제4장

해마의 신경 회로

기억과 상상을 만드는 뇌의 정교한 배선

지금까지 우리는 해마가 '무엇을' 하는지 살펴보았습니다. 이번 장에서는 해마가 '어떻게' 그 일을 하는지 탐구해보겠습니다.

이는 마치 자동차가 움직인다는 것을 아는 것과, 엔진 내부에서 휘발유가 폭발하여 피스톤을 움직이고, 그 힘이 바퀴를 돌린다는 메커니즘을 이해하는 것의 차이와 같습니다. 이제 해마라는 '엔진'의 내부를 들여다볼 시간입니다!

삼시냅스 회로: 해마의 기본 구조

정보가 흐르는 세 단계 경로

해마의 모양과 구조

해마는 이름 그대로 해마(바다의 동물)처럼 생긴 소시지 모양의 구조입니다. 내측 측두엽 깊숙이 자리 잡고 있죠.

그림 4.1: 산티아고 라몬 이 카할의 해마 단면 손 그림 (1909년 노벨상 수상자)

DG: 치상회, CA3, CA1: 해마의 주요 영역, EC: 내후각피질(해마의 입구)

삼시냅스 회로란?

삼시냅스 회로는 해마에서 정보가 흐르는 주요 고속도로입니다:

내후각피질 → 치상회(DG) → CA3 → CA1 → 다시 내후각피질로

이 경로를 '삼시냅스'라고 부르는 이유:

1. 첫 번째 시냅스: 내후각피질 → 치상회
2. 두 번째 시냅스: 치상회 → CA3
3. 세 번째 시냅스: CA3 → CA1

💡 재미있는 사실: CA는 'Cornu Ammonis'의 약자로, 숫양 머리를 가진 이집트 신 아문(Amun)의 이름에서 따왔습니다. 해마의 모양이 숫양 뿔을 닮았다고 생각했기 때문입니다!

이 장에서 집중할 부분

복잡성을 줄이기 위해, 이 장에서는 CA3와 CA1에 집중하겠습니다. 이 두 영역이 상상 기능의 핵심이기 때문입니다.

CA3 네트워크: 기억의 저장소

서로를 흥분시키는 뉴런들의 네트워크

CA3의 특별한 특징

그림 4.2: CA3-CA1 신경 회로 도식

검은 삼각형: 흥분성 뉴런, 화살표: 연결 방향

CA3의 가장 놀라운 특징은 **순환 연결(recurrent connections)**입니다:

순환 연결이란?

일반적인 뉴런 연결:

뉴런 A → 뉴런 B → 뉴런 C (일방통행)

CA3의 순환 연결:

뉴런 A ↔ 뉴런 B ↔ 뉴런 C
    ↑           ↓
    ← ← ← ← ← ←

놀라운 숫자들:

• 🧠 한 개의 CA3 뉴런은 다른 CA3 뉴런으로부터 12,000개의 입력을 받습니다!
• 📊 이는 전체 입력의 **75%**에 해당합니다
• 🔄 CA3 뉴런들은 서로를 끊임없이 자극합니다

비유로 이해하기

CA3 네트워크를 이해하는 쉬운 비유:

일반적인 신경 네트워크 = 전화 연결망

• A가 B에게 전화 → B가 C에게 전화 (순차적)

CA3 네트워크 = 단체 채팅방

• 모든 사람이 동시에 대화 가능
• 한 사람의 메시지가 모두에게 영향
• 피드백 루프 형성

양날의 검: 장점과 위험

장점:

• 강력한 정보 처리 능력
• 패턴 완성 능력
• 연상 기억

위험:

• 🚨 폭주 흥분: 통제되지 않으면 발작(간질) 위험
• 측두엽 간질이 가장 흔한 이유
• 헨리 몰레이슨(H.M.)도 심한 측두엽 간질로 수술을 받았습니다

내용 주소 지정 메모리: 마르의 이론

기억을 저장하고 불러오는 혁신적인 방법

데이비드 마르(1945-1980)의 천재적 통찰

1971년, 데이비드 마르는 CA3가 어떻게 기억을 저장하는지 설명하는 획기적인 이론을 제안했습니다.

디지털 컴퓨터 vs 신경 네트워크

디지털 컴퓨터의 메모리:

저장: 데이터 → 특정 주소(예: 하드디스크 섹터 1234)
인출: 주소 1234 접근 → 데이터 읽기

신경 네트워크의 메모리:

저장: 함께 활성화된 뉴런들의 연결 강화
인출: 일부 뉴런 활성화 → 전체 패턴 복원

그림으로 이해하는 기억 저장과 인출

그림 4.3: 신경 네트워크의 기억 저장 과정

과정을 단계별로 설명하면:

1. 경험 전 (A): 모든 뉴런이 약하게 연결됨
2. 경험 중 (B): 특정 뉴런들이 함께 활성화 (●로 표시)
3. 연결 강화 (C): 함께 활성화된 뉴런 간 연결이 두꺼워짐
4. 경험 후 (D): 강화된 연결이 지속됨 (기억의 흔적)
5. 부분 자극 (E): 관련 자극으로 일부 뉴런만 활성화
6. 패턴 완성 (F): 강한 연결로 인해 전체 패턴이 복원됨

패턴 완성의 실제 예시

그림 4.4: 불완전한 정보에서 완전한 기억 복원

우리가 친구의 얼굴 일부만 봐도 전체 얼굴을 떠올릴 수 있는 이유가 바로 이 패턴 완성 때문입니다!

