살아있는 동물서 '시냅스' 변화 실시간 관찰 성공…뇌질환 원인 찾는다

KAIST·존스홉킨스·기초과학연구원 공동 연구

시냅샷의 모식도와 신경세포에서 관찰된 시냅스 현미경 사진. KAIST 제공.

과학자들이 신경세포 사이 물질이 오가는 부위인 '시냅스'의 형성과 변화 과정을 살아있는 동물에서 실시간으로 관찰하는 데 성공했다. 시냅스 변화로 발생하는 질환의 원인 등을 규명하는 데 도움이 될 것으로 기대된다. 

KAIST는 허원도 생명과학과 교수 연구팀이 권형배 미국 존스홉킨스 의대 교수 연구팀, 이상규 기초과학연구원(IBS) 인지및사회성연구단 책임연구원 연구팀과 공동 연구를 통해 세계 최초로 시냅스의 형성, 소멸, 변화를 실시간으로 관찰할 수 있는 기술을 개발했다고 9일 밝혔다. 

시냅스는 우리 뇌 속에 600조 개가 존재한다. 신경세포 간에 신호를 주고받는 곳에 위치해 있으면서 인지, 감정, 기억 등 다양한 뇌 기능이 조절되도록 돕는다.  

알츠하이머병과 같은 질병이 있거나 노화가 일어나면 시냅스가 감소한다. 시냅스의 구조 변화를 관찰하는 연구가 필요하지만 실시간으로 관찰하는 덴 한계가 있다. 

연구팀은 형광 단백질(ddFP)을 시냅스와 결합해 신경세포 간의 시냅스 연결 과정을 실시간으로 관찰할 수 있는 기술을 개발하고 시냅스와 스냅샷을 조합한 ‘시냅샷’으로 이름붙였다. 연구팀은 시냅샷을 이용해 시냅스 형성, 소멸, 역동적인 변화 과정을 실시간으로 추적하고 관찰하는 데 성공했다. 

허 교수 연구팀은 IBS 연구팀과 함께 진행한 연구를 통해 초록과 빨강 형광을 띠는 시냅샷을 디자인해 두 개의 서로 다른 신경세포와 연결된 시냅스를 쉽게 구별할 수 있었다. 또 빛으로 분자의 기능을 조절할 수 있는 광유전학 기술을 융합해 신경세포의 특정 기능을 빛으로 조절했고 시냅스에서 일어나는 변화를 관찰했다. 

존스홉킨스대 연구팀과는 동물실험을 진행했다. 생쥐에게 시각적 구별 훈련, 운동 및 마취 등 여러 상황을 유도하고 각 과정에서 시냅스 변화를 실시간으로 관찰했다. 그 결과 각각의 시냅스가 상당히 빠르고 역동적으로 변화함을 확인할 수 있었다. 살아있는 포유류의 시냅스 변화를 세계 최초로 관찰한 것이다. 

연구팀이 개발한 기술은 생애주기별 시냅스의 형성과 소멸 과정에서 어떤 문제가 생겼을 때 뇌 발달 장애 및 퇴행성 뇌 질환 등으로 이어질 수 있는지 규명하는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 

허 교수는 “국내외 연구팀과 공동연구를 통해 시냅샷 기술로 과거에는 구현하기 어려웠던 시냅스의 빠르고 역동적인 형성과 변화를 직접 관찰할 수 있는 가능성을 열었다”며 “뇌과학 연구분야의 연구방법론에 혁신을 가져올 것으로 예상되며 뇌 과학의 미래를 밝히는 중요한 역할을 할 것”이라고 말했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 메쏘드’에 8일 온라인 게재됐다. 

(왼쪽부터) 허원도 KAIST 교수, 권형배 존스홉킨스대 교수, 이상규 IBS 책임연구원, 손승규 KAIST 박사과정생, 이진수 KAIST 박사과정생. KAIST 제공.

[문세영 기자 moon09@donga.com]