뇌 활동의 비밀 '이온 교환'…가상 뇌 모델로 풀었다

뉴런과 주변 환경의 이온 교환 과정을 통합해 실제 뇌에 더 가까운 가상 뇌 활동 시뮬레이션 모델이 개발됐다.

프랑스, 스페인, 핀란드 공동 연구팀은 이 같은 내용의 '평균장 모델(mean-field model)'을 개발했으며, 연구 결과는 국제학술지 '이라이프(eLife)'에 실렸다.

뇌의 전기 활동은 이온이라는 하전 입자의 움직임에 따라 결정된다. 하지만 수많은 개별 뉴런을 모두 시뮬레이션하는 것은 계산적으로 부담이 크다. 연구팀은 뉴런 집단의 집단적 행동을 근사화하는 평균장 모델 접근법을 확장했다.

새로 개발된 모델은 호지킨-헉슬리 유형의 뉴런 네트워크에서 파생됐다. 세포 내부와 외부 공간 사이의 이온 교환 방정식을 유지하면서 뉴런 집단에 대한 설명을 단순화한 것이 특징이다.

공동 수석 저자인 스파세 펫코스키 엑스-마르세유대 교수는 "이 모델은 대규모 뉴런 네트워크 시뮬레이션과 쥐 뇌 조직 체외 기록에서 볼 수 있는 여러 활동 패턴을 재현할 수 있다"고 설명했다. 이어 "칼륨 농도의 점진적 변화가 건강하거나 병적인 전기 활동에 어떻게 영향을 미치는지 포착한다"고 덧붙였다.

이번 연구는 뇌의 화학적 환경 변화가 집단적 뉴런 활동에 미치는 영향을 조사하는 새로운 방법을 제시한다. 특히 간질과 관련된 과정을 포함해 이온 농도 변화가 네트워크 역학에 미치는 영향을 연구하는 데 기여할 수 있다.

해당 연구는 'EBRAINS 2.0' 프로젝트와 '가상 뇌 트윈(Virtual Brain Twin)' 프로젝트를 통해 자금 지원을 받았다. 모델 코드는 뇌 네트워크 모델링 플랫폼 '더 버추얼 브레인(The Virtual Brain)'용으로 공개됐다.