타인을 공감하는 뇌 신경회로 원리 규명
생명과학 / Bio통신원
기초과학연구원 (2022-12-05)

공감(empathy)은 타인의 기쁨, 슬픔, 혹은 공포 같은 정서적인 상태를 공유하며 이해하는 능력이다. 공감 능력이 결핍되거나 비정상적으로 높을 경우 사회성과 정신 건강에 문제를 일으킬 수 있다. 그러나 공감은 매우 복잡한 고등 인지 영역으로, 공감 능력을 형성하는 뇌 신경회로는 명확히 확인되지 않았으며, 뇌 영역 간의 기능적 연결이 어떤 기전을 통해 형성되는지에 대한 연구도 이루어진 바가 거의 없었다.

기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 인지 및 사회성 연구단 신희섭 명예연구위원 연구팀은 생쥐 실험을 통해 우뇌의 뇌파 동기화가 공감 기능을 유도함을 밝혔다. 공감 능력 장애를 보이는 자폐, 사이코패스, 조현병 같은 정신 질환 치료 연구에 기여할 것으로 기대된다.

생쥐는 공포를 느끼면 동작을 멈추는 행동을 뚜렷이 보인다. 생쥐를 이용한 ‘관찰 공포(observational fear) 행동 모델’은 챔버(상자 모양의 실험 장치) 속 두 생쥐 중 한 쪽의 생쥐에게만 전기 충격을 주고, 다른 쪽 생쥐는 이를 관찰하게 하는데, 관찰하는 쪽의 생쥐가 전기 충격으로 고통받는 생쥐의 공포를 얼마나 상상하고 공감하는지를 측정한다. 

생쥐의 공포 공감 능력은 상대의 고통 관찰 시 동작을 멈추는 행동의 정도와 일정 시간이 지난 뒤에도 공포에 대한 기억을 회상하는 정도로 나타난다. 생쥐가 이 모델에서 보이는 공포에 대한 공감은 인간이 느끼는 공감 패턴과 비슷한 것으로 알려져 있다.

연구진은 생쥐의 관찰 공포 행동 모델을 기반으로 광유전학적 기법 및 뇌파 측정 실험을 더해 공감 기능에 관여하는 우뇌 신경회로를 발견했다. 그리고 5~7 hz 진동수의 뇌파에 의해 우뇌의 세부 영역들이 기능적으로 연결되어 공감 기능이 유도됨을 규명했다.

연구진이 생쥐 우뇌의 대뇌피질-편도체 간에 연결된 신경회로를 억제하자 생쥐의 관찰 공포 행동이 감소하고, 반대로 신경회로를 강화하는 경우에는 관찰 공포 행동이 증가했다. 이로써 우뇌의 대뇌피질-편도체 상호간에 연결된 뇌신경회로가 공감 기능에 관여함을 확인할 수 있었다.

흥미롭게도 생쥐의 관찰 공포 행동 중에 우뇌의 대뇌피질-편도체에서 5~7 hz의 뇌파 동기화가 관찰되었는데, 우측 대뇌피질에서 발생되는 5~7 hz 뇌파를 특이적으로 억제하자 우뇌의 뇌파 동기화와 관찰 공포 행동이 모두 억제되는 것이 확인됐다. 

더 나아가 대뇌피질-편도체 뇌파의 근원이 해마 세타파임도 확인됐다. 뇌의 해마 영역에서 관찰되는 세타파는 인지, 정서, 선천적 공포 불안장애 등 다양한 뇌 기능과 관련되어 있다. 연구진이 광유전학 기법으로 해마 세타파 억제 시 우뇌의 대뇌피질-편도체 부위의 뇌파 동기화가 감소하고 관찰 공포 행동이 억제됐다. 반대로 세타파 강화 시 뇌파 동기화 및 관찰 공포 행동이 증가했다. 대뇌피질-편도체 뇌파 동기화 조절에 의해 관찰 공포 행동 기능이 양방향으로 조절되는 것을 밝힌 것이다.

신희섭 명예연구위원은 “공감 능력 조절 메커니즘을 뇌신경 회로 및 뇌파 수준에서 규명한 것은 이번이 최초”라며, “향후 공감 기능에 관여하는 유전자 및 새로운 신경회로에 대한 연구를 진행하고, 궁극적으로 자폐 및 조현병 같은 뇌 기능 장애 동물모델에 적용하여 정신 질환 치료에 기여하고자 한다.”고 전했다. 연구결과는 셀 자매 학술지‘뉴런(Neuron, IF=18.688)’에 12월 2일 온라인 게재됐다.


