뇌과학 최고 권위 학술지 ‘Neuron’ 게재
세타파 이동파, 단기기억 용량·지속시간 관장 규명

방금 외운 전화번호나 주소를 금세 잊어버리는 경험은 누구나 가지고 있다. 인간의 ‘단기기억’(working memory)이 가진 용량과 지속시간의 한계 때문이다. 이처럼 일상에서 빈번하게 발생하는 단기기억의 한계 원인과 그 작동 원리를 국내 연구진이 세계 최고 권위 학술지에 발표하며 주목받고 있다.

서울과학기술대학교는 한효빈 본교 융합교양학부 교수가 얼 밀러(Earl Miller) 미국 MIT 교수, 팀 부쉬만(Tim Buschman) 프린스턴대 교수 연구팀과 공동연구를 통해 단기기억의 근본적인 제약을 만드는 뇌의 작동 메커니즘을 규명했다고 22일 밝혔다.

이번 연구는 뇌과학 분야 최고 권위 학술지인 ‘뉴런’(Neuron)에 게재될 예정으로(DOI: 10.1016/j.neuron.2025.09.031), 이는 클래리베이트(Clarivate) 최신 JCI 랭킹 기준 신경과학(Neurosciences) 분야 상위 1.43%에 해당하는 세계적 성과라는 게 서울과기대의 설명이다.

연구팀은 단기기억의 한계를 뇌의 비교적 느린 리듬인 세타파(Theta Wave, 4-8 Hz)에서 찾았다. 세타파는 집중과 기억과 관련된 대표적인 뇌파다. 원숭이의 전전두엽에서 신경 활동을 정밀하게 분석한 결과, 단기기억에 담긴 정보가 세타파의 특정 위상(phase)에 맞춰 유지되거나 흐려지는 현상이 발견됐다.

더 나아가 연구팀은 단기기억의 용량과 지속시간을 제한하는 핵심 구조를 밝혀냈다. 세타파가 공간적 정보가 투사되는 뇌 영역(전두안영역)에서 ‘이동파’(traveling wave)의 형태로 나타나며, 이 파동이 단기기억을 표상하는 세포들의 활동을 실시간으로 지휘하고 통제한다는 것이다. 연구팀은 이처럼 세타파가 단기기억 정보가 성공적으로 인출될 수 있는 ‘생리적 조건’을 만들어 시공간적 제약을 형성하는 구조임을 확인했다. 특히, 뇌 자극 실험을 통해 세타파를 인위적으로 조작할 경우 인간의 단기기억을 강화할 수 있는 가능성까지 열었다.

이번 연구는 단기기억을 ‘뇌 어딘가에 저장된 정적인 정보’로 이해하던 기존 관점에서 벗어나, ‘뇌파라는 동역학적 파도 속에서 지속적으로 새로고침되는 과정’으로 이해하는 전환점을 마련했다. 쉽게 비유하면, 음악의 박자에 따라 춤이 매끄럽게 이어지거나 어긋나듯, 단기기억도 뇌의 실시간 상태에 맞춰 그 성능이 달라진다는 의미다.

이러한 발견은 노화, 치매, ADHD(주의력결핍 과잉행동장애)처럼 단기기억 손상과 관련된 신경과학적 메커니즘을 깊이 이해하는 새로운 관점을 제공한다. 나아가 세타 뇌파를 표적으로 한 비침습적 뇌 자극 기술을 활용해 ‘노화를 역행시킬 수 있는 기술’(역노화 기술)의 시발점이 될 수 있다는 점에서 학계의 기대를 모으고 있다.

연구를 주도한 한 교수는 “단기기억은 흔히 책상에 비유된다. 뇌는 방대한 정보를 저장할 수 있지만, 한 번에 꺼내 살펴볼 수 있는 양은 책상 위에 펼칠 수 있는 책처럼 극히 제한적”이라며 “이번 연구는 그 책상이 어디에 있고 어떻게 관찰할 수 있는가에 대한 답을 제공하며 단기기억의 생물학적 실체를 밝혀냈다는 점에서 큰 의의가 있다”고 설명했다. 한 교수는 또한 “역노화 기술 개발을 위한 인간 임상실험 준비를 대부분 마쳤다”고 밝혀 향후 연구 확장에 대한 기대를 높였다.

이번 연구는 산업자원통상부 산업기술알키미스트 사업, 한국연구재단 우수신진연구(씨앗) 사업 및 서울과기대 교내연구비의 지원을 받아 수행됐다.