥분성 연결을 통해 동적으로 '합의'를 만들어 낼 수 있음을 보이며, 이런 동적 합의 구축이 분산 피질 계산의 일반 원리일 수 있음을 제시한다고 연구진은 결론지었다.