대뇌 피질과 해마의 구조 비교

인공지능에 연구에 있어 표본이 되는 인간의 뇌 구조를 이해하는 것은 매우 중요하다.

우리의 뇌는 단일 구조로 되어 있지 않다. 뇌의 구조체 별로 다른 뉴런 구조를 가지고 있다는 것이다. 이는 인공지능에 있어서도 여러 신경망 구조가 합쳐져야 할 수도 있다는 것이다.

다만 아직 궁금한 것은 이러한 다른 구조가 진화적으로 어쩔 수 없어 그렇게 자란 것인지 아니면 진화적인 산물이지만 그래도 그게 효율적이어서 그렇게 달라진 것인지 이해할 필요는 있다.

 

대뇌피질(대뇌 겉질)과 해마는 모두 뉴런으로 구성되어 있지만, 그들의 뉴런 구조와 기능에는 차이가 있다.

1. 대뇌피질의 뉴런구조:
   • 층 구조: 대뇌피질은 주로 6개의 층으로 이루어져 있다. 각 층은 기능적으로 다른 뉴런을 포함하며, 정보 처리와 관련된 고차원적인 기능을 담당한다.
   • 뉴런의 종류: 대뇌피질에는 피라미드 뉴런(pyramidal neuron)과 별세포(stellate cell) 같은 다양한 뉴런이 있다. 피라미드 뉴런은 주로 자극을 다른 뉴런으로 전달하는 역할을 한다.
   • 기능: 대뇌피질은 감각 정보 처리, 의식적인 사고, 언어, 기억 형성 등의 고차원적인 인지 기능을 담당한다.
2. 해마의 뉴런구조:
   • 구조적 특징: 해마는 주로 3개의 층으로 구성되어 있으며, 이는 대뇌피질의 6층 구조와 차이가 있다. 해마의 주요 부분인 CA1, CA2, CA3 영역은 서로 다른 뉴런을 포함하고 있다.
   • 뉴런의 종류: 해마는 주로 피라미드 뉴런으로 구성되어 있지만, 그 배치는 대뇌피질과 다르다. 해마는 새로운 정보를 장기 기억으로 저장하는 데 중요한 역할을 한다.
   • 기능: 해마는 주로 기억 형성과 공간 기억을 담당하며, 특히 단기 기억을 장기 기억으로 변환하는 과정에서 중요한 역할을 한다.

해마의 구조

해마의 기본 구조

CA3-CA1 신경회로망

 

해마에서의 기억처리

https://www.snu.ac.kr/research/highlights?md=v&bbsidx=139938

 

대뇌피질의 6층 구조

 

대뇌피질의 6층 구조는 대뇌피질의 정보 처리 과정을 지원하며 아래와 같이 나눌 수 있다.

1. 제1층 (분자층, Molecular Layer):

• 특징: 주로 뉴런이 거의 없는 얇은 층으로, 주로 교세포(glial cells)와 수평 뉴런(Cajal-Retzius cells)이라는 특수한 뉴런이 일부 포함되어 있다.
• 역할: 주로 상위 뉴런들로부터의 수상돌기와 축삭돌기의 상호작용이 일어나는 곳이다. 이 층은 여러 층에서 오는 입력 정보를 조절하는 기능을 한다.

2. 제2층 (외과립층, External Granular Layer):

• 특징: 작은 별세포(stellate cells)와 피라미드 뉴런(pyramidal cells)으로 구성되어 있다.
• 역할: 주로 다른 대뇌 영역으로부터 신호를 받아들이고 처리한다. 대뇌의 다른 영역들에서 오는 정보가 이 층을 통해 전달되며, 주로 대뇌피질 내의 상호 연결에 기여한다.

