KAIST, 성인 뇌 기억력 유지 메커니즘 규명

한국과학기술원(KAIST)이 성인 뇌가 기억력을 유지하는 메커니즘을 밝혀냈다.

KAIST는 생명과학과 정원석 교수와 이준혁 박사과정 연구팀이 한국뇌연구원 박형주 박사 및 김지영 연구원 연구팀과 공동연구를 통해 새로운 뇌 항상성 유지 기전을 처음 규명했다고 5일 밝혔다.

학습·기억 등 역할을 하는 뇌 부위 중 하나인 해마에선 신경세포(뉴런) 간 또는 다른 세포 사이의 접합 부위를 뜻하는 시냅스 소멸과 생성 등 재구성이 계속해서 일어난다.

그러나 시냅스가 어떻게 사라지고 학습과 기억 과정 중 어떤 역할을 맡는지는 전혀 알려지지 않았다.

공동연구팀은 중추신경계에서 다양한 역할을 수행하는 신경교세포 중 가장 숫자가 많은 별아교세포가 뇌 발달 시기에 시냅스를 먹어 없앤다는 정원석 교수 선행 연구 결과에 착안해 연구를 진행했다.

먼저 시냅스에 산성화 감지가 가능한 형광단백질 조합(mCherry물질·eGFP물질)을 발현시키는 바이러스 기반 시냅스 포식 리포터를 개발했다.

형광단백질들이 산성 환경에서 eGFP물질은 분해돼 사라지고 mCherry물질은 천천히 분해돼 신호가 유지되는 원리를 활용한 연구팀은 신경교세포에 의해 먹힌 시냅스에서 mcherry 물질의 단독 신호가 관찰됨을 확인했다.

이처럼 연구팀은 기존의 방법으로는 관찰할 수 없었던 현상인 별아교세포가 성체 뇌에서 별아교세포가 불필요한 시냅스를 끊임없이 제거하고 있음을 발견했고, 해마 내 흥분성 시냅스 회로 유지를 가능하게 한다는 사실을 증명했다.

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

여기에 더해 미세아교세포를 인위적으로 제거했을 때는 시냅스 수가 변하지 않았지만, 해마의 별아교세포가 시냅스를 먹지 못하도록 유전자 조작했을 땐 비정상적인 시냅스가 과도하게 증가하고 정상적인 해마 신경 회로 기능과 기억 형성 능력이 떨어짐을 관찰했다.

연구팀은 이번 연구 성과를 통해 별아교세포에 의한 성인 뇌의 흥분성 시냅스 재구성이 정상적 신경 회로망 유지 및 기억 형성에 필수적 기전이라고 제시하고, 향후 뇌 기능 및 관련 신경 회로 항상성 유지에 관한 연구들에 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다.

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

한편 KAIST 생명과학과 이준혁 박사과정과 뇌연구원 김지영 연구원이 공동 제1 저자로 참여하고, 정원석 교수와 박형주 박사가 공동교신저자로 참여한 이번 연구는 뇌인지과학 연구분야에 새로운 돌파구를 마련한 것으로 인정받아 최상위 국제학술지 `네이처(Nature)'에 게재됐다.