- 생명과학과 한진희 교수팀, 같은 경험을 다시 할 때 기존 기억저장 뉴런이 새로운 뉴런으로 교체되는 현상을 최초로 규명
- 퇴행성 뇌질환, 치매 환자 등에 치료법을 열어줄 새로운 패러다임 기대
▲ (왼쪽부터)KAIST 생명과학과 한진희 교수 / KAIST 생명과학과 조혜연 박사
KAIST는 생명과학과 한진희 교수 연구팀이 살아있는 생쥐 뇌에서 기억저장 뉴런(신경 세포)을 표지하고 추적, 관찰할 수 있는 기술을 이용해 같은 경험을 다시 할 때 원래 존재하던 오래된 기억 뉴런이 새로운 뉴런으로 교체됨을 규명했다고 3일 밝혔다.
연구팀은 `뉴런 스위칭'을 가능하게 하는 기작으로 기초과학연구원(IBS) 김은준 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 이전에 경험했던 학습을 다시 하면 기존 기억 뉴런에서 시냅스 연결이 감소하는 반면, 새로 참여하는 뉴런에서는 시냅스 연결이 증가함을 규명했다.
이번 연구는 같은 기억은 같은 뉴런에 계속 저장됨으로써 경험이 누적될 수 있을 것이라는 기존의 통념과 달리, 같은 경험을 다시 할 때 뇌에서 오히려 뉴런들이 다이내믹하게 새로 교체됨을 처음으로 증명했다는 점에서 기존의 패러다임을 전환하는 중요한 학문적 의미가 있다.
뉴런 교체는 기억 업데이트의 중요한 기작으로 생각되며 노화, 퇴행성 뇌질환에서 기억상실을 해결할 수 있는 기술 개발에 대한 새로운 아이디어를 제시한다.
KAIST 생명과학과 조혜연 박사가 제1 저자로 참여한 이번 연구는 셀 프레스(Cell Press) 그룹의 오픈 액세스(Open-access) 학술지 `커런트 바이올로지(Current Biology)'에 10월 22일 字 온라인판에 게재됐다. (논문명: Turnover of fear engram cells by repeated experience)
경험은 기억이라는 형태로 뇌에 저장되고 나중에 회상된다. 또 대부분의 기억은 반복적인 경험을 통해 뇌에서 유지되고 업데이트된다. 뇌에서 기억을 표상하는 물리적 단위가 존재하며 특정 신경 세포 집단(기억 엔그램) 이 기억을 인코딩한다는 사실이 많은 연구를 통해 밝혀졌다.
그렇다면 반복된 경험에 노출되었을 경우 기억을 저장하는 뉴런들에서 어떤 변화가 일어날까? 기존 연구를 통해 같은 학습의 반복으로 형성된 기억은 같은 신경 세포 집단을 통해 계속 저장되고 강화될 것으로 추측돼왔다. 하지만 실제로 신경 세포 수준에서 어떤 변화가 일어나는지 명확히 밝혀진 바가 없었다.
연구팀은 이번 연구에서 생쥐 뇌 편도체(amygdala) 영역에서 기억저장 세포를 표지하고 광유전학 기법으로 조절하는 기술을 이용해 기존의 통념과 달리 첫 학습 하루 후에 같은 학습을 반복했을 때 `같은' 기억이 전혀 다른 세포들을 통해 다시 저장되고 회상되는 현상을 발견했다. 반복 학습된 기억이 첫 번째 학습으로 형성된 기억 엔그램을 억제하는 동안에도 정상적으로 발현되는 것을 확인한 것이다.
반복 학습 후에 기존 엔그램에서 *시냅스 가소성이 감소한 것으로 보아, 경험이 반복되면 기존의 기억 엔그램이 기억 회로상에서 연결이 약해지기 때문에 기억 발현에 관여하지 않는다는 것을 알 수 있었다.
☞ 시냅스 가소성(Synaptic plasticity): 시냅스는 신경 세포 간의 정보가 전달되는 구조적인 장소를 말하는데, 시냅스는 그 활성 정도에 따라 구조와 기능이 지속적으로 변화 가능하며 이를 시냅스 가소성이라 부른다.
이처럼 기존 기억 엔그램이 반복 학습된 공포 기억에 필요하지는 않았지만 흥미롭게도 기존 기억 엔그램을 광유전학 기법으로 자극했을 땐 공포 반응이 나타났다. 기존 기억 엔그램의 연결이 약해졌음에도 불구하고 여전히 기억 정보를 간직한 채 `휴면 엔그램 (silent engram)'으로 존재한다는 것을 확인한 결과였다.
또한 연구팀은 반복 학습된 공포 기억이 두 번째 학습 때 활성화된 편도체 뉴런들에 새로 저장된다는 것을 보임으로써 같은 경험의 기억이 처음과 다른 세포 집단에 인코딩된다는 사실을 추가로 입증했다.
한진희 교수는 "이번 연구 결과는 기억은 고정돼 있는 것처럼 보이지만 뇌에서 그 기억을 저장하는 세포들은 다이내믹하게 스위칭 된다는 새로운 패러다임을 제시하는 중요한 발견이다ˮ며, "앞으로 기억 뉴런을 표적으로 해서 원하지 않는 기억 삭제 및 퇴행성 뇌질환에서 기억상실 억제, 복원을 가능하게 하는 미래 기억제어 기술 개발에 도움을 줄 것ˮ이라고 말했다.
한편, 이번 연구는 삼성미래기술육성재단의 지원을 받아 수행됐다.
□ 용어 설명
1. 기억 엔그램 (Memory engram)
ㅇ 뇌에서 기억을 표상 물리적 단위. 특정 신경 세포 집단에 의해 기억이 인코딩된다고 알려져 있다.
2. 편도체 (Amygdala)
ㅇ 대뇌의 측두엽 쪽 변연계에 존재하는 아몬드 모양의 뇌 부위이다. 감정 조절과 공포 및 불안에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 감정과 관련된 기억을 인코딩하는 역할을 한다.
3. 청각 공포 조건화 (Auditory fear conditioning)
ㅇ 원래는 공포 반응을 일으키지 않는 중립 자극인 소리와 공포 반응을 유발하는 무조건자극인 전기 자극을 동시에 줌으로써 두 자극 간의 연합 기억이 생기게 하는 동물 행동실험 패러다임이다. 조건화 학습 이후 소리만으로도 공포 반응이 유발되며, 소리를 조건자극이라 한다.
4. 광유전학 (Optogenetics)
ㅇ 빛을 이용하여 뉴런의 활성을 조절하는 신경생물학 기술이다. ChR2 (channelrhodopsin)나 NpHR (halorhodopsin)과 같이 빛에 의해 작동하는 광반응 단백질을 동물의 뇌세포에 발현한 뒤, 실시간으로 빛을 조사하여 뉴런의 활성을 조절하는 기술이다.
5. 시냅스 가소성 (Synaptic plasticity)
ㅇ 뉴런과 뉴런을 이어주는 시냅스에서 신호 전달 강도가 변하는 현상을 말한다.
그림설명 : 반복적인 소리 공포 조건화 학습으로 재배치되는 기억 엔그램. 기존 엔그램 세포의 시냅스 가소성이 감소하며 연결성이 약해지고 새로운 엔그램이 형성되어 공포 기억을 표상한다.