연 구 추 가 설 명

논문/저널/저자
Hemispherically lateralized rhythmic oscillations in the cingulate-amygdala circuit drive affective empathy in mice
/ Neuron(2022)
Seong-Wook Kim, Minsoo Kim, Jinhee Baek, Charles-Francois Latchoumane, Gireesh Gangadharan, Yongwoo Yoon, Duk-Soo Kim, Jin Hyung Lee and Hee-Sup Shin

연구내용보충설명
● 공감 능력은 자아를 가진 인간과 유인원만의 독특한 능력이라 인식되었다. 그러나, 최근의 연구들을 통해 설치류에서 인간까지 공감 능력이 진화적으로 보전되어 있다고 보고되고 있다. 
● 공감 행동의 진화론적 연속성에 기반을 두고 동물모델을 이용한 공감 연구가 최근 빠르게 늘어나고 있으며, 설치류에서의 공감 연구는 신경과학의 하나의 독립적인 연구 분야로 자리잡았다. 생쥐를 이용한 관찰 공포는 공감 연구의 핵심 분야이며, 공감 공포 행동에서 정서 능력을 평가하는 데 유용한 행동 모델로 인정받고 있다.
● 최근 연구를 통하여, 인간과 생쥐에서 통증, 공포 및 사회적 인지 능력에 중요한 뇌의 영역인 전대상피질이 관찰 공포에 핵심적 역할을 한다는 다수의 결과들이 보고되었다.
● 뇌 영역들 간의 기능적 연결은 뇌파 동기화(synchronization)에 의해 형성될 수 있다. 5-7 Hz의 뇌파의 경우, 주로 해마 영역에서 관찰되지만, 해마와 멀리 떨어진 전대상피질 및 편도체에서도 관찰된다. 하지만, 해마 이외의 뇌 영역들에서 관찰된 뇌파에 대한 근원(origin) 과 기능이 정확히 규명되어 있지 않다. 따라서 해마와 해부학적으로 연결된 뇌의 영역들에서 관찰되는 뇌파에 대한 해마 뇌파와의 관련성과 근원을 정의하는 것은 뇌파 동기화의 기능을 규명하기 위한 중요한 과정이다. 

연구 이야기

[연구 배경]
공감 능력은 인류의 사회 생활 수행에 중요한 기능들 중 하나이며, 자폐 및 조현병 등과 같은 정신 장애 환자들의 경우, 이와 같은 뇌 기능이 결핍되어 있다. 뇌의 공감 기능이 정상적으로 작동되려면, 전두엽 및 편도체를 포함한 뇌의 다중 영역들 간의 해부학적 및 기능적 연결이 필요하다. 하지만, 정상적인 공감 기능이 작동되기 위해 뇌 여러 영역들이 어떻게 기능적으로 연결되는지, 어떠한 뇌 기작에 의해 기능적 연결이 조절되는지 보고되어 있지 않다.

[연구 과정] 공감 기능에 관여하는 신경 회로 및 신경 회로에 의한 뇌 영역간의 기능적 연결을 규명하기 위해 연구진은 생쥐 모델의 관찰 행동 중에 광유전학 기법 및 뇌파 측정 실험을 이용하여 뇌 신경 회로를 억제/강화하고 행동 중에 발생하는 뇌파를 측정하여 우뇌의 뇌파 동기화의 공감 기능에 대한 역할을 규명하였다.

[성과 차별점] 생쥐 광유전학/뇌파 분석을 바탕으로 공포 공감 행동 차이에 직접적으로 관여하는 뇌 신경회로를 발견했다. 특히, 공감 기능 조절에 핵심적인 역할을 하는 뇌파 동기화 기전을 규명함으로써, 고등 인지 행동인 공감의 정서 및 인지 정보가 뇌에서 어떻게 처리되는 지를 자세히 연구할 수 있을 것으로 기대된다.

[향후 연구계획] 공감 기능을 위한 우뇌 뇌파 동기화 조절에 관여하는 유전자 및 신규 뇌 신경회로를 규명하고, 궁극적으로는 자폐 및 조현병과 같은 뇌 기능 장애 동물모델에 적용하여 정신질환 치료에 기여하고자 한다.
 

