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 최근 신경과학 연구에 사용되는 신경세포 활성 조절기법 소개

[요약문]

인간과 관련된 여러 학문, 철학, 심리학, 인지과학, 경제학 등은 사람의 내재적 특징을 파악하는데 그 목적을 두고 있다. 사람이 어떻게 외부환경을 인식하는가 에 대한 질문은 인간에 대한 이해를 돕고 인공지능과 로봇과 같은 응용 분야에 적용할 수 있고 사람들 개인에게서 드러나는 공통 심리 혹은 대중심리를 경제 및 정치에 어떻게 활용할 것인가 하는 질문은 현대를 살아가는 많은 이들의 공통관심사이다. 사람을 향하는 뇌과학의 본질적 질문들은 뇌의 정보처리를 담당하고 있는 신경세포의 역할 규명을 통해 답을 내릴 수 있을 것이다. 신경세포 활성 조절은 감각, 움직임, 감정, 언어, 인지, 지각 등과 관련된 신경세포의 역할을 규명하는 데 유용한 기술이다. 본 동향 보고서에서는 전기, 빛, 합성물, 초음파 등으로 신경세포 활성을 조절하는 기법들의 작용원리와 종류 그리고 한계점을 소개하고 있다. 또한 연구에 도움을 주기 위해 맺음말에서는 신경세포 조절 기법에 대한 정보를 얻을 수 있는 유용한 웹사이트들 또한 제공하고 있다.

[목차]

1. 들어가는 말
2. 중심 내용
  2.1 신경세포 활성의 기본원리
  2.2 전기자극을 이용한 신경세포 활성 조절기법
  2.3 광유전학을 이용한 신경세포 활성 조절기법
    2.3.1 광유전학이란?
     2.3.2 신경세포 활성조절에 이용되는 광단백질들
    2.3.3 옵신 타겟팅 전략
    2.3.4 광유전학의 다양한 활용방법
  2.4 화학유전학을 이용한 신경세포 활성조절기법
    2.4.1 DREADDs의 작용원리
    2.4.2 DREADDs의 종류
    2.4.3 DREADDs의 활용
  2.5 신경세포 활성 조절을 위한 다양한 접근
    2.5.1 광유전학과 화학유전학의 상보적 사용
    2.5.2 신경세포 활성 조절을 위한 다양한 접근법
3. 맺음말
4. 참고문헌

[내용]

1. 들어가는 말

‘생각한다. 고로 존재한다’ 데카르트의 존재에 대한 고찰에서 알 수 있듯이 우리는 존재하는 동안 외부의 정보를 받아들이고 생각하고 처리하여 적절한 반응을 한다. 이러한 과정은 한가지 순차서열을 지니는 듯 보이지만 실제로 우리는 동시다발적으로 많은 정보에 노출되어 있으며 다수의 반응을 동시에 한다. 일례로 필자가 키보드를 치는 중에도 모니터에 보이는 문자와 그림들, 멀리서 들려오는 음악소리, 키보드에 닿는 손가락의 느낌, 누군가 마시고 있는 커피향기 등의 자극에 노출되어 있으며, 어떤 내용을 이어 나가야 할지에 대한 고민, 지금 이 노래는 어떤 노래였더라, 어제 먹은 저녁에 아직도 배가 부르네 하는 순간순간을 스치는 생각들 그리고 손가락의 움직임과 눈동자의 움직임 등의 반응이 한순간에 이뤄지고 있는 것이다. 우리는 어떻게 이 많은 정보를 받아들이고 처리하고 반응하고 있을까? 사람들은 인간의 신비, 더 자세히는 뇌의 신비에 흥미를 보여왔다. 최근 뇌과학에 대한 대중의 관심이 쏟아지면서 ‘뇌’관련 질문을 담은 다양한 서적들이 발간되고 있으며, '사람이란 무엇인가?', '인간을 닮은 인공지능이란 무엇인가?' 등의 뇌과학의 본질적인 궁금증에 대한 해답이 요구되고 있다.

뇌는 크게 신경세포와 신경교세포로 구성되어 있으며 그 중 신경세포는 뇌 만이 수행 할 수 있는 독특한 기능인 정보처리를 담당하고 있는 것으로 알려져 있다. 정보전달과 관련한 신경세포의 활성을 이해하는 것은 뇌기능을 이해할 수 있는 핵심 부분으로 신경세포의 활성을 조절하는 방법을 적용한다면 깊은 이해를 도출할 수 있다. 이를 위해 전기자극(electrical stimulation), 광유전학(optogenetics), 화학유전학(chemogenetics) 기법 등의 다양한 기술들이 연구되고 있다.

본 동향보고서에서는 고전적인 신경세포 활성 조절기법에서부터 새로운 패러다임에 이르는 다양한 신경세포 활성 조절기법을 소개하고자 한다.

