해마의 trisynaptic 회로 분석: 기억의 해부학적 기반

 

해마의 trisynaptic 회로 분석: 기억의 해부학적 기반

1. 해마와 기억 연구의 중심

해마(hippocampus)는 대뇌 측두엽 내측에 위치한 뇌 구조로, 단기기억의 형성과 공간 탐색 능력에서 중심적인 역할을 수행한다. 특히, 이 구조는 매우 정형화된 회로 구조를 지니며, 학습과 기억을 담당하는 뇌 영역 중 가장 해부학적으로 정밀하게 규명된 구조로 간주된다. 그중에서도 ‘trisynaptic 회로’는 해마 기능의 핵심 경로로 간주되며, 정보가 세 개의 주요 시냅스를 거쳐 이동하면서 처리되는 특징을 지닌다.

 

2. trisynaptic 회로 개요

trisynaptic 회로란 entorhinal cortex로부터 유입된 정보가 dentate gyrus(DG), CA3, CA1 세 영역을 순차적으로 통과하며 형성되는 세 가지 시냅스를 말한다. 이 회로는 다음과 같은 세 경로로 구성된다:

• 1차 시냅스: entorhinal cortex → dentate gyrus (perforant path)
• 2차 시냅스: dentate gyrus의 granule cell → CA3 (mossy fiber)
• 3차 시냅스: CA3의 pyramidal cell → CA1 (Schaffer collateral)

이러한 선형적 경로는 해마 내부에서 정보의 입력, 압축, 패턴 완성과 분리를 수행하는 역할을 하며, 각각의 시냅스는 서로 다른 형태학적·기능적 특성을 갖는다.

 

3. entorhinal cortex → dentate gyrus (1차 시냅스)

첫 번째 시냅스는 lateral 및 medial entorhinal cortex(EC)의 layer II에서 유래된 perforant path가 해마의 입구인 dentate gyrus로 투사되며 형성된다. 이 경로는 외부로부터의 감각정보와 대뇌피질의 인지 정보를 해마로 전달하는 주입구라 할 수 있다.

perforant path는 granule cell의 dendritic arborization이 주로 분포하는 분자층(molecular layer)을 따라 분포하며, 이곳에서 glutamatergic 시냅스를 형성한다. 이 시냅스는 학습 입력 신호의 유입 지점으로, 단기기억 및 공간정보 맥락화의 최초 단계에 해당한다.

 

4. dentate gyrus → CA3 (2차 시냅스)

dentate gyrus의 granule cell은 긴 축삭을 통해 특유의 mossy fiber를 형성하고, 해마 내부의 CA3 영역의 pyramidal cell로 투사한다. mossy fiber는 굵고 방추형의 bouton을 가지며, presynaptic terminal에서 다량의 신경전달물질(글루탐산)을 방출한다.

이 시냅스는 매우 높은 시냅스 가소성(plasticity)을 보여주며, sparse coding과 pattern separation 기능을 수행한다. 즉, 유사한 입력 자극들을 세밀하게 분리하여 유일한 기억 단위로 변환하는 과정을 담당한다.

 

5. CA3 → CA1 (3차 시냅스)

세 번째 시냅스는 CA3 pyramidal neuron에서 발출 된 축삭이 CA1의 pyramidal cell에 도달하며 형성되는데, 이를 Schaffer collateral이라 부른다. 이 경로는 전형적인 흥분성 시냅스로, 학습된 정보를 인코딩하고 장기기억 형성과정에 핵심적이다.

특히 Schaffer collateral 경로는 long-term potentiation (LTP)의 대표적 연구 모델이며, Hebbian plasticity의 기전이 집중적으로 관찰되는 부위다. CA1은 이 정보를 해마 밖으로 전달하는 출력 경로 역할도 수행하며, subiculum과 entorhinal cortex를 통해 다시 neocortex로 신호를 반환한다.

 

6. 해마 회로의 정보 처리 특징

trisynaptic 회로는 단순한 정보 전달 경로가 아니라, 정보의 변환(transformation)과 재구성(reconstruction) 기능을 수행한다. 특히 dentate gyrus는 정보의 희소화(sparsification), 즉 소수의 뉴런만이 활성화되는 방식으로 입력을 정제하고, CA3는 내부에 재귀적 연결(recurrent collaterals)을 통해 패턴 완성과 회상 기능을 구현한다.

이러한 회로 구조는 해마가 과거 경험을 기반으로 유사한 맥락에서 기억을 복원하거나, 새로운 정보를 기존 기억과 구분할 수 있도록 만든다. CA1은 최종적인 출력 통합을 담당하며, 전두엽이나 측두엽 피질과 연결되어 장기기억화(consolidation)의 관문이 된다.

 

7. 시냅스 가소성과 기억 형성과의 연관성

trisynaptic 회로의 각 시냅스는 모두 장기강화(LTP, long-term potentiation)가 유도될 수 있는 구간으로 알려져 있다. 특히 Schaffer collateral-CA1 시냅스는 1970년대 이후 수많은 실험을 통해 LTP 연구의 대표 모델이 되었으며, 기억 형성의 분자적 기초로 자리 잡았다.

mossy fiber 시냅스는 presynaptic plasticity의 대표적 예로, 시냅스 전단에서의 신경전달물질 조절이 기억 코딩에 기여한다. 또한, dentate gyrus는 신생 신경세포(adult neurogenesis)가 존재하는 드문 부위 중 하나로, 기억 유연성과 감정 조절에 깊게 관여하는 것으로 밝혀졌다.

 

8. 병리학적 변화 예: 알츠하이머와 해마 위축

해마의 trisynaptic 회로는 다양한 신경퇴행성 질환에서 가장 먼저 손상되는 구조 중 하나이다. 대표적으로 알츠하이머병은 해마의 CA1 및 subiculum에서 신경세포의 위축과 synaptic loss가 조기부터 발생하며, 이로 인해 초기 증상으로 기억력 저하가 관찰된다.

또한, 만성 스트레스나 우울증에서도 dentate gyrus의 neurogenesis 감소와 해마 용적 감소가 보고되었으며, 이는 기억력 감퇴뿐만 아니라 감정 조절 능력 저하로도 이어진다.

 

9. 정리

해마의 trisynaptic 회로는 감각정보를 선별, 조직화하고 장기기억으로 변환하는 과정에서 핵심적인 기능을 수행한다. entorhinal cortex에서 유입된 정보가 dentate gyrus, CA3, CA1을 순차적으로 통과하며 점차 높은 수준의 처리와 통합이 이루어진다.

이 회로는 그 자체로 독립된 처리 장치이면서도 대뇌피질과 밀접하게 연결되어 있으며, 학습, 기억, 감정 기능과의 관련성 때문에 신경과학의 핵심 연구 대상이 되어 왔다. 미세신경해부학적으로 이 구조를 정확히 이해하는 것은 기억 기능의 병태생리적 기전을 규명하는 데 중요한 출발점이 된다.

 

 

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