우리 뇌가 계속 일할 수 있는 이유는?… 국내 연구진이 규명

KAIST·한국뇌연구원 공동연구로 뇌, 기억력 유지 메커니즘 규명

'뇌 질환 치료', '뇌 항상성 유지' 연구 등에 활용 기대

국내 연구진이 성인의 뇌가 기억력을 유지하는 메커니즘을 처음으로 규명했다.

KAIST(총장 신성철)는 생명과학과 정원석 교수와 이준혁 박사과정 연구팀이 한국뇌연구원(원장 서판길) 박형주 박사와 김지영 연구원과 공동연구를 통해 이전까지 알려지지 않았던 새로운 뇌 항상성 유지 기전을 처음으로 확인했다고 5일 밝혔다. 연구 내용은 국제학술지 '네이처(Nature)' 지난 12월 23일자에 공개됐다.

뇌의 부위 중 학습과 기억 또는 새로운 것을 인식하는 등의 역할을 하는 성인의 해마(hippocampus)에서는 학습이나 기억을 형성하는 과정에서 기존의 시냅스(신경세포 간 접합 관계나 접합 부위)는 사라지고 새로운 시냅스가 생기는 시냅스 재구성이 일어난다. 하지만 어떻게 시냅스가 사라지는지와 시냅스 제거가 어떤 역할을 맡는지는 알려지지 않았다.

연구진은 성체 뇌에서도 별아교세포가 불필요한 시냅스를 끊임없이 제거하고 있음을 발견했고, 이 현상이 학습이나 기억에 중요한 해마 내 흥분성 시냅스의 회로 유지를 가능하게 한다는 사실을 증명했다. 이 연구는 중추 신경계에서 다양한 역할을 수행하는 신경교세포 중 가장 숫자가 많은 별아교세포가 뇌 발달 시기에 시냅스를 먹어서 없앤다는 정원석 교수의 선행 연구 결과(Nature, 2013년)에 착안해 시작됐다.

이전에는 신경교세포의 시냅스 제거 현상을 전자 현미경이나 시냅스 염색법을 사용해 확인했었지만, 이런 방법은 신경교세포에 의해 먹힌 시냅스가 세포 내 산성 소화기관에서 급속히 분해되기 때문에 잔여 시냅스를 표시하고 관찰하는 데 한계가 있었다.

이에 연구팀은 시냅스에 산성화 감지가 가능한 형광단백질 조합을 발현시키는 바이러스 기반 시냅스 포식 리포터를 개발했다. 이 형광단백질들은 일반적인 중성 pH 조건에서 원래의 형광 강도를 유지하지만, 세포 속 소화기관 같은 산성 환경에서는 eGFP 물질은 빠르게 분해돼 신호가 사라지고 mCherry 물질은 천천히 분해돼 신호가 유지된다는 특징이 있다. 연구팀은 이런 원리를 활용해 mCherry-eGFP를 바이러스를 통해 흥분성 및 억제성 시냅스에 각각 발현시켰고 이후 mCherry-eGFP로 표시된 시냅스들과는 달리 신경교세포에 의해 먹힌 시냅스는 mCherry 물질만의 단독 신호로 관찰됨을 확인했다.

연구팀은 새로 개발한 방법을 이용해, 기존의 방법으로는 관찰할 수 없었던 현상인 별아교세포가 성인 해마에서 시냅스를 지속적으로 제거하며 특히 흥분성 시냅스를 더 많이 제거하고 있음을 발견했다.

놀랍게도 연구팀은 뇌의 면역세포라 불리는 미세아교세포보다 별아교세포가 주도적으로 정상 해마의 흥분성 시냅스를 제거하고 있음을 확인해 미세아교세포가 시냅스를 제거하는 주된 세포일 것이라는 기존의 학설을 뒤집었다.

미세아교세포를 인위적으로 제거했을 때는 시냅스의 수가 변하지 않았지만, 해마의 별아교세포가 시냅스를 먹지 못하도록 유전자 조작을 했을 때는 비정상적인 시냅스가 과도하게 급증가하고 정상적인 해마 신경 회로의 기능과 기억 형성 능력이 떨어진다는 것을 처음으로 관찰한 것이다.

특히, 연구진은 유전자 변형을 통해 별아교세포의 시냅스 제거 작용을 억제한 생쥐에서는, 해마 내 시냅스 연결 가소성과 기억 형성에 문제가 생김을 발견했다. 이는 불필요한 시냅스들을 별아교세포가 제거하지 않는다면 뇌의 정상적인 학습과 기억 능력이 유지될 수 없다는 것을 의미한다.

연구팀은 이번 연구성과를 통해 별아교세포에 의한 성인 뇌의 흥분성 시냅스 재구성이 정상적 신경 회로망 유지 및 기억 형성에 필수적인 기전이라 제시했다. 이 메커니즘은 향후 뇌 기능 및 관련 신경 회로의 항상성 유지에 관한 다양한 연구들에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

연구팀은 "비정상적인 수준의 시냅스 수 변화는 자폐 스펙트럼 장애, 조현병, 치매 및 여러 형태의 발작과 같은 다양한 신경질환의 유병률과 연관성이 높다"며 "시냅스 수를 다시 정상으로 회복하기 위해 별아교세포가 시냅스를 먹는 현상을 조절하는 것이 이들 뇌 질환을 치료하는 새로운 전략이 될 수 있다"고 말했다.