- 주요국 대비 뒤처진 수소 저장시스템 개발을 위한 원천기술 개발 - 금속수소화물을 활용한 수소에너지 저장용 신소재 개발에 적용 예정 미국과 유럽은 수소를 미래 청정에너지원으로 판단하고 수소생산, 저장, 운송, 활용에 필요한 인프라 구축과 핵심기술 개발에 집중하고 있다. 우리나라는 연료전지 기술의 수준이 매우 높고, 그린수소 생산 등의 분야에서 활발한 연구개발이 이루어지고 있지만, 저장 및 운송 인프라에 대한 기술적, 산업적 기반은 취약한 실정이다. 또한 인구밀도가 높은 지역에 고압가스 기반 수소저장 인프라를 설치하는 것이 현실적으로 어려워 수소에너지의 본격적인 활용은 요원한 상황이다. 각국에서 개발이 진행되고 있는 다양한 수소저장 방식 가운데 금속 수소화물 기반 수소 저장시스템은 수소를 가장 안전하게 저장할 수 있는 방법으로 주목받고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 에너지소재연구센터 천동원, 서진유 박사연구팀이 연세대학교(총장 서승환) 신소재공학과 이규형 교수 연구팀과 함께 전자현미경을 통해 세계 최초로 마그네슘(Mg)과 철(Fe)로 구성된 금속수소화물의 분해과정을 나노미터 스케일의 높은 해상도로 실시간 관찰하는데 성공했다고 밝혔다. 공동 연구팀은 수소원자가 금속 수소화물 고체 내부에 존재하는 초기상태에서 외부로 이동하면서 기체 상태로 바뀌는 과정을 관찰했을 뿐만 아니라 분해과정 이후 금속수소화물 내부에 남아있는 수소의 양을 계산하는데 성공했다. 그 동안 금속수소화물의 물성에 대한 예측은 전자현미경을 통해 관찰한 매우 작은 소재 샘플에서 얻은 결과여서 신뢰성에 대한 의문이 계속되어 왔으나 연구진은 매우 작은 크기의 샘플(100㎚)과 상용화를 위해 제작한 대량의 금속수화물소재 샘플(수㎜)을 비교한 실험에서 같은 현상이 재현됨을 확인했다. 특히 그동안 문제가 되었던 전자빔에 의해 발생하는 샘플손상을 최소화해 금속소재 내부의 수소 이동 과정을 관찰할 수 있게 됨으로써 수소저장 신소재 개발연구가 새로운 국면을 맞이하게 된 것이다. KIST 천동원 박사는 “원자번호 1번인 수소는 전자와 양자를 하나씩 갖고 있기 때문에 전자 혹은 양자의 시그널을 분석하는 현재의 분석기술 수준으로는 수소의 이동을 관찰하기가 어렵다. 이번 연구성과는 고체 내부에 존재하는 수소이동을 관찰할 수 있는 새로운 방법론을 제시했다는 점에서 그 의미를 찾을 수 있다.”고 말하면서, “연구팀이 새롭게 시작한 고체 수소저장시스템 개발을 위한 국가 대형 과제에 본 기술을 적용해 안전한 수소저장 인프라를 구축할 것이며, 이를 통해 일상생활에 수소에너지가 널리 사용될 수 있도록 하는 것이 최종 목표“라고 포부를 밝혔다. 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 한국연구재단 중견연구자지원사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 재료 및 에너지 분야의 권위지인 ‘Advanced Functional Materials’ (IF : 19.924, JCR 분야 상위 : 4.66%) 최신 호에 게재되었다. * (논문명) Real-Time Monitoring of the Dehydrogenation Behavior of a Mg2FeH6-MgH2 Composite by In Situ Transmission Electron Microscopy - (제 1저자) 한국과학기술연구원 김주영 학생연구원 - (제 1저자) 한국생산기술연구원 줄리엔 파도누보 박사후연구원 - (교신저자) 연세대학교 이규형 교수 - (교신저자) 한국과학기술연구원 서진유 책임연구원 - (교신저자) 한국과학기술연구원 천동원 책임연구원 그림설명 [그림1] 수소원자 이동 및 금속수소화물 분해과정 실시간 분석 [그림 2] 금속수소화물 내부 수소관찰을 통한 수소이동도 정량화결과 [그림 3] KIST 천동원, 서진유 박사 연구팀의 김주영 연구원(가운데, 1저자)과 줄리엔 파드누보(우측, 1저자, 현 한국생산기술연구원 박사후 연구원)제조한 수소저장물질의 수소 흡방출 특성을 측정하고 있다.

- 소뇌(cerebellum) 시냅스의 안정적인 학습 매커니즘 규명 - 새로운 광유전학 단백질로 다양한 뇌 부위 특성 연구에 활용 가능 소뇌(cerebellum)는 똑바로 걷거나 눈꺼풀, 눈동자가 움직이는 것과 같이 대뇌의 기능으로 이루어지는 근육운동을 세밀하게 만들고, 조화를 돕는 중요한 뇌 부위이다. 이러한 소뇌의 활동은 그 안에 존재하는 엄청난 양의 신경세포들 간 신호전달의 효율이 변화하고 그 변화를 유지하면서 일어난다. 최근 국내 연구진이 새로운 광유전학 단백질을 이용하여 신경신호의 효율 변화를 유지하는 뇌의 매커니즘 및 작동 타이밍을 규명했다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 뇌과학연구소 기능커넥토믹스연구단 게이코 야마모토 박사 연구팀(제1저자 김태곤 박사, 공동교신저자 유키오 야마모토 박사)은 일상적인 움직임의 미세조정과 운동학습을 담당한다고 알려진 뇌 부위인 소뇌(cerebellum)의 시냅스를 이용하여 소뇌의 학습 매커니즘을 규명하고, 시냅스의 신호 전달 효율의 변화 및 그 변화의 유지를 유발하는 스위치 체계를 발견했다. 시냅스(synapse)는 뇌세포끼리 신호를 전달하는 세포의 작은 부위이다. 시냅스에서는 자극의 세기, 반복 정도 등에 따라 신호의 전달 효율이 달라지고, 결국 똑같은 자극에 대해 정보처리 방식도 점점 달라지게 된다. 