게이코 야마모토 KIST 박사팀, 소뇌 시냅스 안정적 학습 매커니즘 규명

눈꺼풀, 눈동자 등 미세한 움직임 조정 어려움 해소 기여



우리의 몸을 구성하는 장기 중 가장 중요한 역할을 수행하고 있는 것은 단연 뇌다. 물체를 보고, 맛을 느끼는 기본 감각부터 우리가 생각하는 모든 사고가 이루어지는 곳이다. 하지만 복잡하고 정교한 뇌의 역할에 비해 우리가 알고 있는 것은 극히 일부분이다.


전세계적으로 뇌가 어떻게 연결되어 있고, 어떻게 서로 신호를 주고받는지 규명하며 '뇌 지도'가 만들어지고 있는 가운데, 게이코 야마모토 KIST 기능커넥토믹스 박사 연구팀(제1저자 김태곤 박사, 공동교신저자 유키오 야마모토 박사)이 일상적인 움직임의 미세조정과 운동학습을 담당한다고 알려진 뇌 부위인 소뇌(cerebellum)의 시냅스를 이용하여 소뇌의 학습 메커니즘을 규명하고, 시냅스의 신호 전달 효율의 변화 및 그 변화의 유지를 유발하는 스위치 체계를 발견했다.


소뇌는 똑바로 걷거나 눈꺼풀, 눈동자가 움직이는 것과 같이 대뇌의 기능으로 이루어지는 근육운동을 세밀하게 만들고, 조화를 돕는 중요한 부위이다. 이러한 활동은 소뇌 안에서 일어나는 엄청난 양의 신경세포들 간 신호전달 체계와 효율에 따라 이루어지기 때문에 아주 미세한 신호에 의해서도 장애가 일어나기도 한다.



복잡한 시냅스 정보전달 체계, 빛으로 스위치 On/Off



뇌세포는 시냅스(뇌세포끼리 신호를 전달하는 세포의 작은 부위)를 통해 신호를 전달한다. 이때 자극의 세기, 반복 정도 등에 따라 시냅스의 신호 전달 효율이 달라지게 되고, 같은 자극에도 정보처리 방식이 역시 점점 달라지게 된다. 신호 전달 효율은 수용체의 숫자가 늘어나거나(장기간 시냅스강화) 줄어들며(장기간 시냅스억제)변화하게 되는데, 안정적인 학습을 위해선 효율이 변화한 후에도 유지가 되어야 한다. 


LOV가 작동하는 방식



실험 방식. 세포내 수송을 방해하는 Rab7TN을 LOV에 결합시켜 세포내에 발현하고 전기적으로 세포에 시냅스억제를 유도한 후 특정 시점에 푸른 빛을 가하여 세포내 수송을 방해함



게이코 박사팀은 이 과정에서 '세포내 수송경로(intracellular denosomal pathway)'가 핵심 기작으로 쓰인다는 가설을 세웠고, 광유전학 단백질 'LOV-Rab7TN'을 통해 소뇌 시냅스의 효율 조절 스위치 체계와 학습 메커니즘을 발견하며 가설을 증명했다.


연구팀이 개발한 광유전학 단백질 LOV-Rab7TN은 푸른빛을 흡수하는 동안만 세포내 수송을 방해한다. 먼저 전기적 자극을 가해 장기 시냅스억제 스위치를 작동시킨 후, 특정시점(약 15분 후)에 맞추어 푸른빛을 가해 LOV-Rab7TN을 활성화시킴으로써 세포내 수송을 방해해 장기 시냅스억제를 막았다.


게이코 박사는 "장기 시냅스억제 스위치를 작동시킨 직후에 빛을 가했을 경우엔 장기 시냅스억제 중단이 이루어지지 않는 모습을 보였다"며 "이는 장기 시냅스억제 유도과정과 유지시키는 과정이 시간적으로 차이가 있다는 뜻이었고, 여러 실험을 거쳐 15분이라는 시점을 찾아낼 수 있었다"고 말했다.





연구팀은 이번 실험결과를 통해 (1)장기 시냅스억제 유도과정과 유지과정이 시간적으로 차이가 난다는 점 (2)장기 시냅스억제의 유지에 세포내수송경로, 특히 분해경로로의 수송이 중요한 역할을 한다는 점 (3)장기 시냅스억제를 유지시키는 메커니즘의 작동은 특정 시점에 잠시동안 이루어진다는 점 등을 증명했다.


또한 이번에 밝혀낸 메커니즘은 모든 세포가 가지고 있는 세포적 이벤트를 활성화하는 시스템이기 때문에 뇌의 다른 부위의 학습 기능 메커니즘을 밝히는 데에도 활용될 수 있을 것으로 전망된다.


게이코 박사는 "이번 소뇌의 시냅스 신호전달 효율 메커니즘은 향후 움직임의 미세한 조정에 어려움을 겪거나 그런 조정을 학습하는 데 어려움을 겪는 환자들의 재활 등에 기여할 수 있을 것"이라고 말했다.



푸른빛을 특정시점 (시냅스 억제유도 후13-18분)에 가했을 때 억제되던 시냅스가 다시 제 위치로 돌아오는 상황 (붉은 동그라미)



복잡할수록 흥미로운 뉴런과 아름다운 퍼킨지 세포에 빠지다



게이코 박사는 학부부터 박사과정까지 수의학을 전공했다. 그는 "생리학을 연구하던 기초연구실에서 뉴런과 세포가 일상생활에 어떤 영향을 미치는지 관심을 가지게 되었다"며 "외부자극을 받아들여 반응하는 세포들의 복잡한 시그널링(signaling)에 흥미를 느끼고 신경과학자가 되겠다고 다짐했다"고 말했다.


남들이 보기엔 복잡해보이고, 또는 징그럽게 보일 수 있는 뉴러과 세포의 구조가 게이코 박사에겐 최고의 매력이었던 것. 이번 연구성과 역시 '퍼킨지 세포(Purkinje cell)'가 그를 사로잡았다. 퍼킨지 세포는 인체의 운동능력을 관장하는 신경세포의 일종이다.


게이코 박사는 "소뇌의 과립세포(granule cell)과 퍼킨지 세포 사이에서 주로 발생하는 장기 시냅스억제는 주로 눈으로 관찰하는 실험이다"라며 "아름다운 퍼킨지 세포가 어떻게 반응하는지 계속 관찰할 수 있는 것이 소뇌 메커니즘 연구를 할 수 있게 만드는 원동력이다"라고 말했다.


그는 소뇌를 비롯해 뇌의 구조와 메커니즘 규명을 통해 뇌질병으로부터 더 많은 사람들을 돕고자 한다. 그는 "예를 들면 우울증 약은 효과는 있지만, 아직까지 그 효과가 어떤 방식으로 작용하는지 알지 못한 상태"라며 "질병의 원인이 무엇이고, 또 치료는 어떻게 이루어지는지 알 필요가 있다"고 설명했다.


게이코 박사는 앞으로 소뇌를 중심으로 운동기능과 인지기능에 대한 연구를 이어갈 예정이다. 그는 "궁극적으로 소뇌를 통해 표면상으로 구분된 운동지능과 인지기능을 통합적으로 살펴보고 싶다"며 "이를 통해 장애를 극복하고, 자연스러운 활동이 효율적으로 이루어질 수 있도록 기여하고 싶다"가 말했다.




Posted by KIST PR

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