2. 중심 내용

2.1 신경세포 활성의 기본원리

 뇌를 해부함으로써 뇌의 구조에 대한 상당히 자세한 지식이 얻어지고 있다. 인간의 뇌는 수 천억개의 신경세포(neuron)로 구성되어 있음이 밝혀졌다. 신경세포는 전기 펄스로 표현되는 정보를 받아들여 다음 신경세포로 전달하는 전기적 회로망을 구축하고 있지만, 신경세포끼리의 정보전달은 신경전달물질이라는 화학물질을 사용한다. 현재까지 밝혀진 신경세포의 반응원리를 살펴보면, 대부분의 신경세포는 전기적 흥분성을 지니고 있으며 이러한 세포의 성질은 그 세포막 또는 생체막에 존재하는 다양한 종류의 이온채널의 활성에 의해 조절되는 것으로 알려졌다. 단일 신경세포의 구조는 수상돌기(dendrite), 체세포(soma), 축색돌기(axon)으로 크게 나뉘며, 신경세포의 수상돌기로 전달된 전기적 신호는 세포의 체세포를 거쳐 축삭원추(axon hillock) 부위에서 통합되어 축색돌기에서 전기적 신호발생 여부가 결정된다. 축색돌기를 통해 신경말단부위로 전달된 전기적 신호는 신경전달물질의 분비를 유도하는데, 이때 세포막 전압에 의해 조절되는 전압의존성 이온채널(voltagegated ion channels)의 활성조절이 가장 중요한 역할을 한다. 하지만 이온채널의 활성은 세포막 탈분극에 의한 전위차뿐만 아니라 세포막에 존재하는 신경전달물질이나 호르몬의 수용체들에 의해서도 동시에 조절된다.

2.2 전기자극을 이용한 신경세포 활성 조절기법

1875년 Richard Caton는 갈바노미터를 사용하여 노출된 동물의 뇌에서 전류를 검출한 이래로 전기적 자극을 통해 신경세포활성 조절기술이 적용되었다. 초기에는 무작위적으로 전극을 꽂아 살아있는 뇌의 일부를 자극하였고 이 기술은 특정 행동이나 인지와 같은 상황에서 특정 신경회로만을 자극하는 것으로 발전하였다. Fritsh 와 Hitzig는 개의 뇌를 이용하여 전기적 자극을 유도하였으며 Sherrington과 Penfield를 비롯한 과학자들은 영장류의 움직임을 관장하는 대뇌피질 (motor cortex)을 전기적으로 자극하여 신경세포 활성을 조절함으로써 대뇌피질의 운동영역 조절의 원리를 이해하고자 하였다.

우리의 뇌는 어떻게 지각하고 인지하는가를 탐구하기 위해 Penfield는 간질 치료나 종양 제거를 위한 수술 동안 환자에게 전기적 자극기법을 시도하였다. 이러한 사람을 대상으로 한 연구는 주로 일차적 치료가 요구되는 상황에서만 가능했다. 그렇기 때문에 깨어있는 원숭이(Fhesus monkeys)를 대상으로 인지와 지각에 대한 연구가 중요하게 수행되었다. 원숭이들은 감각자극과 전기자극이 주어지는 상태로 훈련되었으며 이러한 연구들은 전기생리학적으로 분류된 신경세포들이 어떻게 지각에 영향을 주는지에 대한 실마리를 제공하였다.

연구를 목적으로 사용된 전기자극기법은 치료용으로도 적용되었다. 뇌심부자극술(deep brain stimulation; DBS)이 치료목적으로 적용된 전기자극기법의 대표적인 예이다. 뇌심부자극술은 1997년 미국 식약청의 승인을 얻은 이후 진전, 파킨슨병, 근긴장이상증, 강박증과 같은 다양한 뇌질환의 환자에게 적용되어 왔다. 뇌심부자극술은 자극이 가해진 뇌심부핵의 출력을 증가시켜 흥분성과 억제성의 동시 복합적인 효과를 통해 주위 신경섬유를 활성화 시켜 기저핵과 사상피질 회로(basal thalamocortical tract) 전반을 조절하는 것으로 이해되고 있다.

비교적 정확하고 비침습적인 전기자극기법인 TMS (Transcranial magnetic stimulation)는 영장류뿐 아니라 사람에게도 적용되고 있다. 최근 TMS는 기존 항우울 약제에 효과를 보이지 않는 우울증 환자를 대상으로 신경을 자극하여 우울증의 증상을 호전시키는 데 사용되고 있다. 치료용 TMS는 반복적인 마그네틱 펄스를 제공하기도 하는데 rTMS (repetitive TMS)로 불리기도 한다.

보다 정확한 전기자극기술을 위해서는 기능에 근거한 해부학적 뇌지도가 정립되어야 하며, 뇌의 직접적인 전기자극은 지각 또는 행동에 대한 측정 가능한 영향을 주었다는 것은 의심할 여지가 없다. 하지만 전기자극의 경우 신경세포 활성 촉진에는 용이하지만, 억제에는 효과적이지 않는 한계가 있어 광유전학 기법이나 화학유전학 기법과 같은 다른 신경활성 자극기법들이 제시되었다.

...................(계속)

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