이 과정은 새로운 정보를 받아들여 학습하는 과정이고, 안정적인 학습을 위해서는 효율이 변화된 후 유지(장기간시냅스 억제/강화, long-term synaptic depression/potentiation)가 가능해야한다고 알려져 있다. 특히, KIST 게이코 박사팀은 세포내 수송경로(intracellular endosomal pathway)가 정보전달 효율의 변화와 유지의 핵심 기작으로 쓰인다는 그간의 가설을 증명했다. 또한 연구진은 변화한 효율의 유지를 유발하는 스위치 체계를 발견하여 소뇌 시냅스의 학습 매커니즘을 규명했다. 연구진은 푸른빛을 흡수하는 동안만 세포내 수송을 방해하는 새로운 광유전학 단백질 (LOV-Rab7TN)을 개발하였다. 먼저 전기적 자극을 가하여 시냅스억제 스위치를 작동시키고, 이 억제를 유지시키는 스위치가 켜질 것이라 예상되는 특정시점(억제 유도 후 약 15분 후)에 맞추어 빛을 가하여, 세포내 수송을 방해하는 광유전학 단백질을 활성화시켰다. 특정시점을 벗어난 푸른빛은 시냅스 정보전달 효율 변화에 아무런 영향을 미치지 못하고, 유지 스위치 작동시점에 맞추게 되면 성공적으로 시냅스억제를 중단시킬 수 있었다. 소뇌 시냅스는 효율 변화를 일으키는 자극에 항상 노출되어있지만, 변화 스위치와 유지 스위치가 순차적으로 작동하기 때문에 안정적인 학습이 가능해진다는 결론을 얻을 수 있었다. 연구진은 기존의 이론인 지속적으로 상태를 유지시켜주는 체계가 작동하는 것이 아니라 일시적인 스위치의 작동만으로도 시냅스가 안정적인 상태를 유지할 수 있다는 것을 밝혔다. 특히 이 순차적 스위치 체계는 세포내 수송체계를 통해 구현되고, 연구진이 개발한 광유전학 단백질을 통해 성공적으로 이를 조절할 수 있음을 보인 것이다. 순차적인 스위치 체계는 향후 다른 뇌 부위의 시냅스에도 적용하여, 빠르게 변화하면서도 안정적으로 정보를 처리하는 뇌의 독특한 특성을 설명하는 데 기여할 것이라 전망된다. 또한 연구과정에서 개발한 새로운 광유전학 단백질은 뇌세포 뿐 아니라 다른 종류의 세포내 수송체계에 대한 연구에도 광범위하게 적용가능하다. KIST 게이코 박사는 “소뇌에서 시냅스의 신호전달 효율의 변화를 유지하는 매커니즘을 밝히고 빛을 이용하여 이를 조절할 수 있다는 결과는 향후 움직임의 미세한 조정에 어려움을 겪거나 그런 조정을 학습하는 데 어려움을 겪는 환자들의 재활 등에 기여할 수 있을 것으로 전망한다.”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업 및 한국연구재단 중견연구자지원사업으로 수행되었다. 연구성과는 유명 과학저널인 ‘Nature Communications’ (IF: 12.124)에 9월 1일(금)자 온라인 게재되었다. <그림설명> <그림 1> LOV가 작동하는 방식 <그림 2> 실험 방식. 세포내 수송을 방해하는 Rab7TN을 LOV에 결합시켜 세포내에 발현하고 전기적으로 세포에 시냅스억제를 유도한 후 특정 시점에 푸른 빛을 가하여 세포내 수송을 방해함 <그림 3> 푸른빛을 특정시점 (시냅스 억제유도 후13-18분)에 가했을 때 억제되던 시냅스가 다시 제 위치로 돌아오는 상황 (붉은 동그라미)

- 소뇌(cerebellum) 시냅스의 안정적인 학습 매커니즘 규명 - 새로운 광유전학 단백질로 다양한 뇌 부위 특성 연구에 활용 가능 소뇌(cerebellum)는 똑바로 걷거나 눈꺼풀, 눈동자가 움직이는 것과 같이 대뇌의 기능으로 이루어지는 근육운동을 세밀하게 만들고, 조화를 돕는 중요한 뇌 부위이다. 이러한 소뇌의 활동은 그 안에 존재하는 엄청난 양의 신경세포들 간 신호전달의 효율이 변화하고 그 변화를 유지하면서 일어난다. 최근 국내 연구진이 새로운 광유전학 단백질을 이용하여 신경신호의 효율 변화를 유지하는 뇌의 매커니즘 및 작동 타이밍을 규명했다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 뇌과학연구소 기능커넥토믹스연구단 게이코 야마모토 박사 연구팀(제1저자 김태곤 박사, 공동교신저자 유키오 야마모토 박사)은 일상적인 움직임의 미세조정과 운동학습을 담당한다고 알려진 뇌 부위인 소뇌(cerebellum)의 시냅스를 이용하여 소뇌의 학습 매커니즘을 규명하고, 시냅스의 신호 전달 효율의 변화 및 그 변화의 유지를 유발하는 스위치 체계를 발견했다. 시냅스(synapse)는 뇌세포끼리 신호를 전달하는 세포의 작은 부위이다. 시냅스에서는 자극의 세기, 반복 정도 등에 따라 신호의 전달 효율이 달라지고, 결국 똑같은 자극에 대해 정보처리 방식도 점점 달라지게 된다. 이 과정은 새로운 정보를 받아들여 학습하는 과정이고, 안정적인 학습을 위해서는 효율이 변화된 후 유지(장기간시냅스 억제/강화, long-term synaptic depression/potentiation)가 가능해야한다고 알려져 있다. 특히, KIST 게이코 박사팀은 세포내 수송경로(intracellular endosomal pathway)가 정보전달 효율의 변화와 유지의 핵심 기작으로 쓰인다는 그간의 가설을 증명했다. 또한 연구진은 변화한 효율의 유지를 유발하는 스위치 체계를 발견하여 소뇌 시냅스의 학습 매커니즘을 규명했다. 연구진은 푸른빛을 흡수하는 동안만 세포내 수송을 방해하는 새로운 광유전학 단백질 (LOV-Rab7TN)을 개발하였다. 먼저 전기적 자극을 가하여 시냅스억제 스위치를 작동시키고, 이 억제를 유지시키는 스위치가 켜질 것이라 예상되는 특정시점(억제 유도 후 약 15분 후)에 맞추어 빛을 가하여, 세포내 수송을 방해하는 광유전학 단백질을 활성화시켰다. 