3. 제3층 (외피라미드층, External Pyramidal Layer):

• 특징: 중간 크기의 피라미드 뉴런이 포함되어 있으며, 이 뉴런들은 피라미드 모양의 세포체를 가지고 있다.
• 역할: 이 층은 주로 대뇌피질 내 또는 대뇌의 반대쪽 반구로 정보를 보내는 역할을 한다. 피라미드 뉴런의 축삭돌기가 대뇌의 다른 영역으로 신호를 전달한다.

4. 제4층 (내과립층, Internal Granular Layer):

• 특징: 작은 별세포와 그라뉼 세포(granule cells)가 밀집되어 있다.
• 역할: 감각 정보의 입력을 처리하는 중요한 층이다. 특히, 시상(thalamus)에서 들어오는 감각 신호들이 이 층에 도달하여 처리된다. 시각, 청각, 촉각 등 감각 정보가 이 층을 통해 대뇌피질로 전달된다.

5. 제5층 (내피라미드층, Internal Pyramidal Layer):

• 특징: 큰 피라미드 뉴런이 위치해 있으며, 이 뉴런들의 축삭돌기는 뇌간(brainstem)과 척수(spinal cord)로 신호를 전달한다.
• 역할: 주로 운동 명령을 신체의 근육으로 보내는 역할을 한다. 운동피질(primary motor cortex)의 제5층은 척수로 신호를 전달하여 자발적인 운동을 조절하는 데 중요한 역할을 한다.

6. 제6층 (다형층, Multiform Layer):

• 특징: 다양한 형태의 뉴런들로 구성되어 있으며, 주로 소형 피라미드 뉴런과 방추형 뉴런(spindle-shaped cells)이 포함된다.
• 역할: 주로 시상과의 상호작용을 담당한다. 시상으로 되돌아가는 피드백 신호를 보내며, 상위 영역의 정보를 시상에 전달하여 뇌의 정보 처리 과정에 중요한 역할을 한다.

층 간의 상호작용:

대뇌피질의 6개 층은 서로 복잡하게 상호작용하며, 특정 기능을 위한 정보를 주고 받는다. 각 층은 감각 신호의 처리, 운동 명령의 전달, 상호 피드백 등을 담당하여 복잡한 정보 처리 과정을 수행한다.

 

뉴런은 신경계의 기본 단위로, 그 모양과 기능에 따라 여러 가지로 분류된다. 피라미드 뉴런, 별구조 뉴런, 방추형 뉴런은 각각 독특한 구조와 역할을 가지고 있는 뉴런이다. 이 세 가지 뉴런을 자세히 살펴보겠다.

1. 피라미드 뉴런 (Pyramidal Neuron)

특징:

• 모양: 이름 그대로, 피라미드 모양의 세포체를 가지고 있다. 피라미드 뉴런의 세포체는 삼각형에 가까운 모양을 하고 있으며, 세포체에서 여러 방향으로 뻗어나가는 돌기들이 특징적이다.
• 수상돌기(Dendrites): 피라미드 뉴런은 하나의 긴 기저 수상돌기(basal dendrite)와 하나의 긴 수상돌기(apical dendrite)를 가지고 있다. 이 수상돌기들은 뉴런으로 들어오는 신호를 수용하는 역할을 한다. 특히, apical dendrite는 뉴런의 상부에서 길게 뻗어나가며 다른 층과 상호작용한다.
• 축삭(Axon): 하나의 긴 축삭을 가지고 있으며, 이 축삭은 다른 뉴런이나 신경계 부위로 정보를 전달하는 기능을 한다.

역할:

• 정보 전달: 피라미드 뉴런은 대뇌피질에서 가장 흔한 뉴런 중 하나로, 특히 운동 피질과 전두엽, 두정엽에서 많이 발견된다. 이 뉴런은 주로 흥분성 신호를 전달하는 역할을 하며, 감각 정보와 운동 신호를 대뇌피질의 다른 영역이나 뇌간 및 척수로 전달한다.
• 기억과 학습: 피라미드 뉴런은 해마에서도 발견되며, 기억 형성과 학습에 중요한 역할을 한다. 특히, 해마의 CA1 영역에서 중요한 기능을 한다.

