뇌에서 시간과 공간

뇌에서 시간과 공간은 다음과 같은 두 가지 주요 질문을 제기한다. 첫째, 시간이 뇌의 정보 처리에 미치는 영향은 무엇인가? 둘째, 뇌는 의식 속에서 시간 경험을 어떻게 생성하는가, 즉 과거, 현재, 미래에 대한 생각을 어떻게 이해하는가?

첫 번째 질문과 관련하여, 대부분의 동물은 지구 자전에 따른 낮과 밤의 주기에 영향을 받는다. 예외적인 경우도 존재하지만, 인간의 뇌 역시 이러한 일주기 리듬의 영향을 받는다. 특히, 일주기 리듬은 수면 주기, 혈압, 대사율 등 인체의 다양한 생리적 기능을 조절한다.

인체는 약 24시간 주기를 갖는 내부 일주기 시계를 유지하며, 이는 외부 환경과의 동기화 메커니즘인 동조(entrainment)를 필요로 한다. 인간 뇌의 약 860억 개 뉴런 중 시상하부의 시교차상핵(SCN)에 위치한 약 5만 개의 뉴런은 각각 자체적인 분자 시계를 유지하며 서로 연결되어 “주요 생체 시계” 역할을 수행한다. SCN은 시신경이 뇌로 들어오는 지점 근처에 위치하며, 눈으로부터 빛/어둠 정보를 제공받는다.

SCN 분자 시계의 작동 원리는 노벨상을 수상한 연구를 통해 밝혀졌다. SCN 뉴런의 시계 유전자는 핵 주변 세포질에서 시계 단백질 생성을 유도한다. 생성된 시계 단백질은 복합체를 형성하여 핵으로 이동하고, 추가적인 시계 단백질 생성을 억제한다. 시간이 지남에 따라 단백질 복합체는 분해되고, 핵은 새로운 시계 단백질 생성 주기를 시작한다. 이러한 주기는 약 24시간이 소요되며, 시계 뉴런은 전기적 또는 호르몬적 신호를 생성하여 전신에 전달하고 일주기 시계를 조절한다. 이러한 연구는 초파리 Drosophila melanogaster를 통해 수행되었으며, 이는 진화 과정에서 생명체가 동일한 생체 시계 메커니즘을 공유하고 있음을 보여준다.

이후 연구를 통해 다양한 신체 조직에 말초 시계가 존재하며, 동일한 음성 피드백 단백질 주기를 사용하여 각 조직의 생리적 기능을 조절한다는 사실이 밝혀졌다. 말초 뉴런은 SCN 시계 뉴런과의 접촉을 통해 시간을 유지하며, 연결이 끊어지면 동기화를 잃는다. SCN 시계 뉴런은 신체 시계 뉴런을 외부 낮과 밤의 주기에 맞춘다.

수면 중에는 인간 성장 호르몬의 내부 주기가 약 2시간 동안 세 배로 증가하며, 이는 신경 발달과 학습 및 기억 공고화와 같은 뇌 기능에 영향을 미친다. 수면 중 해마는 새로운 기억 형성에 중요한 역할을 수행한다. 해마는 에피소드 기억의 발생 시간을 추적하는 시간 세포와 발생 장소를 추적하는 장소 세포를 포함한다. 해마에서는 최근 경험의 자발적인 재현이 발생하며, 이는 신피질에서 기억을 안정화시킨다. 이후 신피질로부터의 기억 검색은 해마와 독립적으로 이루어진다. 수면은 기억 공고화 및 기타 인지 과제에 중요한 역할을 수행하며, 이는 수면 후 문제 해결 및 통찰력 획득에 대한 경험적 증거를 뒷받침한다.

두 번째 질문, 즉 뇌가 의식 속에서 시간 경험을 어떻게 생성하는가에 대한 답변은 신경과학자들에게 더 큰 과제를 제시한다. 공간과 시간은 서로 얽혀 있으며, 뇌에서 거리와 지속 시간은 동일한 구조와 뉴런에 의해 표현되는 것으로 추정된다.

설치류 실험 결과, 특정 장소를 방문하거나 가상 지도에서 특정 격자점에 위치할 때 발화하는 뉴런이 발견되었다. 이러한 장소 세포와 격자 세포는 동물에게 관심 있는 지점과 상대적 위치를 식별하는 가상 3D 유클리드 공간 지도를 생성한다. 해마 회로는 피질 입력의 양상에 관계없이 메시지를 동일한 방식으로 처리한다. 해마 작동은 뉴런 발화의 순차적 활동과 변화율이라는 내부 과정에 반응하며, 이는 뇌에서 시간과 공간을 처리하는 데 충분하다.

뇌는 시각적 주의와 기억 검색에 공통적인 계산 언어를 사용하는 것으로 제안되었다. 시각 중심부의 세밀한 정보는 주변부로 갈수록 감소하며, 시간 기능과 기억은 현재에 가장 큰 주의를 기울이고 과거와 미래로 갈수록 주의가 감소하는 유사한 방식으로 처리된다. 또한, 시간에 대한 로그 압축 표현에 대한 증거가 제시되었다.

사건 처리는 세분화되어 이루어지며, 예를 들어 뇌의 시각 처리는 약 100ms의 시간 창에서 모든 입력 신호를 통합한다. 시각, 청각 및 기타 감각 신호는 서로 다른 속도로 처리되어 단일 사건 인식을 형성하기 위해 결합되어야 한다. 뇌는 약 0.1초 동안 기다려 모든 입력 신호를 일관된 사건으로 해결함으로써 이 문제를 해결한다. 이러한 과정은 사건을 과거 시점에서 인식하게 하지만, 뇌는 입력되는 다양한 신호를 전체적으로 이해하도록 보정한다.