내용 주소 지정 메모리의 장점

일반 컴퓨터: "1234번 주소에서 데이터를 가져와" 뇌: "이 향기와 관련된 기억을 떠올려"

🌹 프루스트의 마들렌처럼, 특정 냄새나 맛이 전체 기억을 불러일으키는 것이 바로 내용 주소 지정 메모리의 예입니다!

시퀀스 메모리: 마르 이론의 한계와 확장

정적인 스냅샷에서 동적인 영화로

마르 이론의 한계

마르의 이론은 혁명적이었지만 한 가지 중요한 한계가 있었습니다:

• ❌ 정적인 패턴(사진)만 설명
• ❌ 시간의 흐름(동영상)은 설명 못함
• ❌ 상상 기능 설명 부족

해마 재생의 발견이 가져온 변화

3장에서 배운 해마 재생의 발견으로 우리는 알게 되었습니다:

• ✅ 해마는 사건의 순서를 저장합니다
• ✅ 경험하지 않은 시퀀스도 생성합니다
• ✅ CA3가 이 과정의 핵심입니다

CA3가 시퀀스를 생성하는 방법

순환 연결 덕분에 CA3는:

1. 도미노 효과: 한 뉴런이 활성화되면 연쇄 반응 발생
2. 시퀀스 생성: A → B → C → D... 순서대로 활성화
3. 예파-리플 시작점: 대부분의 재생이 CA3에서 시작

CA1 네트워크: 품질 관리자

가치 있는 정보를 선별하는 출력 게이트

CA1의 해부학적 특징

CA3와 달리 CA1은:

• ❌ 강한 순환 연결 없음
• ✅ 주로 해마 밖으로 정보 전송
• 🎯 해마의 최종 출력 담당

CA1의 미스터리

놀랍게도, CA1과 CA3는 해부학적으로 매우 다르지만:

• 둘 다 장소 세포를 가지고 있음
• 비슷한 공간 정보를 처리함
• 기능적 차이가 명확하지 않음

CA1의 추정 역할

현재 과학자들의 가설:

💎 CA1 = 가치 평가자: CA3가 생성한 여러 시퀀스 중에서 가장 가치 있고 관련성 높은 것을 선택하고 강화

비유하자면:

• CA3: 브레인스토밍 세션 (모든 아이디어 생성)
• CA1: 편집자 (좋은 아이디어만 선별)

데이비드 마르에 대한 경의

현대 계산 신경과학의 아버지

마르의 놀라운 업적들

데이비드 마르는 35세의 짧은 생애 동안:

• 🧠 해마 이론: CA3의 기억 저장 메커니즘
• 👁️ 시각 이론: 컴퓨터 비전의 기초
• 🎯 소뇌 이론: 운동 학습 메커니즘
• 💡 신피질 이론: 대뇌피질의 정보 처리

마르의 유산

"모든 과학자는 자신의 이론이 다음 세대에 의해 발전되고 대체되는 것을 기뻐할 것입니다. 이것이 과학이 진보하는 방식입니다."

마르의 50년 전 이론이 아직도 영향력 있는 이유:

• 기본 원리가 정확했음
• 현대 기술로 검증 가능
• 새로운 발견의 토대가 됨

정리: 해마 회로의 놀라운 설계

핵심 개념 정리

1. 삼시냅스 회로: 정보가 흐르는 기본 경로

   • 치상회 → CA3 → CA1

2. CA3의 순환 연결:

   • 12,000개의 상호 연결
   • 패턴 완성과 연상 기억
   • 시퀀스 생성과 상상

3. 내용 주소 지정 메모리:

   • 부분에서 전체를 복원
   • 연상을 통한 기억 인출

4. CA1의 역할:

   • 정보 선별과 출력
   • 가치 평가와 강화

현대적 의미

이러한 발견들이 우리에게 주는 통찰:

의료 분야:

• 🏥 알츠하이머 치료 타겟
• 💊 기억 증진 약물 개발
• 🧬 간질 치료 이해

기술 분야:

• 🤖 인공지능의 연상 메모리
• 💻 뇌-컴퓨터 인터페이스
• 🎮 가상현실 기억 시스템

교육 분야:

• 📚 효과적인 학습 방법
• 🧩 연상 학습의 활용
• 💡 창의성 증진 방법

미래 전망

해마 연구의 다음 도전 과제들:

1. CA1의 정확한 기능 규명
2. 상상과 계획의 신경 메커니즘
3. 기억 조작과 윤리적 문제
4. 인공 해마 개발 가능성

🚀 결론: 해마의 정교한 회로는 단순한 기억 저장소가 아닙니다. 과거를 보존하고, 현재를 이해하며, 미래를 상상하는 놀라운 시간 여행 기계입니다. 마르가 50년 전 제시한 이론은 여전히 우리를 새로운 발견으로 이끌고 있으며, 앞으로도 많은 비밀이 밝혀질 것입니다!