‘손전등’을 머리에 대면 ‘공간 기억 능력’ 높아진다

쥐 머리에 청색 빛을 비춰주면 쬐어주면 세포 내부의 칼슘이 증가하고, 이는 c-Fos 단백질발현으로 이어진다. 쥐 머리에 청색 빛을 비춰준 경우, 몬스팀원(monSTIM1)에서는 c-Fos 단백질 발현이 관찰된다. (IBS 제공)© 뉴스1

국내 연구진이 수술 없이 빛을 머리에 비춰 공간 기억 능력을 향상시키는 기술을 개발했다.

기초과학연구원(IBS) 인지 및 사회성 연구단 허원도 초빙연구위원과 신희섭 단장 연구팀은 ‘광유전학’ 기술을 사용, 머리에 빛을 비춰 뇌신경세포 내 칼슘 농도를 조절함으로써 공간 기억 능력을 향상시키는 비침습(비수술)적인 기술을 개발했다고 21일 밝혔다.

연구에 사용된 ‘광유전학’ 기술은 최근 뇌과학 분야의 다양한 실험에 이용되고 있다. 과학자들은 해당 기술로 쥐의 공격성과 공포감, 성욕, 식욕을 증감시키는 등 각종 행동 기전을 밝혀왔다. 이로써 인간 뇌의 실마리를 찾도록 돕고 있다.

옵토스팀원 기술은 빛을 이용해 수술을 하지 않고도 세포의 기능을 조절하는 광유전학 기술이다. 수술에 비해 비침습적이지만 생체 내에 광섬유를 삽입하여 빛을 뇌 조직 내로 전달하는 과정이 필요하다.

연구팀은 옵토스팀원 기술에서 사용된 광수용체 단백질의 유전자를 변형시켜 빛에 대한 민감도를 55배 증가시킨 몬스팀원(monSTIM1) 기술을 개발했다. 나아가 해당 기술로 수술 없이 살아있는 쥐 머리에 손전등 강도(1㎷/㎜)의 빛을 비추는 것만으로도 뇌신경세포 내 칼슘 농도를 증가시키고 공간 기억 능력을 향상시키는 데 성공했다.

칼슘은 세포의 이동과 분열, 유전자 발현, 신경 전달 물질 분비, 항상성 유지 등에 폭넓게 관여한다. 세포 내 칼슘 양이 부족해지면 인지장애, 심장부정맥 등 다양한 질환으로 이어질 수 있다.

연구팀은 몬스팀원 기술을 이용해 살아있는 쥐의 전대상 피질의 흥분성 신경 세포의 칼슘 농도를 조절하고, 공간 공포 행동 실험을 진행했다. 이때 공간 공포 행동 실험을 위해 실험 공간에서 쥐에게 전기자극을 주었다. 이후 머리뼈 근처 뇌 피질뿐만 아니라 뇌 깊숙하게 위치한 해마와 시상에 위치한 뇌신경세포 내 칼슘 농도 증가를 관찰했다.

허원도 IBS 인지 및 사회성 연구단 초빙연구위원(IBS 제공)© 뉴스1

그 결과 공포감이 느껴질 공간에 쥐를 놓았더니 몬스팀원 기술을 적용한 실험군 쥐가 대조군 쥐에 비해 공포감을 더 많이 느끼는 것을 발견했다. 뇌신경세포 내 칼슘 농도가 증가하고 공간 기억 능력이 향상된 것이다.

몬스팀원 기술을 이용하면 빛 자극으로 쥐의 생리현상에 지장을 주지 않으면서 뇌신경세포의 칼슘 농도를 실시간으로 조절할 수 있다. 이를 통해 수술 없이 살아있는 동물의 뇌신경세포를 조절하는 것뿐 아니라 세포 수준에서 개체 수준까지 칼슘의 역할이나 칼슘에 의한 신경행동적인 변화를 규명하는 연구에 활용될 전망이다.

허원도 초빙연구위원은 “이 기술이 뇌세포 칼슘 연구, 뇌인지과학 연구 등에 다양하게 적용되길 바란다”고 말했다.

이번 연구성과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’에 온라인 게재됐다.


(서울=뉴스1)