뇌세포 자극 준뒤 급속냉동…신경세포 소통 순간 포착했다

"파킨슨병 등 퇴행성질환 원인 규명"

자극 직후 100밀리초(ms, 1ms는 1000분의 1초) 만에 동결된 인간 뇌 조직. 세포 내부에 신경전달물질 등이 담긴 소포들(작은 동그라미들)이 보인다. Chelsy Eddings 제공

과학자들이 신경세포에 자극을 주고 '급랭'하는 기술을 통해 두 뇌세포가 소통하는 순간을 포착했다. 기존 방식으로는 연구가 어려웠던 신경 신호의 전달 과정을 조사해 파킨슨병 등 신경계 질환의 원인을 규명할 기반 기술로 기대된다.

시게키 와타나베 미국 존스홉킨스의대 세포생물학과 교수팀은 뇌세포에 자극을 주고 즉시 동결하는 기법으로 뇌세포 사이의 통신 과정을 관찰하는 데 성공하고 연구결과를 24일(현지시간) 국제학술지 '뉴런'에 공개했다.

신경퇴행성 질환의 원인을 알아내려면 세포 사이의 소통이 어디서 단절되는지 파악하는 것이 중요하다. 대표적인 퇴행성 뇌신경질환인 파킨슨병은 보통 두 뇌세포 사이의 신호 전달 지점인 시냅스에서 장애가 발생하는 것이 특징이다. 

세포 내에서 신경전달물질 등을 담아 시냅스를 통해 다른 세포로 방출하는 운반체인 소포는 정보 처리, 학습, 기억 형성 과정의 핵심적인 요소다. 소포가 세포막과 융합되면서 소포 내부의 물질이 외부로 방출되는 원리다.

연구팀은 시냅스에서 소포의 생성과 움직임을 자세히 관찰하기 위해 전기 펄스로 살아있는 뇌 조직을 자극하고 즉시 조직을 급속 냉동해 전자현미경으로 세포 움직임을 포착하는 '잽 앤 프리즈(zap-and-freeze)' 기법을 개발했다. 연구결과는 2020년 국제학술지 '네이처 뉴로사이언스'에 공개됐다.

연구팀은 잽 앤 프리즈 기법으로 건강한 쥐의 뇌 조직 내 신경세포를 자극해 시냅스에서 소포가 세포막과 융합해 신경전달물질을 방출하는 과정을 포착했다. 세포가 신호 전달에 사용된 소포를 재활용하는 과정인 '내포작용'을 관찰하는 데 성공했다.

존스홉킨스병원에서 뇌전증 수술 치료를 받는 환자 6명에게서 채취한 대뇌 피질 조직에서 동일하게 잽 앤 프리즈 방식을 적용한 결과 인간 세포에서도 동일한 시냅스-소포 재활용 경로가 작동하는 것으로 나타났다. 환자의 대뇌 피질 조직은 뇌 해마의 병변을 제거하는 수술 과정에서 동의를 구하고 확보됐다.

살아있는 뇌 조직에서 시냅스 작동 과정을 명확히 시각화하면 신경퇴행성 질환 치료법 개발로 이어질 수 있다는 기대다. 연구팀은 "잽 앤 프리즈 기법이 비유전성 파킨슨병의 근본 원인 규명에 기여할 수 있을 것"이라고 밝혔다. 

와타나베 교수는 "초고속으로 일어나는 내포작용 메커니즘이 쥐와 인간 뇌 조직에서 모두 확인됐다"며 "심부 뇌 자극 치료를 받는 파킨슨병 환자로부터 채취한 뇌 조직 샘플을 연구해 시냅스 소포의 거동을 추가로 연구할 계획"이라고 설명했다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1016/j.neuron.2025.10.03

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]