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핵심내용

-Nature 誌 게재, 뇌신경회로의 광학적 측정기술 개발로 신경전달 경로에 대한 기존 학설 뒤집어 -

 □ 국내 연구진이 미국과의 공동연구를 통해 뇌신경회로의 동작을 광학적으로 측정할 수 있는 방법을 개발하여 ‘행동유발 신경전달 메커니즘’을 규명함에 따라 파킨슨병 등 뇌신경질환의 근본적인 원인을 이해하고 치료법을 개발하는데 새로운 방향을 제시할 것으로 기대된다.

  ○  이화여자대학교 전상범 교수와 미국 국립보건원 알코올연구소(NIH/NIAAA) Lovinger 박사, 포르투갈의 Costa 박사의 공동연구로 진행된 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)가 추진하는 글로벌프론티어사업(다차원 스마트 IT 융합 시스템 연구단), 중견연구자지원사업 등의 지원으로 수행되었고 세계 최고 권위의 과학 학술지인 네이처 본지에(1월 24일자) 온라인 게재되었다.

    ※ 공동제1저자 / 논문명 : Guohong Cui, Sang Beom Jun / Concurrent Activation of Striatal Direct and Indirect Pathways During Action Initiation.

□ 연구팀은 광학과 유전공학을 융합하여 신경회로의 특정 신경전달 경로만을 신호의 중첩 없이 기록할 수 있는 방법을 개발하였다.

  ○ 기존에는 생명체의 뇌신경세포가 발생시키는 신호를 측정하기 위해서 전극을 뇌 안에 삽입하여 각각의 신경세포에서 발생하는 전기적인 흐름을 측정하는 방법이 주로 이용되어왔으나, 수천억 개의 신경세포로 이루어진 복잡한 뇌신경회로의 신호를 구분해 내는 것은 불가능했다.

  ○ 연구팀은 이와 같은 문제를 해결하기 위해 유전자를 조작하여 신경세포가 신경신호를 발생할 때 형광신호가 증가하도록 함으로써 광학신호를 발생시키고 이를 실험동물의 뇌에 삽입된 광섬유를 통해 측정하는 시스템을 개발하였다.

□ 또한 연구팀은 이러한 방법을 활용하여 뇌신경세포의 동물 행동유발 시 직접경로(direct pathway)와 간접경로(indirect pathway)가 동시에 활성화 된다는 사실을 세계 최초로 밝혀냈다.

  ○ 그 동안 신경전달 경로가 행동유발과 행동억제의 목적으로 구분되어 직접경로와 간접경로가 따로 활성화된다는 학설이 지배적이었다.

□ 전상범 교수는 “이번 연구결과는 행동유발에 관련된 신경전달 경로를 새롭게 밝힌 것뿐만 아니라, 기존의 방법으로는 관찰이 불가능했던 뇌 안의 수많은 신경전달 경로를 명확히 밝히는데 광범위하게 응용될 수 있는 연구방법을 개발한데 의의가 있다”고 평가하였다.

상세내용

연  구  개  요

1. 서론 : 대뇌 피질의 안쪽에 위치하는 바닥핵(basal ganglia)은 자발적인 행동을 조절하는데 중요한 기능을 한다고 알려져 있으며, 파킨슨씨병, 헌팅튼병, 무도병 등의 다양한 퇴행성 신경질환들과 밀접한 관계가 있다고 알려져 있다. 기저핵 안에 위치한 선조체(striatum)에서의 신경세포들은 자발적인 운동유발 시 직접경로(direct pathway)와 간접경로(indirect pathway)를 통해 각각 자발적 행동의 유발과 억제를 배타적으로 조절한다는 것이 가장 지배적인 학설이었다. 이는 선조체 안의 직접경로는 신경세포는 신경전달물질인 도파민에 의해 흥분되고, 간접경로의 신경세포는 도파민에 의해 억제되기 때문이었으나, 공간적으로 세포들이 혼재되어 있기 때문에 전통적인 전기적 측정방식으로는 이를 증명하는 것이 불가능했다.