특정시점을 벗어난 푸른빛은 시냅스 정보전달 효율 변화에 아무런 영향을 미치지 못하고, 유지 스위치 작동시점에 맞추게 되면 성공적으로 시냅스억제를 중단시킬 수 있었다. 소뇌 시냅스는 효율 변화를 일으키는 자극에 항상 노출되어있지만, 변화 스위치와 유지 스위치가 순차적으로 작동하기 때문에 안정적인 학습이 가능해진다는 결론을 얻을 수 있었다. 연구진은 기존의 이론인 지속적으로 상태를 유지시켜주는 체계가 작동하는 것이 아니라 일시적인 스위치의 작동만으로도 시냅스가 안정적인 상태를 유지할 수 있다는 것을 밝혔다. 특히 이 순차적 스위치 체계는 세포내 수송체계를 통해 구현되고, 연구진이 개발한 광유전학 단백질을 통해 성공적으로 이를 조절할 수 있음을 보인 것이다. 순차적인 스위치 체계는 향후 다른 뇌 부위의 시냅스에도 적용하여, 빠르게 변화하면서도 안정적으로 정보를 처리하는 뇌의 독특한 특성을 설명하는 데 기여할 것이라 전망된다. 또한 연구과정에서 개발한 새로운 광유전학 단백질은 뇌세포 뿐 아니라 다른 종류의 세포내 수송체계에 대한 연구에도 광범위하게 적용가능하다. KIST 게이코 박사는 “소뇌에서 시냅스의 신호전달 효율의 변화를 유지하는 매커니즘을 밝히고 빛을 이용하여 이를 조절할 수 있다는 결과는 향후 움직임의 미세한 조정에 어려움을 겪거나 그런 조정을 학습하는 데 어려움을 겪는 환자들의 재활 등에 기여할 수 있을 것으로 전망한다.”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업 및 한국연구재단 중견연구자지원사업으로 수행되었다. 연구성과는 유명 과학저널인 ‘Nature Communications’ (IF: 12.124)에 9월 1일(금)자 온라인 게재되었다. <그림설명> <그림 1> LOV가 작동하는 방식 <그림 2> 실험 방식. 세포내 수송을 방해하는 Rab7TN을 LOV에 결합시켜 세포내에 발현하고 전기적으로 세포에 시냅스억제를 유도한 후 특정 시점에 푸른 빛을 가하여 세포내 수송을 방해함 <그림 3> 푸른빛을 특정시점 (시냅스 억제유도 후13-18분)에 가했을 때 억제되던 시냅스가 다시 제 위치로 돌아오는 상황 (붉은 동그라미)

- 소뇌(cerebellum) 시냅스의 안정적인 학습 매커니즘 규명 - 새로운 광유전학 단백질로 다양한 뇌 부위 특성 연구에 활용 가능 소뇌(cerebellum)는 똑바로 걷거나 눈꺼풀, 눈동자가 움직이는 것과 같이 대뇌의 기능으로 이루어지는 근육운동을 세밀하게 만들고, 조화를 돕는 중요한 뇌 부위이다. 이러한 소뇌의 활동은 그 안에 존재하는 엄청난 양의 신경세포들 간 신호전달의 효율이 변화하고 그 변화를 유지하면서 일어난다. 최근 국내 연구진이 새로운 광유전학 단백질을 이용하여 신경신호의 효율 변화를 유지하는 뇌의 매커니즘 및 작동 타이밍을 규명했다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 뇌과학연구소 기능커넥토믹스연구단 게이코 야마모토 박사 연구팀(제1저자 김태곤 박사, 공동교신저자 유키오 야마모토 박사)은 일상적인 움직임의 미세조정과 운동학습을 담당한다고 알려진 뇌 부위인 소뇌(cerebellum)의 시냅스를 이용하여 소뇌의 학습 매커니즘을 규명하고, 시냅스의 신호 전달 효율의 변화 및 그 변화의 유지를 유발하는 스위치 체계를 발견했다. 시냅스(synapse)는 뇌세포끼리 신호를 전달하는 세포의 작은 부위이다. 시냅스에서는 자극의 세기, 반복 정도 등에 따라 신호의 전달 효율이 달라지고, 결국 똑같은 자극에 대해 정보처리 방식도 점점 달라지게 된다. 이 과정은 새로운 정보를 받아들여 학습하는 과정이고, 안정적인 학습을 위해서는 효율이 변화된 후 유지(장기간시냅스 억제/강화, long-term synaptic depression/potentiation)가 가능해야한다고 알려져 있다. 특히, KIST 게이코 박사팀은 세포내 수송경로(intracellular endosomal pathway)가 정보전달 효율의 변화와 유지의 핵심 기작으로 쓰인다는 그간의 가설을 증명했다. 또한 연구진은 변화한 효율의 유지를 유발하는 스위치 체계를 발견하여 소뇌 시냅스의 학습 매커니즘을 규명했다. 연구진은 푸른빛을 흡수하는 동안만 세포내 수송을 방해하는 새로운 광유전학 단백질 (LOV-Rab7TN)을 개발하였다. 먼저 전기적 자극을 가하여 시냅스억제 스위치를 작동시키고, 이 억제를 유지시키는 스위치가 켜질 것이라 예상되는 특정시점(억제 유도 후 약 15분 후)에 맞추어 빛을 가하여, 세포내 수송을 방해하는 광유전학 단백질을 활성화시켰다. 특정시점을 벗어난 푸른빛은 시냅스 정보전달 효율 변화에 아무런 영향을 미치지 못하고, 유지 스위치 작동시점에 맞추게 되면 성공적으로 시냅스억제를 중단시킬 수 있었다. 소뇌 시냅스는 효율 변화를 일으키는 자극에 항상 노출되어있지만, 변화 스위치와 유지 스위치가 순차적으로 작동하기 때문에 안정적인 학습이 가능해진다는 결론을 얻을 수 있었다. 연구진은 기존의 이론인 지속적으로 상태를 유지시켜주는 체계가 작동하는 것이 아니라 일시적인 스위치의 작동만으로도 시냅스가 안정적인 상태를 유지할 수 있다는 것을 밝혔다. 특히 이 순차적 스위치 체계는 세포내 수송체계를 통해 구현되고, 연구진이 개발한 광유전학 단백질을 통해 성공적으로 이를 조절할 수 있음을 보인 것이다. 순차적인 스위치 체계는 향후 다른 뇌 부위의 시냅스에도 적용하여, 빠르게 변화하면서도 안정적으로 정보를 처리하는 뇌의 독특한 특성을 설명하는 데 기여할 것이라 전망된다. 