KAIST, 기억저장 세포의 뇌 지도 제작 기법 최초 개발
KAIST, 기억저장 세포의 뇌 지도 제작 기법 최초 개발
  • 장영래 기자(adjang7@hanmail.net)
  • 승인 2022.06.02 22:30
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【메사추세츠=코리아플러스】 장영래 기자 = 국내 연구진이 기억을 저장하는 다양한 뇌 부위 세포들의 분포를 지도로 제작하는 기법의 개발에 최초로 성공했다.

KAIST(총장 이광형)는 바이오및뇌공학과 박영균 교수 연구팀이 메사추세츠 공과대학(MIT) 정광훈 교수 및 스스무 도네가와(Susumu Tonegawa) 교수 공동연구팀과 함께 단일 기억을 저장하는 세포들을 생쥐의 뇌 전체에서 매핑하는 기법을 개발하고, 이를 통해 공간 공포 기억을 저장하는 새로운 뇌 부위 세포들을 발견했다고 2일 밝혔다.

기억은 주로 몇몇 뇌 부위에 국한해 연구돼왔다.

예를 들어 공포 기억은 편도체, 공간 기억은 해마의 세포들에 저장된다고 생각돼왔으며, 해당 뇌 부위들이 주로 연구됐다.

하지만 단일 기억이 다양한 뇌 부위에 나누어 저장될 것이라는 가설도 제시돼왔는데, 이러한 가설은 기억을 저장하는 세포들의 분포를 뇌 전체에서 확인(매핑)함으로써 확실한 검증이 가능하나, 이는 기술적 한계로 이뤄지지 못했다.

공동연구팀은 기존 팀이 개발한 전뇌 투명화 기술(SHIELD) 및 초고속 전뇌 면역염색 기술(eFLASH)을 통해, 공간 공포 기억을 학습한 생쥐에서 기억의 학습과 회상 시 모두 활성화된 세포들을 뇌 전체에서 매핑했다.

이를 통해 공간 공포 기억을 저장하고 있을 확률이 높은 뇌 부위의 세포들을 생쥐 뇌 전체에서 찾아낼 수 있었다.

이후 해당 세포들을 광유전학적 방법으로 조절해 해당 세포들에 공간 공포 기억이 저장됐음을 확인함으로써, 공간 공포 기억을 저장하는 7개의 새로운 뇌 부위와 세포들을 연구팀은 찾아낼 수 있었다.

그렇다면 기억에 다양한 뇌 부위의 기억저장 세포들이 모두 필요한 것일까?

연구팀은 이를 확인하기 위해, 화학유전학 기법을 통해 다양한 뇌 부위의 기억저장 세포들을 한꺼번에 자극해 보았으며, 그 결과 뇌의 한 부위의 기억저장 세포를 자극했을 때와는 다르게, 자연적인 기억 회상에 가까운 기억의 완전한 회상이 유도됨을 확인했다.

이는 다양한 뇌 부위의 기억저장 세포들의 활성이 기억에 모두 필요함을 의미한다.

박영균 교수는 "이번 연구는 연구팀이 기존에 개발한 기술들에 힘입어 기억저장 세포의 매핑을 최초로 실현하고, 이를 통해 단일 기억이 다양한 뇌 부위 세포들에 흩어져 저장됨을 증명한 데 의의가 있다ˮ며, "이번 연구에서 밝혀진 기억저장 세포의 뇌 지도는, 각 뇌 부위의 세포 및 세포 간 상호작용이 기억에 있어 각각 어떠한 세부적인 기능을 하는지에 관한 연구를 촉진함으로써, 기억의 메커니즘에 대한 완전한 이해를 도울 수 있다ˮ고 말했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 `네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 지난 4월 4일 자로 게재됐다(논문명: Brain-wide mapping reveals that engrams for a single memory are distributed across multiple brain regions)

기억은 다양한 뇌 기능과 질병에 관련되어 있으며, 따라서 기억의 기작 연구는 뇌를 깊이 이해하고 이를 실생활에 적용하는데 매우 중요하다.