기능적 특징:

• 피라미드 뉴런은 장거리 정보를 전달하는 데 특화되어 있어 뇌의 다른 부분과 정보를 주고받는 역할을 한다.
• 시냅스 가소성(synaptic plasticity)을 통해 학습과 기억 형성에 중요한 역할을 합니다.

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2. 별구조 뉴런 (Stellate Neuron, 혹은 별세포)

특징:

• 모양: 별구조 뉴런은 중심 세포체에서 여러 개의 짧고 두꺼운 수상돌기가 사방으로 퍼져나가며, 마치 별 모양처럼 보이는 뉴런이다.
• 수상돌기(Dendrites): 별구조 뉴런은 많은 수의 짧은 수상돌기를 가지고 있어 주변 뉴런들과의 상호작용이 용이한다.
• 축삭(Axon): 별구조 뉴런은 짧은 축삭을 가지고 있으며, 대뇌피질의 특정 구역에서 국소적인 신호 처리를 담당한다.

역할:

• 감각 정보 처리: 별구조 뉴런은 주로 감각 피질의 제4층에서 발견되며, 감각 정보를 처리하는 데 중요한 역할을 한다. 예를 들어, 시각 피질에서는 시각 정보를, 체감각 피질에서는 촉각 정보를 처리한다.
• 억제성 혹은 흥분성: 별구조 뉴런은 억제성 신경전달물질인 GABA를 방출하는 억제성 뉴런일 수도 있고, 흥분성 신경전달물질인 글루탐산을 방출하는 흥분성 뉴런일 수도 있다. 감각 피질에서 별구조 뉴런은 주로 흥분성 뉴런으로 작용한다.

기능적 특징:

• 별구조 뉴런은 신호 전달의 국소적 네트워크에서 중요한 역할을 하며, 정보를 다른 뉴런들과 빠르게 주고받는다.
• 감각 정보가 처음 들어오는 층에서의 신호 처리를 담당하며, 이 정보는 이후 다른 층으로 전달된다.

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3. 방추형 뉴런 (Spindle Neuron, 혹은 방추 세포)

특징:

• 모양: 방추형 뉴런은 긴 방추 모양을 하고 있다. 세포체가 방추 모양이며, 두 개의 긴 돌기가 세포체 양쪽 끝에서 뻗어나가 있다.
• 수상돌기(Dendrites): 방추형 뉴런의 수상돌기는 주로 길고 뾰족한 형태로, 세포체의 양 끝에서 나온다.
• 축삭(Axon): 방추형 뉴런의 축삭도 길며, 다양한 신경 회로에서 정보를 전달하는 역할을 한다.

역할:

• 사회적 행동 및 감정: 방추형 뉴런은 주로 전두엽의 특정 영역(전측대상피질, 전두엽 피질)과 같은 감정 처리와 관련된 영역에서 발견된다. 특히 인간과 같은 고등 포유류의 뇌에서 많이 발견되며, 사회적 행동, 공감, 자기 인식, 의사결정과 관련된 고차원적인 인지 기능과 연관이 있다.
• 정보 처리 속도: 방추형 뉴런은 정보를 매우 빠르게 전달하는 뉴런으로, 대뇌피질 내에서 긴 거리를 빠르게 이동하는 신호 처리에 기여한다.

기능적 특징:

• 방추형 뉴런은 사회적 상호작용 및 감정적 처리에 중요한 역할을 한다. 고등 동물에서 이 뉴런들이 많이 발달한 이유는 복잡한 사회적 행동과 관련이 있기 때문이다.
• 이 뉴런은 감정적 결정과 자기 통제와 같은 기능을 처리하는 데 매우 빠른 신경 전달을 담당한다.

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이 세 가지 뉴런은 각각 고유한 구조와 기능을 통해 뇌의 다양한 신경 활동에 중요한 역할을 담당하고 있다.