또한 연구과정에서 개발한 새로운 광유전학 단백질은 뇌세포 뿐 아니라 다른 종류의 세포내 수송체계에 대한 연구에도 광범위하게 적용가능하다. KIST 게이코 박사는 “소뇌에서 시냅스의 신호전달 효율의 변화를 유지하는 매커니즘을 밝히고 빛을 이용하여 이를 조절할 수 있다는 결과는 향후 움직임의 미세한 조정에 어려움을 겪거나 그런 조정을 학습하는 데 어려움을 겪는 환자들의 재활 등에 기여할 수 있을 것으로 전망한다.”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업 및 한국연구재단 중견연구자지원사업으로 수행되었다. 연구성과는 유명 과학저널인 ‘Nature Communications’ (IF: 12.124)에 9월 1일(금)자 온라인 게재되었다. <그림설명> <그림 1> LOV가 작동하는 방식 <그림 2> 실험 방식. 세포내 수송을 방해하는 Rab7TN을 LOV에 결합시켜 세포내에 발현하고 전기적으로 세포에 시냅스억제를 유도한 후 특정 시점에 푸른 빛을 가하여 세포내 수송을 방해함 <그림 3> 푸른빛을 특정시점 (시냅스 억제유도 후13-18분)에 가했을 때 억제되던 시냅스가 다시 제 위치로 돌아오는 상황 (붉은 동그라미)

- 소뇌(cerebellum) 시냅스의 안정적인 학습 매커니즘 규명 - 새로운 광유전학 단백질로 다양한 뇌 부위 특성 연구에 활용 가능 소뇌(cerebellum)는 똑바로 걷거나 눈꺼풀, 눈동자가 움직이는 것과 같이 대뇌의 기능으로 이루어지는 근육운동을 세밀하게 만들고, 조화를 돕는 중요한 뇌 부위이다. 이러한 소뇌의 활동은 그 안에 존재하는 엄청난 양의 신경세포들 간 신호전달의 효율이 변화하고 그 변화를 유지하면서 일어난다. 최근 국내 연구진이 새로운 광유전학 단백질을 이용하여 신경신호의 효율 변화를 유지하는 뇌의 매커니즘 및 작동 타이밍을 규명했다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 뇌과학연구소 기능커넥토믹스연구단 게이코 야마모토 박사 연구팀(제1저자 김태곤 박사, 공동교신저자 유키오 야마모토 박사)은 일상적인 움직임의 미세조정과 운동학습을 담당한다고 알려진 뇌 부위인 소뇌(cerebellum)의 시냅스를 이용하여 소뇌의 학습 매커니즘을 규명하고, 시냅스의 신호 전달 효율의 변화 및 그 변화의 유지를 유발하는 스위치 체계를 발견했다. 시냅스(synapse)는 뇌세포끼리 신호를 전달하는 세포의 작은 부위이다. 시냅스에서는 자극의 세기, 반복 정도 등에 따라 신호의 전달 효율이 달라지고, 결국 똑같은 자극에 대해 정보처리 방식도 점점 달라지게 된다. 이 과정은 새로운 정보를 받아들여 학습하는 과정이고, 안정적인 학습을 위해서는 효율이 변화된 후 유지(장기간시냅스 억제/강화, long-term synaptic depression/potentiation)가 가능해야한다고 알려져 있다. 특히, KIST 게이코 박사팀은 세포내 수송경로(intracellular endosomal pathway)가 정보전달 효율의 변화와 유지의 핵심 기작으로 쓰인다는 그간의 가설을 증명했다. 또한 연구진은 변화한 효율의 유지를 유발하는 스위치 체계를 발견하여 소뇌 시냅스의 학습 매커니즘을 규명했다. 연구진은 푸른빛을 흡수하는 동안만 세포내 수송을 방해하는 새로운 광유전학 단백질 (LOV-Rab7TN)을 개발하였다. 먼저 전기적 자극을 가하여 시냅스억제 스위치를 작동시키고, 이 억제를 유지시키는 스위치가 켜질 것이라 예상되는 특정시점(억제 유도 후 약 15분 후)에 맞추어 빛을 가하여, 세포내 수송을 방해하는 광유전학 단백질을 활성화시켰다. 특정시점을 벗어난 푸른빛은 시냅스 정보전달 효율 변화에 아무런 영향을 미치지 못하고, 유지 스위치 작동시점에 맞추게 되면 성공적으로 시냅스억제를 중단시킬 수 있었다. 소뇌 시냅스는 효율 변화를 일으키는 자극에 항상 노출되어있지만, 변화 스위치와 유지 스위치가 순차적으로 작동하기 때문에 안정적인 학습이 가능해진다는 결론을 얻을 수 있었다. 연구진은 기존의 이론인 지속적으로 상태를 유지시켜주는 체계가 작동하는 것이 아니라 일시적인 스위치의 작동만으로도 시냅스가 안정적인 상태를 유지할 수 있다는 것을 밝혔다. 특히 이 순차적 스위치 체계는 세포내 수송체계를 통해 구현되고, 연구진이 개발한 광유전학 단백질을 통해 성공적으로 이를 조절할 수 있음을 보인 것이다. 순차적인 스위치 체계는 향후 다른 뇌 부위의 시냅스에도 적용하여, 빠르게 변화하면서도 안정적으로 정보를 처리하는 뇌의 독특한 특성을 설명하는 데 기여할 것이라 전망된다. 또한 연구과정에서 개발한 새로운 광유전학 단백질은 뇌세포 뿐 아니라 다른 종류의 세포내 수송체계에 대한 연구에도 광범위하게 적용가능하다. KIST 게이코 박사는 “소뇌에서 시냅스의 신호전달 효율의 변화를 유지하는 매커니즘을 밝히고 빛을 이용하여 이를 조절할 수 있다는 결과는 향후 움직임의 미세한 조정에 어려움을 겪거나 그런 조정을 학습하는 데 어려움을 겪는 환자들의 재활 등에 기여할 수 있을 것으로 전망한다.”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업 및 한국연구재단 중견연구자지원사업으로 수행되었다. 연구성과는 유명 과학저널인 ‘Nature Communications’ (IF: 12.124)에 9월 1일(금)자 온라인 게재되었다. <그림설명> <그림 1> LOV가 작동하는 방식 <그림 2> 실험 방식. 세포내 수송을 방해하는 Rab7TN을 LOV에 결합시켜 세포내에 발현하고 전기적으로 세포에 시냅스억제를 유도한 후 특정 시점에 푸른 빛을 가하여 세포내 수송을 방해함 <그림 3> 푸른빛을 특정시점 (시냅스 억제유도 후13-18분)에 가했을 때 억제되던 시냅스가 다시 제 위치로 돌아오는 상황 (붉은 동그라미)