100여년 전 Richard Semon에 의해 기억저장소(Engram)라는 개념이 제시된 이후, 기억의 저장소를 찾기 위한 노력들이 이어졌고, 이는 기억저장 세포의 발견으로 이어졌다.

특히 학습 시 활성화된 세포를 특이적으로 조절할 수 있는 기술은 특정 세포가 기억저장세포라는 강력한 증거를 제공함으로써, 기억저장 세포의 발견을 가속화하였다.

기억 저장세포에 대한 연구결과가 축적됨에 따라, 단일 기억이 다양한 뇌 부위에 나누어 저장된다는 증거들이 발견됐다.

이를 확증하고, 개별 뇌 부위의 기억저장세포들의 역할에 대한 세부 연구를 위해서는 기억저장세포를 뇌 전체에서 매핑하는 것이 필수적이나, 기억저장 세포의 전뇌 매핑은 기술적 한계로 지금껏 실현되지 못하였다.

본 연구팀은 뇌 전체를 투명화하여 그 안의 세포들을 시각화할 수 있는 기술(SHIELD; 2019년 Nature Biotechnology에 게재)과, 뇌 전체를 고속으로 면역염색할 수 있는 기술 (eFLASH)를 기존에 개발한 바 있다.

본 연구에서는 이 기술들을 통해 생쥐가 공간학습 기억을 학습할 때와 회상할 때 모두 활성화되는 신경세포들을 뇌 전체에서 매핑했다.

기억 학습과 회상 때 모두 활성화 됨은 해당 세포들이 기억을 저장하고 있다는 강력한 증거이기에, 본 매핑은 기억저장세포를 높은 확률로 전체 뇌에서 매핑할 수 있는 기법이다.

나아가 해당 매핑으로 발견된 세포들이 실제 기억저장 세포로서 기능함을 확증했다.

매핑으로 발견된 기억저장 세포들을 광유전학적 기법을 사용해 조절했고, 기억 회상이 유도됨을 확인하였다. 이는 본 연구팀의 기억저장 세포 매핑법의 신뢰성을 더해주는 결과이다.

본 연구는 기억이 다양한 뇌부위의 세포들에 흩어져 저장된다는 Engram complex 가설을 지지하며, 다양한 뇌 부위의 세포들이 기억의 저장과 회상에 있어 협력하는 관계임을 암시한다.

이를 확인하기 위해, 실제 단일 기억을 저장하는 다양한 뇌 부위의 세포들이 모두 기억 회상에 필요한 것인지 실험을 통해 확인해 보았다.

기억저장 세포의 활성화는 기억 회상을 유도할 수 있다 알려져 왔다. 하지만 한 뇌 부위의 기억저장 세포를 활성화 해서는, 실제 자연적인 기억회상보다 적은 부분의 기억만 회상할 수 있음이 알려져 왔다.

본 연구팀에서 발견한 다양한 뇌 부위의 기억저장 세포들을 한꺼번에 활성화 시켰을 때, 자연적인 기억회상과 비슷한 수준의 기억이 회상됨을 관찰할 수 있었다. 이는 단일 기억을 저장하는 다양한 뇌 부위의 기억저장세포들이 협력하여 기억저장과 회상에 관여함을 뜻한다.

본 연구는 저희가 개발한 기술들에 힘입어 기억저장 세포의 매핑을 최초로 실현하고, 이를 통해 단일 기억이 다양한 뇌 부위 세포들에 흩어져 저장됨을 증명한 데 의의가 있다.

한편 본 연구에서 밝혀진 기억저장 세포의 뇌 지도는, 각 뇌 부위의 세포 및 세포 간 상호작용이 기억에 있어 각각 어떠한 세부적인 기능을 하는지에 대한 연구를 촉진함으로써, 기억의 기작에 대한 완전한 이해를 도울 수 있다.


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