바이오인

학습 및 기억력 향상 요소 규명  

- 유전자 적중 생쥐를 이용, 학습 및 기억증진 기작 규명 -

 KIST, 신희섭 학습 및 기억 현상 연구단장

과학기술부가 창의적연구진흥사업의 일환으로 추진하고 있는 학습 및 기억 현상 연구단(연구단장 : 한국과학기술연구원 책임연구원, 신희섭)에서는 유전자 적중생쥐 기법을 이용하여, 학습 및 기억 능력 향상에 대한 기작을 규명, 이를 'Neuron' 에 게재하게 되었다.

논문제목: Enhanced Learning and Memory in Mice Lacking Na+/Ca2+ Exr 2

게재시기: Neuron on June 19, 2003.

1. 연구배경

? 우리의 뇌에서 학습과 기억을 담당하는 중요한 부위 중의 하나가 해마(Hippocampus)이다. 여기에 손상이 생기면 학습과 기억력이 떨어지게 된다. 수중미로 찾기(Water maze)와 공포 조건화 학습 (Context fear conditioning)은 실험용 생쥐에서 이 해마부위에 이상이 생기게 될 때에 초래 되는 학습과 기억 능력의 변화를 잘 측정할 수 있는 <신희섭 단장> 행동실험 방법이다.

? 학습과 기억현상이 일어나게 되면 뇌를 이루고 있는 복잡한 신경망 중에서도 특정 신경회로의 기능이 강화되며, 이렇게 강화된 신경회로 덕분에 재차 같은 자극에 접했을 때에 적절한 반응이 더 빨리 일어나게 된다. 강화된 신경회로는 신경과 신경간 의 전기적 신호의 전달 통로인 신경시냅스(Synapse) 기능이 강화된 결과이다. 강화된 시냅스의 기능은 해마를 포함하는 뇌 조직 절편에서 전기생리학적인 기법으로 측정할 수가 있다. 이렇게 측정된 결과를 장기시냅스강화(Long-Term Potentiation, LTP)라고 부른다.

? 신경세포가 활성화되면 세포내의 칼슘이온 농도가 증가하게 된다. 이 칼슘이온 농도 증가가 장기시냅스강화, 즉 LTP 형성에 매우 중요한 역할을 한다는 연구결과가 많이 보고 되었다. 그러나, 칼슘이온 농도증가가 얼마나 계속되어야 하는지, 즉, LTP 형성에 관한 시간적 요소에 대한 연구는 미진한 상태이다.

현재까지 증가된 칼슘 상태의 시간을 조절하는 것이 LTP에 어떤 영향을 주는지, 또한 학습과 기억력을 강화시키는지 아니면 약화시키는지에 대해서 알려진 바가 없었다.

2. 연구내용

? 본 연구는 이러한 의문을 풀기 위하여 진행되었다. 즉, 활성화된 신경세포에서 증가된 칼슘을 세포 밖으로 퍼냄으로써 칼슘농도를 조정하는 작용을 하는 것으로 알려진 나트륨/칼슘교환체-2 (Na+/Ca2+ Exr 2, NCX- ) 유전자가 제거된 돌연변이 생쥐를 만들어서 전기생리학 및 행동분석 실험 을 수행하였다.

? 신경세포를 활성화시켜서 세포내의 칼슘 농도를 증가시킨 후에 다시 정상으로 돌아가는 데에 걸리는 시간을 측정한 결과, 정상생쥐에 비하여 나트륨/칼슘교환체-2(NCX-2) 유전자 적중 생쥐의 신경세포에서 이 시간이 현저하게 길어졌다. 결과적으로 NCX-2 유전자가 제거되면 세포 내에 증가된 칼슘이 더 오래 머물게 된다.

? 행동분석 실험을 한 결과, NCX-2 유전자 적중 생쥐들의 학습 및 기억능력이 향상되어 있음을 발견하였다. 즉, 정상 생쥐에 비하여 돌연변이 생쥐 들이 더 빨리 학습하고 더 오래 기억하였다.

? 뇌 조직 절편에서 전기생리학적인 기법으로 측정한 결과, NCX-2 돌연변이 생쥐의 해마에서 장기시냅스강화(LTP)의 정도가 정상생쥐에 비하여 높고 강하게 나타나고 있음을 증명하였다.

? 결론적으로, 신경세포 내의 칼슘농도 증가 상태의 시간적 길이를 조절하는 NCX-2 유전자 의 기능이 해마 신경세포의 장기시냅스강화 조절에 중요 역할을 하며, 이 역할이 학습, 기억의 형성에 핵심적인 요소임을 알 수 있다.

3. 연구성과

? 신경세포 내의 칼슘농도 증가 상태의 시간적 조절이 해마 신경세포의 장기시냅스강화 조절에 스위치 역할을 함을 밝혀내어, 증가된 LTP와 학습, 기억 능력의 향상과의 연관성을 동일 개체에서 보인 것에 큰 의미가 있다.

? NCX-2 유전자가 이와 같은 과정, 즉, 칼슘농도 조절, 시냅스강화, 그리고 학습, 기억의 형성에 핵심역할을 함을 증명하였다.

? 본 연구결과는, NCX-2 유전자의 기능을 억제하는 약물이 학습, 기억 능력을 향상시킬 수 있을 가능성을 제시하고 있다. 즉, NCX-2 유전자는 학습, 기억 능력을 향상시키는 약물 개발의 표적이 될 수 있을 것이다. (예: 치매 치료제)

▶ 해마 (Hippocampus)에서 LTP, 학습 및 기억

1. 해마와 LTP 

2. 해마의존성 학습과 기억의 행동 실험

1) 공간 학습 (수중 미로, Water Maze)  

2) 물체 인식 (Object Recognition) 

(3) 공포 조건화 학습 (Fear Conditioning)