뇌 ‘ 멀티 반응 ’ 의 비밀 은 ? – Sciencetimes 
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 뇌 ‘ 멀티 반응 ’ 의 비밀 은 ? 
 단백질 이 시냅스 연결 강약 조절 해 균형 유지 
 우리 뇌 는 매우 유연 하 거나 혹은 가소 성 ( plasticity ) 이 높 다고 널리 알려져 있 다 . 새로 대처 해야 할 문제 가 생겼 을 때 다른 뉴런 들 과 연결 을 강화 해 신속 하 게 일 을 수행 할 수 있 기 때문 이 다 . 그러나 어떤 연결 성 이 강화 되 면 뉴런 들 은 그 에 압도 당하 지 않 도록 보상 을 하 고 균형 을 유지 하 는 것 으로 신경 과학자 들 은 추측 해 왔 다 . 
 미국 매서 추세 츠 공대 ( MIT ) 피카 워 연구소 연구 진 은 새로운 연구 를 통해 이 같 은 균형 이 어떻게 이루어지 는가 를 처음 으로 밝혀냈 다 . 즉 , 한 신경 세포 와 다른 신경 세포 의 접합부 인 시냅스 연결 이 강화 되 면 아크 ( Arc ) 라 불리 는 중요 한 단백질 작용 에 따라 인접 시냅스 들 이 즉각 약화 됨 으로써 균형 이 유지 된다는 것 이 다 . 
 이 연구 는 과학 저널 ‘ 사이언스 ’( Science ) 22 일자 에 발표 됐 다 ( 관련 동영상 ) . 
 온전 한 뇌 에서 2 - 광자 현미경 으로 영상 화 한 뒤 ( 왼쪽 ) 전자 현미경 으로 재 구축 한 ( 오른쪽 ) 수상돌기 와 그 가지 ( 돌기 ) 들 모습 . CREDIT : Mriganka Sur , et . al . 
 “ 순식간 에 방향 전환 하 는 물고기 떼 규칙 과 같 아 ” 
 논문 시니어 저자 인 므리강카 수르 ( Mriganka Sur ) 뇌 및 인지 과학 과 교수 는 그 의 연구 팀 이 뇌 와 같 은 복잡 한 시스템 의 핵 심부 에서 간단 하 고 기본 적 인 규칙 을 발견 했 다는 사실 에 흥분 하 면서 도 놀라 지 는 않 았 다 . 뇌 에서 는 1000 억 개 의 뉴런 들 이 각각 끊임없이 변화 하 는 수천 개 의 시냅스 를 가지 고 있 다 . 
 그 는 이 간단 한 기본 규칙 을 수많 은 물고기 떼 가 한꺼번에 갑자기 방향 을 바꿀 수 있 는 것 에 비유 했 다 . 물고기 떼 는 선도 물고기 가 방향 을 바꾸 면 뒤 에 있 는 물고기 들 은 바로 앞 에 있 는 물고기 가 하 는 대로 따라 하 는 단순 한 규칙 을 지킨다는 것 이 다 . 
 수르 교수 는 “ 복잡 한 시스템 에서 집단 적 인 행동 은 항상 간단 한 규칙 을 따른다 ” 며 , “ 한 시냅스 의 부하 가 올라가 면 명확 한 분자 메커니즘 을 사용 해 주위 50 마이크로미터 안 에 있 는 시냅스 들 의 강도 가 줄어든다 ” 고 설명 했 다 . 
 그 는 이번 발견 이 , 뉴런 에서 시냅스 의 강약 이 어떻게 결합 돼 뇌 의 가소 성 을 생성 하 는가 를 설명 해 준다고 말 했 다 . 
 전갱이 무리 가 멸치 떼 를 포식 하 기 위해 다가가 고 있 는 모습 . 멸치 떼 는 포식자 를 피하 기 위해 앞 물고기 를 뒤따라가 는 간단 한 규칙 으로 움직인다 . CREDIT : Wikimedia Commons / Bruno de Giusti 
 간단 한 규칙 발견 위해 ‘ 복잡 한 ’ 실험 수행 
 연구 팀 이 발견 한 규칙 은 간단 하 지만 이 를 밝혀낸 실험 은 그리 간단 치 않 았 다 . 연구 팀 이 실험 용 쥐 의 두뇌 시각 피질 에서 가소 성 을 활성 화 시키 기 위한 작업 을 하 고 시냅스 에서 어떤 일 이 일어나 는지 를 추적 할 때 논문 제 1 저자 인 새미 엘 - 부스타 니 ( Sami El - Boustani ) 와 자크 팍 칸 이프 ( Jacque Pak Kan Ip ) 박사 후 연구원 은 수르 교수 연구실 에서 여러 가지 초기 실험 들 을 수행 했 다 . 
