기억력 좋은 사람, 태어날 때부터 일부 결정

- 해마의 상세한 신경망 분석을 통해 신천적으로 같은 시기에 발생한 자매

   세포간의 긴밀한 네트워킹 확인

- 3차원 영상 분석기술 "엠그래스프"를 통해 살아있는 상태의 쥐의 뇌를

  시냅스 수준에서 분석

해마는 뇌에서 기억과 공간개념을 관장하는 중요한 부분이다. 해마를 구성하는 신경세포들의 접합부인 시냅스는 서로 끊임없이 신호를 주고 받음으로써 이러한 능력을 발휘한다. 국내 연구진이 뇌를 시냅스 차원에서 분석하여 특정 세포간의 연결이 더 밀접하다는 사실을 발견했다. 연구진은 또한 그러한 신호 패턴을 보이는 특정세포들이 선천적으로 같은 시기에 발현된 자매세포(sister cells)임을 밝혔다.

한국과학기술연구원(KIST) 기능커넥토믹스연구단 김진현 박사팀이 국내유치 해외연구원 린칭팽(Linqing Feng, 제 1저자) 박사와 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 세계수준의 연구센터(WCI) 사업의 일환으로 수행되었으며, 신경과학 분야의 권위있는 학술지인 ‘Neuron’ 온라인판에 1월 9일 게재되었다. (논문명 : Structured synaptic connectivity between hippocampal regions)

연구팀은 최근 개발한 mGRASP 기술(엠그래스프, 2012년 Nature methods지에 게재)에 3차원 영상 분석 소프트웨어 (2012년도 Bioinformatics 지 게재)를 접목하여 해마에서 기억과 학습에 밀접하게 관련이 있다고 알려진 부위의 신경연결망을 3차원으로 시각화하였다.

CA3에서 CA1 영역의 신경세포들은 해마에서 기억과 학습영역에 밀접하게 관련이 있는 부위로 알려져 있다. 연구팀은 mGRASP기술을 통해 상세한 신경신호가 시냅스에서 어떻게 전달되는지를 밝힐 수 있었다.

   * 해마는 크게 DG, CA3, CA1 으로 불리는 세부 부위로 나누어진다.  주된 신호 전달 방향은DG→CA3→CA1 으로 이루어진다. 본 연구에서는 CA3와 CA1 영역의 신경세포들을 사용하였다.

그동안 뇌의 해마부위를 구성하는 신경세포들에서 신호가 어떻게 전달되는지, 연결 구조를 밝히는데 어려움이 있었다. 따라서 1:1의 단순한 구조나 균등한 연결망을 이룬다는 가설이 지배적이었다. 연구팀은 CA3, CA1 영역의 세포들의 시냅스에서 이 가설을 분석한 결과, 실제로는 특정 세포간의 연결성이 더 강하다는 사실을 발견했다. 연구팀은 더 나아가 이러한 연결패턴은 같은 발생시기에 태어난 “자매세포 (sister cells)”간에 두드러지게 나타난다는 것을 발견했다. 자매세포 간에는 시냅스의 신호전달이 더 활발하게 일어난다는 뜻이다.

   * 자매세포 : 발생중 한 세포의 분열에 의하여 생긴 한쌍의 세포들, 자매세포는 배아 상태에서 결정되어 각각의 뇌 특정부위로 이동하여 출생후에도 분자생물학적 공통성을 내재하고 있다.

연구진은 시냅스에서 신호전달 패턴이 고도로 조직화된 패턴으로 이루어지고, 자매세포라는 선천적 특성이 이러한 정보 처리 과정에 연관이 있다는 것을 밝혔다. 이는 자매세포라는 프레임이 구조적으로 잘 구축된 사람이 그렇지 않은 사람보다 기억력이 좋을 수 있는 가능성을 보여준다. (그림 3 참고)

김진현 박사는 “mGRASP라는 신경망 지도를 그릴 수 있는 새로운 기법을 활용하여 기존보다 정확하고 빠른 신경망회로 분석이 가능했고, 이를 통해 학습기억 습득에 선천적인 영향이 있음을 밝힐 수 있었다”며, “향후 이와 같은 연구가 뇌의 특정 부위에 특화된 약물 타겟팅 및 뇌질환 진단에 이용될 수 있을 것으로 예상된다.”고 밝혔다.

○ 그림설명

<그림 1> 20nm 간격의 시냅스를 광학현미경으로 살아있는 시냅스에서 획기적 쉽게 찾아낼 수 있는 mGRASP(mammalian GFP Reconstitution Across Synaptic Partners) 기술을 보여주는 모식도

<그림 2> mGRASP기술을 이용한 해마의 신경세포 CA3에서 CA1 연결망, CA3에서 보낸 신호가 CA1으로 연결된다. 엠그래스프 기술을 활용하면 시각화가 가능하다

 

 

 

 

<그림 3> 세포수준(A)과 수상돌기수준(B)에서 신경망회로 연결성 패턴을 알기 위해 설정한 가설들, 왼쪽은 1:1로 연결되는 모습, 오른쪽은 특정 연결패턴으로 신호가 전달되는 모습. 연구 결과 오른쪽 가설이 옳다는 것을 증명되었다

 

 

 

 

<그림 4> mGRASP기술과 분석 소프트웨어를 이용한 해마의 CA3에서 CA1 연결망을 3차원으로 가시화한 이미지