살아있는 포유류의 뇌에서 신경전달 포착

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-29

첨단 방법을 이용하여 빛으로 뉴런을 자극하는 연구가 스위스 연구자들에 의해 이루어졌다. 이 연구자들은 살아있는 동물에서 뉴런 간의 시냅스 전달(synaptic transmission)을 처음으로 성공적으로 기록(record)했다. 뉴런 즉, 신경시스템을 구성하는 세포들은 시냅스라고 하는 접합(junctions)을 통해서 서로에게 화학적 신호의 전달로 소통한다. 이 시냅스 전달은 뇌와 척수가 엄청난 양의 유입 자극과 나가는 신호를 신속하게 처리하는데 있어 핵심이 된다. 그러나, 살아있는 동물에서 시냅스 전달에 대한 연구는 매우 어려워서, 인위적인 상태가 연구에 이용된다. 그런데, EPFL 학자들이 광물리학과 유전학을 함께 적용한 새로운 접근으로, 살아있는 동물에서 처음으로 시냅스 전달을 관찰하고 측정했다. EPFL 뇌 마음 연구소의 피터슨(Petersen)은 광유전학 기술(Optogenetics)이라는 새로운 기술을 이용했는데, 이는 지난 10년 신경과학에 중요한 영향을 미치기 시작한 기술이다. 이 방법은 빛을 이용하여 살아있는, 움직이기까지 하는 동물에서의 특정 뉴런의 활성을 실시간으로 정확히 제어할 수 있다. 이 정확성은 수백의 서로 다른 유형의 뉴런 연구로, 생각, 행동, 언어, 기억, 심지어는 정신장애와 같은 고차원의 뇌 기능에 대한 이해를 가능하게 하는데 있어 핵심이 된다. <빛에 의한 뉴런 활성화> 광유전학 기술은 살아있는 단일 세포 및 일군의 세포에 이르기까지의 뉴런에 광 감수성 단백질(light-sensitive protein)의 유전자 삽입으로 시작된다. 이렇게, 유전적으로 변형된 뉴런이 광 감수성 단백질을 생성하고, 그 단백질은 세포 외막에 자리하고, 그 곳에서 통로와 같은 전기적 채널로 작용한다. 빛이 뉴런에 조사되면, 이 채널이 열려, 이온(electrical ions)이 세포 안으로 흘러 들어갈 수 있게 된다. 태양광 전지에 의해 하전되는 배터리와 비슷하다. 이온의 증가로 뉴런에서의 전압 균형이 변하고, 광유전적 자극이 충분하면, 그 뉴런에서 폭발적 신호가 생성된다. 즉, 이것이 광유전학 기술의 영향 즉, 빛의 조사 유무로 뉴런의 활성에 대한 제어인 것이다. <신경전달의 기록> 팔라(Pala) 박사는 광유전학 기술을 이용하여 마취된 생쥐의 단일 뉴런을 자극하여, 이것으로 시냅스 전달의 기록이 가능한지를 알아보았다. 팔라가 표적으로 한 뉴런들은 배럴 피질(barrel cortex)이라고 하는 생쥐의 뇌 영역에 위치하는데, 이 영역은 생쥐의 수염으로 온 감각 정보를 처리한다. 광 감수성 단백질이 있는 뉴런에 빛이 조사되면, 뉴런이 활성화되고 시그널이 발화되었다. 이와 동시에 인접 뉴런들에서 마이크로전극들의 이용으로 전기적 시그널이 측정되었는데, 마이크로 전극으로 뉴런의 막을 가로지르는 미세 전압 변화를 기록할 수 있다. 이 방법으로 광 감수성 뉴런들이 그들에 이웃하는 어떤 뉴런 즉, “개재 뉴런(interneurons)”이라고 하는 작은 연결 뉴런들에 어떻게 연결되어 있는지가 분석되었다. 뇌에서 개재뉴런은 일반적으로 억제성이다. 이 뉴런들이 시그널을 받으면, 이들 뉴런은 그 다음 뉴런의 활성을 억제하여 그 시냅스 전달을 약화시킨다. 이 연구팀은 광 감수성 뉴런에서 개재뉴런으로의 시냅스 전달을 기록하고 분석했다. 또한 이 팀은 최신 이미지화 기술(two-photon microscopy)을 이용하였는데, 이 기술은 살아있는 생쥐의 뇌 깊숙한 곳을 관찰할 수 있고, 연구 대상이 되는 각각의 재재뉴런의 유형을 확인할 수 있게 한다. 이로 얻어진 데이터에 따르면, 광감수성 뉴런으로부터의 신경전달은 그 수용 말단(receiving end)에 있는 개재 뉴런의 유형에 따라 서로 달랐다. 이는 일종의 개념입증 연구라는 것이 이번 연구로 박사 학위를 받은 팔라 박사의 말이다. 하지만, 광유전학 기술을 이용하여 뇌의 다른 영역들에서 다른 유형의 뉴런들 간에 연결성에 대한 더 큰 그림을 그릴 수 있다고 한다. 이 연구팀은 생쥐의 배럴피질에 있는 다른 신경연결들에 대해 연구할 계획이며, 또한 깨어있는 생쥐에 이 기술을 시도하여 빛으로 신경 활성을 켜고 끄면 더 고차원적 뇌 기능이 어떤 영향을 받는지에 대해 연구할 수 있기를 바란다. 원문 정보: Pala A, Petersen CCH. In Vivo Measurement of Cell-Type-Specific Synaptic Connectivity and Synaptic Transmission in Layer 2/3 Mouse Barrel Cortex. Neuron (2015) dx.doi.org/10.1016/j.neuron.2014.11.025 시냅스로 연결된 한쌍의 뉴런.jpg http://www.eurekalert.org/pub_releases/2014-12/epfd-ocn122314.php