- 소뇌(cerebellum) 시냅스의 안정적인 학습 매커니즘 규명 - 새로운 광유전학 단백질로 다양한 뇌 부위 특성 연구에 활용 가능 소뇌(cerebellum)는 똑바로 걷거나 눈꺼풀, 눈동자가 움직이는 것과 같이 대뇌의 기능으로 이루어지는 근육운동을 세밀하게 만들고, 조화를 돕는 중요한 뇌 부위이다. 이러한 소뇌의 활동은 그 안에 존재하는 엄청난 양의 신경세포들 간 신호전달의 효율이 변화하고 그 변화를 유지하면서 일어난다. 최근 국내 연구진이 새로운 광유전학 단백질을 이용하여 신경신호의 효율 변화를 유지하는 뇌의 매커니즘 및 작동 타이밍을 규명했다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 뇌과학연구소 기능커넥토믹스연구단 게이코 야마모토 박사 연구팀(제1저자 김태곤 박사, 공동교신저자 유키오 야마모토 박사)은 일상적인 움직임의 미세조정과 운동학습을 담당한다고 알려진 뇌 부위인 소뇌(cerebellum)의 시냅스를 이용하여 소뇌의 학습 매커니즘을 규명하고, 시냅스의 신호 전달 효율의 변화 및 그 변화의 유지를 유발하는 스위치 체계를 발견했다. 시냅스(synapse)는 뇌세포끼리 신호를 전달하는 세포의 작은 부위이다. 시냅스에서는 자극의 세기, 반복 정도 등에 따라 신호의 전달 효율이 달라지고, 결국 똑같은 자극에 대해 정보처리 방식도 점점 달라지게 된다. 이 과정은 새로운 정보를 받아들여 학습하는 과정이고, 안정적인 학습을 위해서는 효율이 변화된 후 유지(장기간시냅스 억제/강화, long-term synaptic depression/potentiation)가 가능해야한다고 알려져 있다. 특히, KIST 게이코 박사팀은 세포내 수송경로(intracellular endosomal pathway)가 정보전달 효율의 변화와 유지의 핵심 기작으로 쓰인다는 그간의 가설을 증명했다. 또한 연구진은 변화한 효율의 유지를 유발하는 스위치 체계를 발견하여 소뇌 시냅스의 학습 매커니즘을 규명했다. 연구진은 푸른빛을 흡수하는 동안만 세포내 수송을 방해하는 새로운 광유전학 단백질 (LOV-Rab7TN)을 개발하였다. 먼저 전기적 자극을 가하여 시냅스억제 스위치를 작동시키고, 이 억제를 유지시키는 스위치가 켜질 것이라 예상되는 특정시점(억제 유도 후 약 15분 후)에 맞추어 빛을 가하여, 세포내 수송을 방해하는 광유전학 단백질을 활성화시켰다. 특정시점을 벗어난 푸른빛은 시냅스 정보전달 효율 변화에 아무런 영향을 미치지 못하고, 유지 스위치 작동시점에 맞추게 되면 성공적으로 시냅스억제를 중단시킬 수 있었다. 소뇌 시냅스는 효율 변화를 일으키는 자극에 항상 노출되어있지만, 변화 스위치와 유지 스위치가 순차적으로 작동하기 때문에 안정적인 학습이 가능해진다는 결론을 얻을 수 있었다. 연구진은 기존의 이론인 지속적으로 상태를 유지시켜주는 체계가 작동하는 것이 아니라 일시적인 스위치의 작동만으로도 시냅스가 안정적인 상태를 유지할 수 있다는 것을 밝혔다. 특히 이 순차적 스위치 체계는 세포내 수송체계를 통해 구현되고, 연구진이 개발한 광유전학 단백질을 통해 성공적으로 이를 조절할 수 있음을 보인 것이다. 순차적인 스위치 체계는 향후 다른 뇌 부위의 시냅스에도 적용하여, 빠르게 변화하면서도 안정적으로 정보를 처리하는 뇌의 독특한 특성을 설명하는 데 기여할 것이라 전망된다. 또한 연구과정에서 개발한 새로운 광유전학 단백질은 뇌세포 뿐 아니라 다른 종류의 세포내 수송체계에 대한 연구에도 광범위하게 적용가능하다. KIST 게이코 박사는 “소뇌에서 시냅스의 신호전달 효율의 변화를 유지하는 매커니즘을 밝히고 빛을 이용하여 이를 조절할 수 있다는 결과는 향후 움직임의 미세한 조정에 어려움을 겪거나 그런 조정을 학습하는 데 어려움을 겪는 환자들의 재활 등에 기여할 수 있을 것으로 전망한다.”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업 및 한국연구재단 중견연구자지원사업으로 수행되었다. 연구성과는 유명 과학저널인 ‘Nature Communications’ (IF: 12.124)에 9월 1일(금)자 온라인 게재되었다. <그림설명> <그림 1> LOV가 작동하는 방식 <그림 2> 실험 방식. 세포내 수송을 방해하는 Rab7TN을 LOV에 결합시켜 세포내에 발현하고 전기적으로 세포에 시냅스억제를 유도한 후 특정 시점에 푸른 빛을 가하여 세포내 수송을 방해함 <그림 3> 푸른빛을 특정시점 (시냅스 억제유도 후13-18분)에 가했을 때 억제되던 시냅스가 다시 제 위치로 돌아오는 상황 (붉은 동그라미)

- 소뇌(cerebellum) 시냅스의 안정적인 학습 매커니즘 규명 - 새로운 광유전학 단백질로 다양한 뇌 부위 특성 연구에 활용 가능 소뇌(cerebellum)는 똑바로 걷거나 눈꺼풀, 눈동자가 움직이는 것과 같이 대뇌의 기능으로 이루어지는 근육운동을 세밀하게 만들고, 조화를 돕는 중요한 뇌 부위이다. 이러한 소뇌의 활동은 그 안에 존재하는 엄청난 양의 신경세포들 간 신호전달의 효율이 변화하고 그 변화를 유지하면서 일어난다. 최근 국내 연구진이 새로운 광유전학 단백질을 이용하여 신경신호의 효율 변화를 유지하는 뇌의 매커니즘 및 작동 타이밍을 규명했다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 뇌과학연구소 기능커넥토믹스연구단 게이코 야마모토 박사 연구팀(제1저자 김태곤 박사, 공동교신저자 유키오 야마모토 박사)은 일상적인 움직임의 미세조정과 운동학습을 담당한다고 알려진 뇌 부위인 소뇌(cerebellum)의 시냅스를 이용하여 소뇌의 학습 매커니즘을 규명하고, 시냅스의 신호 전달 효율의 변화 및 그 변화의 유지를 유발하는 스위치 체계를 발견했다. 