 한 핵심 실험 에서 연구 팀 은 뉴런 의 ‘ 수용 영역 ( receptive field ) ’ 혹은 뉴런 이 반응 하 는 시각 부분 을 변경 해 가소 성 을 불러 일으켰 다 . 뉴런 들 은 나뭇가지 처럼 생긴 수상돌기 의 작 은 돌기 에 있 는 시냅스 들 을 통해 입력 신호 를 받 는다 . 연구 팀 은 뉴런 의 수용 영역 을 변경 하 기 위해 뉴런 의 관련 수상돌기 에 있 는 정확 한 돌기 ( spine ) 를 확인 한 다음 뉴런 의 원래 수용 영역 과 는 다른 스크린 의 특정 위치 에 있 는 목표 를 쥐 에게 보여 주 면서 시냅스 의 변화 를 면밀히 모니터링 했 다 . 
 목표물 이 유도 된 새로운 수용 영역 에 위치 할 때 마다 연구 팀 은 쥐 의 시각 피질 안 에 푸른 빛 을 깜박여 마치 또 다른 뉴런 이 그렇게 하 는 것 처럼 여분 의 활동 을 유도 해 뉴런 의 반응 을 강화 했 다 . 뉴런 은 광유 전학 ( optogenetics ) 이 라 불리 는 기술 을 이용 해 빛 깜박임 에 의해 활성 화 되 도록 유전 적 으로 조작 했 다 . 
 연구 팀 은 이 를 계속 반복 했 다 . 빛 자극 은 쥐 의 시계 에서 목표물 이 새로운 위치 에 나타나 는 것 과 상관관계 가 있 었 기 때문 에 , 뉴런 으로 하여금 새로운 수용 영역 을 부호 화 해 수상돌기 가지 ( 돌기 ) 에 있 는 특별 한 시냅스 를 강화 토록 했 다 . 
 엘 - 부스타 니 박사 는 “ 우리 가 온전 한 뇌 에서 단일 뉴런 들 을 재 프로그램 하 고 , 살 아 있 는 조직 에서 이 들 세포 들 이 시냅스 가소 성 을 통해 새로운 기능 들 을 통합 하 도록 하 는 다양 한 분자 메커니즘 을 목격 할 수 있 다는 것 은 매우 놀라운 일 ” 이 라고 말 했 다 . 
 움직이 는 쥐 의 온전 한 뇌 에 있 는 수상돌기 와 그 가지 ( 돌기 ) 가 뻗 어 있 는 모습 을 2 - 광자 현미경 으로 포착 한 모습 ( 동영상 캡처 ) . 적색 형광 단백질 은 수상돌기 의 구조 를 보여 주 고 , 각 돌기 에서 의 칼슘 활성 화 는 녹색 표지자 로 모니터링 됐 다 . 시각 자극 에 반응 하 는 가지 전체 와 특정 돌기 신호 를 관찰 할 수 있 다 . 동영상 CREDIT : Mriganka Sur , et . al . 
 첨단 2 - 광자 현미경 분석 과 고전 적 인 ‘ 단안 박탈 ’ 실험 실시 
 연구 팀 은 새로운 수용 영역 을 담당 하 기 위한 시냅스 들 이 성장 하 면서 2 - 광자 현미경 을 통해 가까운 시냅스 들 이 수축 되 는 모습 을 볼 수 있 었 다 . 그러나 광유 전학 자극 이 결여 된 대 조군 뉴런 에선 이런 변화 를 관찰 하 지 못 했 다 . 
 이 들 은 발견 내용 을 다른 방식 으로 확인 해 보 았 다 . 시냅스 들 은 매우 작 아서 광학 현미경 으로 볼 수 있 는 한계점 가까운 곳 에 있 다 . 실험 뒤 연구 팀 은 조작 한 수상돌기 와 대 조군 뉴런 들 이 포함 된 뇌 조직 을 해부 해 스위스 로잔 연방 공대 의 논문 공저자 들 에게 보냈 다 . 스위스 팀 은 특화 된 고해상도 3 차원 전자 현미경 이미 징 을 수행 해 2 - 광자 현미경 으로 관찰 한 구조 적 차이 가 유효 하 다는 사실 을 확인 했 다 . 
 수르 교수 는 “ 이것 은 생체 내 에서 영상 화 된 뒤 재건 된 가장 긴 수상돌기 ” 라고 말 했 다 . 
