촉감 지각 능력 조절 원리 규명… 별세포의 인지 기능 역할 밝혀
① 시상 별세포에서 DAO효소가 퓨트리신(putrescine)을 GABA로 바꾸어 준다.
② 생성된 GABA는 Best1 통로로 별세포 밖으로 분비된다.
③ GABA는 시상피질 신경세포(Thalamocortical neuron)의 α4β2δ수용체에 붙어 주변 신경세포의 활성과 대사를 억제한다.
④ 신경세포의 신호 처리 효율이 높아진다.
⑤ 촉감 지각 능력(촉감 민감도)이 향상된다. 이 때 GABA 분비를 줄이면 신경세포의 촉감 지각 능력이 감소하는 반면, GABA 양을 늘릴 경우 촉감 지각 능력이 증가한다.
날카로운 물체를 만지면 순간적으로 손을 떼게 된다. 이렇듯 촉감은 생명체가 위험을 피하고 손상된 신체부위를 보호하는 등 외부 자극에 적절히 대처하도록 한다. 그러나 생명 유지에 중요한 촉감 정보 전달이 조절되는 정확한 기작은 알려지지 않았다.
기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 인지 및 사회성 연구단 이창준 단장 연구팀은 연세대학교 생명공학과 정은지 교수 연구팀과 별세포(astrocyte)가 촉감을 구분해 반응하는 촉감 지각 능력을 조절함을 밝혔다. 감각정보 전달이 조절되는 원리를 이해해 감각장애 치료의 초석을 마련할 것으로 기대된다.
앞서 연구진은 별세포가 억제성 신경전달물질인 가바(GABA)를 분비해 주변 신경세포에 영향을 준다는 사실을 밝혔다. 이어진 이번 연구에서는 시상 내 별세포가 가바를 분비해 신경세포의 감각신호 전달을 제어함으로써 촉감 민감도를 조절하는 원리를 규명했다.
후각을 제외한 시각·청각·촉각 등 감각 정보는 신경세포를 통해 뇌 시상(thalamus)을 거쳐 대뇌 피질로 전달된다. 시상이 감각신호를 받아들이는 입구이자 전달 통로인 셈이다. 신경세포에 초점을 맞춘 기존 신호 전달 연구와 달리 이번 연구는 뇌에서 가장 많은 수를 차지하는 별모양의 비신경세포인 별세포에 주목했다.
우선 연구진은 시상 내 별세포가 신경세포에 영향을 미치는지 알아보고자 별세포의 가바 분비 여부를 확인했다. 그 결과 다오(DAO) 효소가 가바를 만들어 내며, 생성된 가바가 칼슘에 반응하는 베스트1(Best1) 통로를 통해 분비됨을 확인했다.
나아가 가바가 주변 신경세포의 활성과 대사를 억제하지만 역설적으로 이들 세포가 다양한 감각신호를 정확하고 빠르게 받아들여 반응하도록 돕는다는 사실을 밝혔다. 카메라의 노출값이 지나치게 크면 사진 전체가 백색으로 뒤덮여 사진 속 물체를 식별할 수 없듯, 신경세포가 과활성되면 다양한 자극을 구분할 수 없게 된다.
즉, 가바가 신경세포의 반응 강도를 세분화해 감각신호에 다양하게 반응하도록 하는 것이다. 또한 가바가 시냅스의 정보 통합에 방해가 되는 불필요한 신호(잡음)를 제거하고, 신경세포의 신호 전달 속도를 높여 신호 처리의 효율을 높임을 확인했다.
추가적으로 연구진은 가바의 양이 촉감 지각 능력에 미치는 영향을 알아보고자 80에서 400까지 거칠기 범위를 가진 사포 구분 실험을 진행했다. 다오 효소를 제거해 별세포의 가바 분비를 억제한 쥐는 정상군이 구분했던 180의 거칠기 차이를 구분하지 못했다. 반면 가바 양을 증가시켰을 때 촉감 지각 능력이 향상돼 80의 미세한 거칠기 차이까지 구분해 냈다. 요컨대 시상 내 별세포의 가바 양을 제어해 촉감 지각 능력을 조절할 수 있음을 밝힌 것이다.
정은지 교수는 “촉감 지각 능력을 조절하는 새로운 뇌 기전을 밝혔다”며 “이번 연구로 감각 인지 기능 연구의 새로운 방향성을 제시했다”고 전했다.
이창준 단장은 “신경세포뿐 아니라 별세포도 인지 기능에 중추적 역할을 함을 보여줬다”며 “별세포의 새로운 역할을 밝혀내 감각 장애를 비롯한 다양한 뇌 질환 치료에 획기적인 돌파구를 열 것”이라 전했다.
이번 연구 성과는 국제학술지 뉴런(Neuron, IF 14.415) 온라인 판에 9월 9일 0시(한국시간) 논문명 ‘Astrocytes control sensory acuity via tonic inhibition in the thalamus’, Hankyul Kwak, Wuhyun Koh, Sangwoo Kim, Kiyeong Song, Jeong-Im Shin, Jung Moo Lee, Elliot H. Lee, Jin Young Bae, Go Eun Ha, Ju-Eun Oh, Yongmin Mason Park, Sunpil Kim, Jiesi Feng, Seung Eun Lee, Ji Won Choi, Ki Hun Kim, Yoo Sung Kim, Junsung Woo, Dongsu Lee, Taehwang Son, Soon Woo Kwon, Ki Duk Park, Bo-Eun Yoon, Jaeick Lee, Yulong Li, Hyunbeom Lee, Yong Chul Bae, C. Justin Lee, Eunji Cheong 등으로 게재됐다.