시냅스(synapse)는 뇌세포끼리 신호를 전달하는 세포의 작은 부위이다. 시냅스에서는 자극의 세기, 반복 정도 등에 따라 신호의 전달 효율이 달라지고, 결국 똑같은 자극에 대해 정보처리 방식도 점점 달라지게 된다. 이 과정은 새로운 정보를 받아들여 학습하는 과정이고, 안정적인 학습을 위해서는 효율이 변화된 후 유지(장기간시냅스 억제/강화, long-term synaptic depression/potentiation)가 가능해야한다고 알려져 있다. 특히, KIST 게이코 박사팀은 세포내 수송경로(intracellular endosomal pathway)가 정보전달 효율의 변화와 유지의 핵심 기작으로 쓰인다는 그간의 가설을 증명했다. 또한 연구진은 변화한 효율의 유지를 유발하는 스위치 체계를 발견하여 소뇌 시냅스의 학습 매커니즘을 규명했다. 연구진은 푸른빛을 흡수하는 동안만 세포내 수송을 방해하는 새로운 광유전학 단백질 (LOV-Rab7TN)을 개발하였다. 먼저 전기적 자극을 가하여 시냅스억제 스위치를 작동시키고, 이 억제를 유지시키는 스위치가 켜질 것이라 예상되는 특정시점(억제 유도 후 약 15분 후)에 맞추어 빛을 가하여, 세포내 수송을 방해하는 광유전학 단백질을 활성화시켰다. 특정시점을 벗어난 푸른빛은 시냅스 정보전달 효율 변화에 아무런 영향을 미치지 못하고, 유지 스위치 작동시점에 맞추게 되면 성공적으로 시냅스억제를 중단시킬 수 있었다. 소뇌 시냅스는 효율 변화를 일으키는 자극에 항상 노출되어있지만, 변화 스위치와 유지 스위치가 순차적으로 작동하기 때문에 안정적인 학습이 가능해진다는 결론을 얻을 수 있었다. 연구진은 기존의 이론인 지속적으로 상태를 유지시켜주는 체계가 작동하는 것이 아니라 일시적인 스위치의 작동만으로도 시냅스가 안정적인 상태를 유지할 수 있다는 것을 밝혔다. 특히 이 순차적 스위치 체계는 세포내 수송체계를 통해 구현되고, 연구진이 개발한 광유전학 단백질을 통해 성공적으로 이를 조절할 수 있음을 보인 것이다. 순차적인 스위치 체계는 향후 다른 뇌 부위의 시냅스에도 적용하여, 빠르게 변화하면서도 안정적으로 정보를 처리하는 뇌의 독특한 특성을 설명하는 데 기여할 것이라 전망된다. 또한 연구과정에서 개발한 새로운 광유전학 단백질은 뇌세포 뿐 아니라 다른 종류의 세포내 수송체계에 대한 연구에도 광범위하게 적용가능하다. KIST 게이코 박사는 “소뇌에서 시냅스의 신호전달 효율의 변화를 유지하는 매커니즘을 밝히고 빛을 이용하여 이를 조절할 수 있다는 결과는 향후 움직임의 미세한 조정에 어려움을 겪거나 그런 조정을 학습하는 데 어려움을 겪는 환자들의 재활 등에 기여할 수 있을 것으로 전망한다.”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업 및 한국연구재단 중견연구자지원사업으로 수행되었다. 연구성과는 유명 과학저널인 ‘Nature Communications’ (IF: 12.124)에 9월 1일(금)자 온라인 게재되었다. <그림설명> <그림 1> LOV가 작동하는 방식 <그림 2> 실험 방식. 세포내 수송을 방해하는 Rab7TN을 LOV에 결합시켜 세포내에 발현하고 전기적으로 세포에 시냅스억제를 유도한 후 특정 시점에 푸른 빛을 가하여 세포내 수송을 방해함 <그림 3> 푸른빛을 특정시점 (시냅스 억제유도 후13-18분)에 가했을 때 억제되던 시냅스가 다시 제 위치로 돌아오는 상황 (붉은 동그라미)

- 소뇌(cerebellum) 시냅스의 안정적인 학습 매커니즘 규명 - 새로운 광유전학 단백질로 다양한 뇌 부위 특성 연구에 활용 가능 소뇌(cerebellum)는 똑바로 걷거나 눈꺼풀, 눈동자가 움직이는 것과 같이 대뇌의 기능으로 이루어지는 근육운동을 세밀하게 만들고, 조화를 돕는 중요한 뇌 부위이다. 이러한 소뇌의 활동은 그 안에 존재하는 엄청난 양의 신경세포들 간 신호전달의 효율이 변화하고 그 변화를 유지하면서 일어난다. 최근 국내 연구진이 새로운 광유전학 단백질을 이용하여 신경신호의 효율 변화를 유지하는 뇌의 매커니즘 및 작동 타이밍을 규명했다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 뇌과학연구소 기능커넥토믹스연구단 게이코 야마모토 박사 연구팀(제1저자 김태곤 박사, 공동교신저자 유키오 야마모토 박사)은 일상적인 움직임의 미세조정과 운동학습을 담당한다고 알려진 뇌 부위인 소뇌(cerebellum)의 시냅스를 이용하여 소뇌의 학습 매커니즘을 규명하고, 시냅스의 신호 전달 효율의 변화 및 그 변화의 유지를 유발하는 스위치 체계를 발견했다. 시냅스(synapse)는 뇌세포끼리 신호를 전달하는 세포의 작은 부위이다. 시냅스에서는 자극의 세기, 반복 정도 등에 따라 신호의 전달 효율이 달라지고, 결국 똑같은 자극에 대해 정보처리 방식도 점점 달라지게 된다. 이 과정은 새로운 정보를 받아들여 학습하는 과정이고, 안정적인 학습을 위해서는 효율이 변화된 후 유지(장기간시냅스 억제/강화, long-term synaptic depression/potentiation)가 가능해야한다고 알려져 있다. 특히, KIST 게이코 박사팀은 세포내 수송경로(intracellular endosomal pathway)가 정보전달 효율의 변화와 유지의 핵심 기작으로 쓰인다는 그간의 가설을 증명했다. 