2. 본론 : 본 연구에서는 실험동물의 직접경로의 신경세포와 간접경로의 신경세포를 각각 독립적으로 유전자 조작을 하여 칼슘 인디케이터인 GCAMP3를 발현하도록 하였다. 이는 신경세포가 활동전위를 발생할 때 증가하는 칼슘이온의 농도를 형광신호로 나타내 준다. 이와 같이 준비된 실험동물의 선조체에 광파이버를 삽입하여 동물의 행동을 관찰하며 동시에 형광신호를 측정하였다. 일반적으로 광학파이버를 이용한 생체 내 형광의 측정법은 신호의 강도가 매우 낮다는 단점이 있는데, 본 연구에서는 단일광자계수(Time-Correlated Single Photon Counting)방식을 이용하여 고감도의 형광신호의 측정을 구현하였다. 

3. 결론 : 기존의 방식으로는 측정이 불가능했던 선조체의 직접경로와 간접경로의 신경세포를 구분하여 활동전위를 광학적으로 측정할 수 있었다. 행동실험 결과, 다양한 자발적 행동들과 동기화되어 선조체 내의 직접경로의 신경세포와 간접경로의 신경세포의 활동도가 동시에 증가하는 것을 확인하였다. 본 연구결과는 뇌의 바닥핵(basal ganglia)의 신경전달 경로와 직접적으로 관련되어 있다고 알려진 뇌질환인 파킨슨병, 무도병(Chorea), 운동이상증(Dyskinesia) 등의 근본적인 원인을 이해하고 치료법 개발에 새로운 방향을 제시할 것으로 기대된다.

그림1. 실험동물의 기저핵의 (a)직접경로(direct pathway)와 (b)간접경로(indirect pathway)에
각각 발현된 칼슘 인디케이터(GCAMP)와 측정된 형광 신호

용   어   설   명

1. 바닥핵(Basal Ganglia)의 직접경로(Direct Pathway) / 간접경로(Indirect Pathway)
 ○ 바닥핵(Basal Ganglia)의 직접경로(direct pathway)는 ‘대뇌피질 → 선조체(Striatum) → 흑색질(SNr)/내부창백핵(GPi) → 시상 → 대뇌피질’로 연결되는 흥분성 신경전달 경로이며, 간접경로(indirect pathway)는 ‘대뇌피질 → 선조체 → 외부창백핵(GPe) → 시상밑핵(STN) → 흑색질(SNr)/내부창백핵(GPi) → 시상 → 대뇌피질’로 연결되는 억제성 신경전달 경로이다. 일반적으로 직접경로는 보완운동영역(SMA)을 흥분시키며 간접경로는 억제시킨다고 알려져 있다. 신경전달 물질인 도파민이 선조체에 분비되었을 때 직접경로를 촉진시키고 간접경로를 억제시키는 작용을 한다고 알려져 있다.

2. 시간상관 단일광자계수법(Time-Correlated Single Photon Counting)

 ○ 펄스 레이저를 이용하여 형광분자를 에너지 레벨을 상승시킨 후, 여기 과정에서 방출되는 극소량의 광자의 분포를 측정하는 방식으로 매우 낮은 광세기를 갖는 신호를 측정할 수 있으며, 광세기의 시간적 변화를 높은 시간분해능으로 관찰할 수 있다.

3. 칼슘 인디케이터(Calcium Indicator)
 ○ 칼슘이온(Ca2+)의 킬레이션 반응을 통해 칼슘이온의 농도에 비례하여 형광특성을 변화하도록 디자인된 분자로서 신경세포의 내부에 발현될 경우, 신경세포의 활동도를 형광신호의 변화로 측정할 수 있다. 유전적으로 인코딩하여 신경세포에 발현되도록 할 수 있으며, 그 대표적인 예로 GCAMP를 들 수 있다.

주   요   사   진  

그림 2. 광학적 신경신호 측정시스템 개념도. a. 시간상관 단일광자계수법을 이용한 형광신호 측정 시스템(1,2:광파이버, 3:전기신호측정케이블, 4,6:좌우레버, 5:음식투입구).
b. 측정된 칼슘 인디케이터 형광신호의 스펙트럼

 그림 3.  실험동물의 자발적인 행동에 반응하여 간접경로 및 직접경로 상의 선조체 신경세포에서 기록된 형광신경신호.