안정성을 유지하는 뇌의 비밀 밝힌다(기능커넥토믹스연구단 게이코 야마모토 박사)

소뇌(cerebellum) 시냅스의 안정적인 학습 매커니즘 규명 
새로운 광유전학 단백질로 다양한 뇌 부위 특성 연구에 활용

 

소뇌(cerebellum)는 똑바로 걷거나 눈꺼풀, 눈동자가 움직이는 것과 같이 대뇌의 기능으로 이루어지는 근육운동을 세밀하게 만들고, 조화를 돕는 중요한 뇌 부위이다. 이러한 소뇌의 활동은 그 안에 존재하는 엄청난 양의 신경세포들 간 신호전달의 효율이 변화하고 그 변화를 유지하면서 일어난다. 최근 국내 연구진이 새로운 광유전학 단백질을 이용하여 신경신호의 효율 변화를 유지하는 뇌의 매커니즘 및 작동 타이밍을 규명했다고 밝혔다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 뇌과학연구소 기능커넥토믹스연구단 게이코 야마모토 박사 연구팀(제1저자 김태곤 박사, 공동교신저자 유키오 야마모토 박사)은 일상적인 움직임의 미세조정과 운동학습을 담당한다고 알려진 뇌 부위인 소뇌(cerebellum)의 시냅스를 이용하여 소뇌의 학습 매커니즘을 규명하고, 시냅스의 신호 전달 효율의 변화 및 그 변화의 유지를 유발하는 스위치 체계를 발견했다.

<그림 1> LOV가 작동하는 방식

시냅스(synapse)는 뇌세포끼리 신호를 전달하는 세포의 작은 부위이다. 시냅스에서는 자극의 세기, 반복 정도 등에 따라 신호의 전달 효율이 달라지고, 결국 똑같은 자극에 대해 정보처리 방식도 점점 달라지게 된다. 이 과정은 새로운 정보를 받아들여 학습하는 과정이고, 안정적인 학습을 위해서는 효율이 변화된 후 유지(장기간시냅스 억제/강화, long-term synaptic depression/potentiation)가 가능해야한다고 알려져 있다. 특히, KIST 게이코 박사팀은 세포내 수송경로(intracellular endosomal pathway)가 정보전달 효율의 변화와 유지의 핵심 기작으로 쓰인다는 그간의 가설을 증명했다. 또한 연구진은 변화한 효율의 유지를 유발하는 스위치 체계를 발견하여 소뇌 시냅스의 학습 매커니즘을 규명했다. 연구진은 푸른빛을 흡수하는 동안만 세포내 수송을 방해하는 새로운 광유전학 단백질 (LOV-Rab7TN)을 개발하였다. 먼저 전기적 자극을 가하여 시냅스억제 스위치를 작동시키고, 이 억제를 유지시키는 스위치가 켜질 것이라 예상되는 특정시점(억제 유도 후 약 15분 후)에 맞추어 빛을 가하여, 세포내 수송을 방해하는 광유전학 단백질을 활성화시켰다. 특정시점을 벗어난 푸른빛은 시냅스 정보전달 효율 변화에 아무런 영향을 미치지 못하고, 유지 스위치 작동시점에 맞추게 되면 성공적으로 시냅스억제를 중단시킬 수 있었다. 소뇌 시냅스는 효율 변화를 일으키는 자극에 항상 노출되어있지만, 변화 스위치와 유지 스위치가 순차적으로 작동하기 때문에 안정적인 학습이 가능해진다는 결론을 얻을 수 있었다. 연구진은 기존의 이론인 지속적으로 상태를 유지시켜주는 체계가 작동하는 것이 아니라 일시적인 스위치의 작동만으로도 시냅스가 안정적인 상태를 유지할 수 있다는 것을 밝혔다. 특히 이 순차적 스위치 체계는 세포내 수송체계를 통해 구현되고, 연구진이 개발한 광유전학 단백질을 통해 성공적으로 이를 조절할 수 있음을 보인 것이다.

<그림 2> 실험 방식. 세포내 수송을 방해하는 Rab7TN을 LOV에 결합시켜 세포내에 발현하고 전기적으로 세포에 시냅스억제를 유도한 후 특정 시점에 푸른 빛을 가하여 세포내 수송을 방해함

순차적인 스위치 체계는 향후 다른 뇌 부위의 시냅스에도 적용하여, 빠르게 변화하면서도 안정적으로 정보를 처리하는 뇌의 독특한 특성을 설명하는 데 기여할 것이라 전망된다. 또한 연구과정에서 개발한 새로운 광유전학 단백질은 뇌세포 뿐 아니라 다른 종류의 세포내 수송체계에 대한 연구에도 광범위하게 적용가능하다. KIST 게이코 박사는 “소뇌에서 시냅스의 신호전달 효율의 변화를 유지하는 매커니즘을 밝히고 빛을 이용하여 이를 조절할 수 있다는 결과는 향후 움직임의 미세한 조정에 어려움을 겪거나 그런 조정을 학습하는 데 어려움을 겪는 환자들의 재활 등에 기여할 수 있을 것으로 전망한다.”고 밝혔다.

<그림 3> 푸른빛을 특정시점 (시냅스 억제유도 후13-18분)에 가했을 때 억제되던 시냅스가 다시 제 위치로 돌아오는 상황 (붉은 동그라미)

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업 및 한국연구재단 중견연구자지원사업으로 수행되었다. 연구성과는 유명 과학저널인 ‘Nature Communications’ (IF: 12.124)에 9월 1일(금)자 온라인 게재되었다.

 * (논문명)Timely regulated sorting from early to late endosomes is required to maintain cerebellar long-term depression
      - (제1저자) KIST 김태곤(Taegon Kim, Dr.) 위촉연구원
      - (교신저자) KIST 유키오 야마모토(Yukio Yamamoto, Dr.) 위촉연구원
      - (교신저자) KIST 게이코 다나카-야마모토(Keiko Tanaka-Yamamoto, Dr) 박사