타인을 공감하는 뇌 신경회로 원리 규명

[그림 1] 공포에 대한 공감능력을 측정하는 관찰 공포 행동 모델
관찰 공포 행동 챔버 사진과 행동실험 과정의 모식도. 관찰생쥐와 시연생쥐는 각각 독립된 챔버에 놓여지고 5분간의 새로운 환경에 대한 적응기를 갖는다. 곧 시연생쥐는 반복적으로 주어지는 전기충격(2초 충격-10초 휴식을 반복적으로 진행)에 의해 고통과 공포 반응을 보이게 되며, 관찰생쥐는 투명한 플라스틱 막을 통해 시연 생쥐의 고통을 바라보며 상대의 공포 반응에 공감하여 동작을 멈추는 행동을 보인다. 이러한 공포 공감 행동을 4분간 측정한다. 다음날 관찰생쥐는 시연생쥐 없이 단독으로 동일한 행동 챔버에 놓이게 되는데, 고통을 받는 상대가 없는 상태에서도 24시간 전에 일어났던 관찰공포가 일어났던 그 장소를 기억하여 상상공포로 인해 꼼짝 못하고 얼어붙는 행동을 보이게 된다. 이렇게 학습된 공포반응을 4분간 측정한다.

 

타인을 공감하는 뇌 신경회로 원리 규명

[그림2]  우뇌 대뇌피질-편도체 뇌파 동기화에 따른 공감 기능 유도 
광유전학적 기법을 이용하여 우측 대뇌피질 부위의 5~7 hz 뇌파를 특이적으로 억제했을 때 생쥐의 관찰 공포 행동이 억제되었고 대뇌피질-편도체 영역의 뇌파 동기화가 감소되었다. 이를 바탕으로, 우측 대뇌피질 부위의 5~7 hz 진동수의 뇌파가 공감 기능을 위해 반드시 필요함을 확인되다.

 

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[그림3]  우뇌의 대뇌피질-편도체 상호간 연결된 신경회로가 공감 기능에 관여함
연구진은 광유전학 기법을 이용해 공감 기능에 관여하는 뇌신경회로를 확인했다. 생쥐의 관찰 공포 행동 중에 우측 대뇌피질에서 편도체로 연결된 신경회로 및 우측 편도체에서 대뇌피질로 연결된 신경회로를 억제하자 관찰 공포 행동이 모두 감소되었다. 하지만, 이러한 뇌신경회로 억제가 공포 반응엔 영향을 주지 않았다. 이러한 결과를 통해 우뇌의 대뇌피질-편도체 상호간에 연결된 뇌신경회로가 공감 기능에 특이적으로 관여됨이 확인되었다.

 

타인을 공감하는 뇌 신경회로 원리 규명

[그림 4] 우뇌의 5~7 hz의 뇌파 동기화가 공감 기능에 관여함
연구진은 광유전학적 기법으로 관찰한 현상을 검증하기 위해 뇌파 측정 기법을 이용하여 좌/우측 뇌의 대뇌피질-편도체 간의 기능적 연결을 확인하였다. 생쥐의 관찰 공포 행동 중에 우뇌의 대뇌피질 및 편도체에서 5~7 hz 의 뇌파 동기화가 관찰되었으나 좌뇌의 경우 뇌파 동기화가 확인되지 않았다. 이를 통해, 우뇌의 대뇌피질-편도체 영역간의 5~7 hz 진동수의 뇌파 동기화가 관찰 공포 행동에 관련 있음이 확인되었다.

 

타인을 공감하는 뇌 신경회로 원리 규명

[그림 5] 공감 기능과 우뇌의 뇌파 동기화가 해마 세타파에 의해 조절됨
광유전학 기법을 이용하여 해마 세타파 억제 시 우뇌의 대뇌피질-편도체 부위의 뇌파 동기화가 감소되었고 관찰 공포 행동이 억제되었다. 뿐만 아니라, 해마 세타파 강화 시 우뇌의 대뇌피질-편도체 뇌파 동기화가 증가하였고 관찰 공포 행동의 증가도 확인되었다. 이를 통해 대뇌피질-편도체 뇌파의 근원이 해마 세타파임이 확인되었고, 대뇌피질-편도체 뇌파 동기화 조절에 의해 관찰 공포 행동 기능이 양방향성으로(억제/강화) 조절됨이 확인되었다.

정보출처: BRIC 바이오통신원
<본 기사는 기관에서 작성된 보도자료 또는 개인에 의해 작성 되었습니다.>
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