또한 연구진은 변화한 효율의 유지를 유발하는 스위치 체계를 발견하여 소뇌 시냅스의 학습 매커니즘을 규명했다. 연구진은 푸른빛을 흡수하는 동안만 세포내 수송을 방해하는 새로운 광유전학 단백질 (LOV-Rab7TN)을 개발하였다. 먼저 전기적 자극을 가하여 시냅스억제 스위치를 작동시키고, 이 억제를 유지시키는 스위치가 켜질 것이라 예상되는 특정시점(억제 유도 후 약 15분 후)에 맞추어 빛을 가하여, 세포내 수송을 방해하는 광유전학 단백질을 활성화시켰다. 특정시점을 벗어난 푸른빛은 시냅스 정보전달 효율 변화에 아무런 영향을 미치지 못하고, 유지 스위치 작동시점에 맞추게 되면 성공적으로 시냅스억제를 중단시킬 수 있었다. 소뇌 시냅스는 효율 변화를 일으키는 자극에 항상 노출되어있지만, 변화 스위치와 유지 스위치가 순차적으로 작동하기 때문에 안정적인 학습이 가능해진다는 결론을 얻을 수 있었다. 연구진은 기존의 이론인 지속적으로 상태를 유지시켜주는 체계가 작동하는 것이 아니라 일시적인 스위치의 작동만으로도 시냅스가 안정적인 상태를 유지할 수 있다는 것을 밝혔다. 특히 이 순차적 스위치 체계는 세포내 수송체계를 통해 구현되고, 연구진이 개발한 광유전학 단백질을 통해 성공적으로 이를 조절할 수 있음을 보인 것이다. 순차적인 스위치 체계는 향후 다른 뇌 부위의 시냅스에도 적용하여, 빠르게 변화하면서도 안정적으로 정보를 처리하는 뇌의 독특한 특성을 설명하는 데 기여할 것이라 전망된다. 또한 연구과정에서 개발한 새로운 광유전학 단백질은 뇌세포 뿐 아니라 다른 종류의 세포내 수송체계에 대한 연구에도 광범위하게 적용가능하다. KIST 게이코 박사는 “소뇌에서 시냅스의 신호전달 효율의 변화를 유지하는 매커니즘을 밝히고 빛을 이용하여 이를 조절할 수 있다는 결과는 향후 움직임의 미세한 조정에 어려움을 겪거나 그런 조정을 학습하는 데 어려움을 겪는 환자들의 재활 등에 기여할 수 있을 것으로 전망한다.”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업 및 한국연구재단 중견연구자지원사업으로 수행되었다. 연구성과는 유명 과학저널인 ‘Nature Communications’ (IF: 12.124)에 9월 1일(금)자 온라인 게재되었다. <그림설명> <그림 1> LOV가 작동하는 방식 <그림 2> 실험 방식. 세포내 수송을 방해하는 Rab7TN을 LOV에 결합시켜 세포내에 발현하고 전기적으로 세포에 시냅스억제를 유도한 후 특정 시점에 푸른 빛을 가하여 세포내 수송을 방해함 <그림 3> 푸른빛을 특정시점 (시냅스 억제유도 후13-18분)에 가했을 때 억제되던 시냅스가 다시 제 위치로 돌아오는 상황 (붉은 동그라미)

- 소뇌(cerebellum) 시냅스의 안정적인 학습 매커니즘 규명 - 새로운 광유전학 단백질로 다양한 뇌 부위 특성 연구에 활용 가능 소뇌(cerebellum)는 똑바로 걷거나 눈꺼풀, 눈동자가 움직이는 것과 같이 대뇌의 기능으로 이루어지는 근육운동을 세밀하게 만들고, 조화를 돕는 중요한 뇌 부위이다. 이러한 소뇌의 활동은 그 안에 존재하는 엄청난 양의 신경세포들 간 신호전달의 효율이 변화하고 그 변화를 유지하면서 일어난다. 최근 국내 연구진이 새로운 광유전학 단백질을 이용하여 신경신호의 효율 변화를 유지하는 뇌의 매커니즘 및 작동 타이밍을 규명했다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 뇌과학연구소 기능커넥토믹스연구단 게이코 야마모토 박사 연구팀(제1저자 김태곤 박사, 공동교신저자 유키오 야마모토 박사)은 일상적인 움직임의 미세조정과 운동학습을 담당한다고 알려진 뇌 부위인 소뇌(cerebellum)의 시냅스를 이용하여 소뇌의 학습 매커니즘을 규명하고, 시냅스의 신호 전달 효율의 변화 및 그 변화의 유지를 유발하는 스위치 체계를 발견했다. 시냅스(synapse)는 뇌세포끼리 신호를 전달하는 세포의 작은 부위이다. 시냅스에서는 자극의 세기, 반복 정도 등에 따라 신호의 전달 효율이 달라지고, 결국 똑같은 자극에 대해 정보처리 방식도 점점 달라지게 된다. 이 과정은 새로운 정보를 받아들여 학습하는 과정이고, 안정적인 학습을 위해서는 효율이 변화된 후 유지(장기간시냅스 억제/강화, long-term synaptic depression/potentiation)가 가능해야한다고 알려져 있다. 특히, KIST 게이코 박사팀은 세포내 수송경로(intracellular endosomal pathway)가 정보전달 효율의 변화와 유지의 핵심 기작으로 쓰인다는 그간의 가설을 증명했다. 또한 연구진은 변화한 효율의 유지를 유발하는 스위치 체계를 발견하여 소뇌 시냅스의 학습 매커니즘을 규명했다. 연구진은 푸른빛을 흡수하는 동안만 세포내 수송을 방해하는 새로운 광유전학 단백질 (LOV-Rab7TN)을 개발하였다. 먼저 전기적 자극을 가하여 시냅스억제 스위치를 작동시키고, 이 억제를 유지시키는 스위치가 켜질 것이라 예상되는 특정시점(억제 유도 후 약 15분 후)에 맞추어 빛을 가하여, 세포내 수송을 방해하는 광유전학 단백질을 활성화시켰다. 특정시점을 벗어난 푸른빛은 시냅스 정보전달 효율 변화에 아무런 영향을 미치지 못하고, 유지 스위치 작동시점에 맞추게 되면 성공적으로 시냅스억제를 중단시킬 수 있었다. 소뇌 시냅스는 효율 변화를 일으키는 자극에 항상 노출되어있지만, 변화 스위치와 유지 스위치가 순차적으로 작동하기 때문에 안정적인 학습이 가능해진다는 결론을 얻을 수 있었다. 연구진은 기존의 이론인 지속적으로 상태를 유지시켜주는 체계가 작동하는 것이 아니라 일시적인 스위치의 작동만으로도 시냅스가 안정적인 상태를 유지할 수 있다는 것을 밝혔다. 