성인의 뇌가 기억력을 유지하는 메카니즘이 밝혀졌다.

KAIST 생명과학과 정원석 교수와 이준혁 연구원, 한국뇌연구원 신경·혈관단위체연구그룹 박형주 책임연구원과 김지영 연구원이 '새로운 뇌 항상성 유지 기전'에 기반한 기억 형성 원리를 처음으로 규명했다. 연구결과는 국제 학술지 '네이처'에 지난해 12월 23일 게재됐다.

5일 KAIST에 따르면 연구팀은 신경교세포 중 가장 숫자가 많은 별아교세포가 발생시기 때 시냅스를 먹어서 없앤다는 선행 연구결과에 착안해 성체 뇌에서도 별아교세포가 불필요한 시냅스를 제거함으로써 학습 및 기억에 중요한 해마 내 흥분성 시냅스 및 회로를 유지한다는 사실을 증명했다.

사람의 뇌에서 기억을 담당하는 해마의 경우, 성인 해마에서 학습 및 기억 형성 중에 시냅스 재구성이 활발히 일어나는데 시냅스가 어떻게 사라지는지, 시냅스 제거가 학습과 기억과정 중에 어떠한 역할을 수행하는지는 그동안 규명되지 않았다.

연구팀은 신경교세포의 시냅스 포식 현상에 대한 확인 방법인 전자 현미경 또는 시냅스 염색법 대신  시냅스에 산성화 감지가 가능한 형광단백질 조합(m체리-eGFP)으로 구성된 바이러스 기반 시냅스 포식 리포터를 개발해 적용했다.

기존의 방법은 신경교세포에 의해 먹힌 시냅스가 세포 내 산성 소화기관에서 급속히 분해되기 때문에 잔여 시냅스를 표시하고 관찰하는 데 한계가 있다는 판단 때문이다.

연구팀은 새로 개발한 방법을 통해 기존에 관찰할 수 없었던 현상인 별아교세포가 성인 해마에서 시냅스를 지속적으로 제거하며 특히 흥분성 시냅스를 더 많이 제거하고 있다는 사실을 발견했다.

또 '뇌의 면역세포'라고 불리는 미세아교세포보다 별아교세포가 주도적으로 정상 해마의 흥분성 시냅스를 제거하고 있음을 확인하면서 미세아교세포가 시냅스를 제거하는 주된 세포라는 기존 학설과는 다른 결과를 얻었다.

특히 미세아교세포를 제거했을 때는 시냅스의 수가 변하지 않았지만 해마의 별아교세포가 시냅스를 먹지 못하도록 억제했을때 비정상적인 시냅스가 과도하게 급증가하고, 정상적인 해마 뇌 회로의 기능과 기억형성이 저해된다는 것을 처음으로 관찰했다.

또 유전자 변형을 통해 생쥐의 별아교세포의 시냅스 포식 작용을 저해하면 해마 내 시냅스 연결 가소성과 기억 형성에 문제가 생기는 점도 발견했다. 불필요한 시냅스들을 별아교세포가 제거하지 않으면 정상적 학습과 기억 능력이 유지되지 못한다는 것을 의미한다.

연구팀은 이 연구성과를 토대로 별아교세포에 의한 성인 뇌의 흥분성 시냅스 재구성이 정상적 신경회로망 유지 및 기억 형성에 필수적인 메카니즘이라는 것을 최초로 제시했다.

해당 기전은 향후 뇌기능 및 관련 신경 회로의 항상성 유지에 관한 다양한 연구들에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

연구팀은 "비정상적인 수준의 시냅스 수 변화는 자폐와 조현병, 전 측두엽 치매 등 다양한 신경질환의 유병률과 연관성이 높다"며 "시냅스 수를 정상으로 회복하기 위해 별아교세포가 시냅스를 먹는 현상을 조절하는 것이 관련 뇌 질환을 치료하는 새로운 전략이 될 수 있다"고 말했다.

한편, 이번 연구는 삼성미래기술육성재단, 뇌원천기술개발사업, 한국뇌연구원 기관고유사업 등의 도움을 받아 진행됐다.