 유전 적 으로 조작 된 쥐 의 뉴런 을 빛 반짝임 으로 재 프로그래밍 하 는 것 은 부자연 스런 조작 이 어서 연구 팀 은 좀 더 고전 적 인 , 쥐 의 한쪽 눈 을 가리 는 ‘ 단안 박탈 ’ 실험 을 실시 했 다 . 이 실험 에서 는 감긴 눈 과 관련 된 뉴런 에 있 는 시냅스 들 은 약화 되 고 , 떠 있 는 눈 과 관련 된 시냅스 들 은 강화 된다 . 이어 감겼 던 눈 을 뜨 게 하 면 시냅스 들 이 재 정렬 된다 . 연구 팀 은 이 행동 을 추적 해 시냅스 가 강화 되 면 바로 인접 시냅스 들 이 보상 을 위해 약해진다는 사실 을 발견 했 다 . 
 깨 어 있 는 쥐 에서 2 - 광자 현미경 으로 얻 은 뉴런 의 가지 인 수상돌기 이미지 . 둥근 프로세스 혹은 돌기 는 붉 은 형광 단백질 로 , 아크 단백질 은 녹색 태그 로 표시 돼 있 다 . CREDIT : Mriganka Sur , et . al . 
 아크 ( Arc ) 단백질 의 미스터리 풀 기 
 연구 팀 은 새로운 규칙 을 발견 하 자 뉴런 들 이 어떻게 그렇게 순응 하 는지 를 이해 하 기 위해 연구 력 을 집중 했 다 . 이 들 은 화학 적 태그 를 사용 해 핵심 적 인 ‘ AMPA ’ 수용체 가 시냅스 에서 어떻게 변화 하 는지 를 관찰 하 고 , 더 많 은 AMPA 수용체 가 발현 되 면 시냅스 가 확장 및 강화 되 고 반면 이 수용체 가 덜 발현 되 면 줄어들 고 약해진다는 사실 을 알 았 다 . 
 아크 단백질 은 AMPA 수용체 발현 을 조절 하 기 때문 에 연구 팀 은 무슨 일 이 진행 되 는지 를 완전히 이해 하 기 위해 아크 단백질 을 추적 해야 한다는 사실 을 깨달 았 다 . 수르 교수 는 , 문제 는 아무 도 이전 에 살 아서 행동 하 는 동물 의 뇌 에서 그런 일 을 해 본 적 이 없 다는 점 이 었 다고 말 했 다 . 그래서 그런 일 이 가능 한 화학 적 태그 를 발명 한 일본 교토 대 의학 대학원 과 도쿄대 연구 진과 협력 했 다 . 
 연구 팀 은 이 태그 를 이용 해 강화 된 시냅스 들 이 주변 의 약화 된 시냅스 들 에 둘러싸여 있 다는 것 을 알 수 있 었 다 . 약화 된 시냅스 들 에 는 아크 단백질 이 풍부 하 게 발현 돼 있 었 다 . 아크 단백질 의 양 이 감소 된 시냅스 들 은 더 많 은 AMPA 수용체 를 발현 시킬 수 있 는 반면 인접 한 수상돌기 가지 에 있 는 증가 된 아크 단백질 은 시냅스 들 이 AMPA 수용체 를 덜 발현 시키 도록 만들 었 다 . 
 개별 뉴런 에서 의 학습 과 기억 설명 에 도움 
 이프 박사 는 “ 우리 는 아크 단백질 이 시냅스 자원 의 균형 을 유지 하 는 역할 을 한다고 생각 한다 ” 며 , “ 만약 어떤 것 이 올라가 면 무언가 는 반드시 내려와야 만 하 는데 , 이것 이 아크 단백질 의 주요 역할 ” 이 라고 설명 했 다 . 
 수르 교수 는 그런 점 에서 이번 연구 가 아크 단백질 의 신비 를 풀 었 다고 말 했 다 . 즉 , 이전 에 는 시냅스 가소 성 이 진행 되 는 수상돌기 에서 아크 단백질 이 시냅스 를 약화 시키 는 활동 을 하 면서 왜 상향 조절 되 는 것 으로 나타나 는지 아무 도 몰랐으나 이제 는 그 대답 이 분명 해 졌 다 . 시냅스 강화 는 아크 단백질 을 증가 시켜 인접 시냅스 들 을 약화 시키 는 것 이 다 . 
 수르 교수 는 학습 과 기억 이 개별 뉴런 수준 에서 어떻게 작동 하 는지 를 설명 하 는데 이 규칙 이 도움 을 준다고 덧붙였 다 . 왜냐하면 뉴런 이 다른 뉴런 의 반복 된 시뮬레이션 에 어떻 게 적응 하 는지 를 보여 주 기 때문 이 다 . 
 김병희 객원 기자 다른 기사 보 기 hanbit 7 @ gmail . com 
 저작 권 자 2018 . 06 . 25 ⓒ ScienceTimes 
 2 - 광자 현미경 가소 성광 유전학 수상돌기 시냅스 아크 단백질 
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