인도코끼리는 우리보다 뇌가 더 큰 것 같습니다. 생쥐는 뇌 대 신체 질량 비율이 더 높고 긴 지느러미 파일럿 고래는 더 많은 뉴런을 가지고 있습니다. 그렇다면 인간, 더 구체적으로 인간의 뇌를 다르게 만드는 것은 무엇일까요?
장기에 관한 한, 인간의 뇌가 소비하는 에너지는 의심할 여지 없이 엄청납니다. 매일 거의 50g의 설탕, 즉 12조각의 설탕이 소비됩니다. 이것은 알려진 종의 신체 대사에 비해 에너지 요구량이 가장 높은 것 중 하나입니다. 그런데 이 에너지를 소비하는 것은 무엇입니까? 인간 두뇌의 뉴런의 크기와 수가 영장류의 예측과 일치하고 뉴런당 소비되는 에너지가 다른 포유류와 비슷하다면 인간 두뇌의 에너지 소비는 독특해서는 안됩니다.
신호 비용
한 신경과학자 팀은 인간 두뇌 내 신호의 양이 에너지 수요 증가의 원인일 수 있다고 추측합니다. 그 결과 중 하나는 더 밀접하게 연결되어 있고 더 많은 신호를 보내는 뇌 영역이 더 많은 에너지를 사용한다는 것입니다.
가설을 테스트하기 위해 과학자들은 먼저 20~50세의 건강한 오른손잡이 지원자 30명의 뇌를 이미지화했습니다. 이미징은 서로 다른 두 기관에서 수행되었으며 연구자들은 이미징을 사용하여 특정 뇌 영역의 에너지 소비(포도당 대사로 측정)를 신호 및 연결 수준과 연관시켰습니다. 그들은 30개의 뇌 모두에서 에너지 소비와 신호 전달이 동시에 일어난다는 것을 발견했습니다. 그러나 특정 영역이 눈에 띕니다. 대뇌 피질의 특정 영역(뇌의 앞부분)에 있는 신호 경로는 감각운동 영역의 신호 경로보다 거의 70% 더 많은 에너지를 필요로 합니다.
전두엽 피질은 인간 진화 과정에서 가장 빠르게 확장되는 영역 중 하나입니다. 로버트 사폴스키(Robert Sapolsky)는 다음과 같이 믿습니다. "전두엽 피질의 가장 중요한 역할은 유혹이 지연되는 만족, 장기 계획, 충동 제어, 감정 조절에 직면하여 어려운 결정을 내리는 것입니다. 전두엽 피질은 더 어려운 일에 대해 올바른 일을 할 수 있도록 하는 데 매우 중요합니다. 이것은 인간이 끊임없이 직면해야 하는 문제입니다. 에너지 측면에서 이는 막대한 비용이 필요합니다."
규제 강화도 인지의 핵심
에너지는 신호 전달뿐만 아니라 신호가 적절한 수준과 적절한 시간에 발생하도록 신호 조절에도 필요합니다.
연구자들은 전두엽 피질의 유전자 활동을 연구하기 위해 Allen Brain Atlas를 사용했습니다. 그들은 신경조절물질과 그 수용체의 활동이 증가한다는 사실을 발견했습니다. 저자는 다음과 같이 지적합니다. "인간의 뇌는 세로토닌, 도파민 또는 노르에피네프린과 같은 (느린) 신경 조절제를 사용하여 (빠른) 신경 전달 물질을 장기간 조절하는 데 너무 많은 에너지를 소비합니다. 내인성 아편제도 있습니다. 이 효과는 개별 정보를 전달하는 것보다 전체적인 흥분의 분위기를 설정하는 데 더 가깝습니다."
에너지 사용을 대뇌 피질의 신호 전달 및 느리게 작용하는 신경 조절과 연결한 후, 과학자들이 마지막으로 한 일은 인지 기능을 뇌 영역에 매핑하는 신경망 프로젝트를 조사하는 것이었습니다. 에너지를 소비하고 연결성이 높으며 조절이 잘 되고 진화적으로 확장된 대뇌 피질의 부분은 기억 처리, 읽기, 인지 억제와 같은 복잡한 기능에 관여하는 것으로 밝혀졌습니다. 이는 "값비싼 신호 아키텍처가 인간 인지에만 사용된다"는 그들의 견해를 뒷받침합니다.
과학 발전, 2023. DOI:10.1126/sciadv.adi7632