특히 이 순차적 스위치 체계는 세포내 수송체계를 통해 구현되고, 연구진이 개발한 광유전학 단백질을 통해 성공적으로 이를 조절할 수 있음을 보인 것이다. 순차적인 스위치 체계는 향후 다른 뇌 부위의 시냅스에도 적용하여, 빠르게 변화하면서도 안정적으로 정보를 처리하는 뇌의 독특한 특성을 설명하는 데 기여할 것이라 전망된다. 또한 연구과정에서 개발한 새로운 광유전학 단백질은 뇌세포 뿐 아니라 다른 종류의 세포내 수송체계에 대한 연구에도 광범위하게 적용가능하다. KIST 게이코 박사는 “소뇌에서 시냅스의 신호전달 효율의 변화를 유지하는 매커니즘을 밝히고 빛을 이용하여 이를 조절할 수 있다는 결과는 향후 움직임의 미세한 조정에 어려움을 겪거나 그런 조정을 학습하는 데 어려움을 겪는 환자들의 재활 등에 기여할 수 있을 것으로 전망한다.”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업 및 한국연구재단 중견연구자지원사업으로 수행되었다. 연구성과는 유명 과학저널인 ‘Nature Communications’ (IF: 12.124)에 9월 1일(금)자 온라인 게재되었다. <그림설명> <그림 1> LOV가 작동하는 방식 <그림 2> 실험 방식. 세포내 수송을 방해하는 Rab7TN을 LOV에 결합시켜 세포내에 발현하고 전기적으로 세포에 시냅스억제를 유도한 후 특정 시점에 푸른 빛을 가하여 세포내 수송을 방해함 <그림 3> 푸른빛을 특정시점 (시냅스 억제유도 후13-18분)에 가했을 때 억제되던 시냅스가 다시 제 위치로 돌아오는 상황 (붉은 동그라미)

- 소뇌(cerebellum) 시냅스의 안정적인 학습 매커니즘 규명 - 새로운 광유전학 단백질로 다양한 뇌 부위 특성 연구에 활용 가능 소뇌(cerebellum)는 똑바로 걷거나 눈꺼풀, 눈동자가 움직이는 것과 같이 대뇌의 기능으로 이루어지는 근육운동을 세밀하게 만들고, 조화를 돕는 중요한 뇌 부위이다. 이러한 소뇌의 활동은 그 안에 존재하는 엄청난 양의 신경세포들 간 신호전달의 효율이 변화하고 그 변화를 유지하면서 일어난다. 최근 국내 연구진이 새로운 광유전학 단백질을 이용하여 신경신호의 효율 변화를 유지하는 뇌의 매커니즘 및 작동 타이밍을 규명했다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 뇌과학연구소 기능커넥토믹스연구단 게이코 야마모토 박사 연구팀(제1저자 김태곤 박사, 공동교신저자 유키오 야마모토 박사)은 일상적인 움직임의 미세조정과 운동학습을 담당한다고 알려진 뇌 부위인 소뇌(cerebellum)의 시냅스를 이용하여 소뇌의 학습 매커니즘을 규명하고, 시냅스의 신호 전달 효율의 변화 및 그 변화의 유지를 유발하는 스위치 체계를 발견했다. 시냅스(synapse)는 뇌세포끼리 신호를 전달하는 세포의 작은 부위이다. 시냅스에서는 자극의 세기, 반복 정도 등에 따라 신호의 전달 효율이 달라지고, 결국 똑같은 자극에 대해 정보처리 방식도 점점 달라지게 된다. 이 과정은 새로운 정보를 받아들여 학습하는 과정이고, 안정적인 학습을 위해서는 효율이 변화된 후 유지(장기간시냅스 억제/강화, long-term synaptic depression/potentiation)가 가능해야한다고 알려져 있다. 특히, KIST 게이코 박사팀은 세포내 수송경로(intracellular endosomal pathway)가 정보전달 효율의 변화와 유지의 핵심 기작으로 쓰인다는 그간의 가설을 증명했다. 또한 연구진은 변화한 효율의 유지를 유발하는 스위치 체계를 발견하여 소뇌 시냅스의 학습 매커니즘을 규명했다. 연구진은 푸른빛을 흡수하는 동안만 세포내 수송을 방해하는 새로운 광유전학 단백질 (LOV-Rab7TN)을 개발하였다. 먼저 전기적 자극을 가하여 시냅스억제 스위치를 작동시키고, 이 억제를 유지시키는 스위치가 켜질 것이라 예상되는 특정시점(억제 유도 후 약 15분 후)에 맞추어 빛을 가하여, 세포내 수송을 방해하는 광유전학 단백질을 활성화시켰다. 특정시점을 벗어난 푸른빛은 시냅스 정보전달 효율 변화에 아무런 영향을 미치지 못하고, 유지 스위치 작동시점에 맞추게 되면 성공적으로 시냅스억제를 중단시킬 수 있었다. 소뇌 시냅스는 효율 변화를 일으키는 자극에 항상 노출되어있지만, 변화 스위치와 유지 스위치가 순차적으로 작동하기 때문에 안정적인 학습이 가능해진다는 결론을 얻을 수 있었다. 연구진은 기존의 이론인 지속적으로 상태를 유지시켜주는 체계가 작동하는 것이 아니라 일시적인 스위치의 작동만으로도 시냅스가 안정적인 상태를 유지할 수 있다는 것을 밝혔다. 특히 이 순차적 스위치 체계는 세포내 수송체계를 통해 구현되고, 연구진이 개발한 광유전학 단백질을 통해 성공적으로 이를 조절할 수 있음을 보인 것이다. 순차적인 스위치 체계는 향후 다른 뇌 부위의 시냅스에도 적용하여, 빠르게 변화하면서도 안정적으로 정보를 처리하는 뇌의 독특한 특성을 설명하는 데 기여할 것이라 전망된다. 또한 연구과정에서 개발한 새로운 광유전학 단백질은 뇌세포 뿐 아니라 다른 종류의 세포내 수송체계에 대한 연구에도 광범위하게 적용가능하다. KIST 게이코 박사는 “소뇌에서 시냅스의 신호전달 효율의 변화를 유지하는 매커니즘을 밝히고 빛을 이용하여 이를 조절할 수 있다는 결과는 향후 움직임의 미세한 조정에 어려움을 겪거나 그런 조정을 학습하는 데 어려움을 겪는 환자들의 재활 등에 기여할 수 있을 것으로 전망한다.”고 밝혔다. 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업 및 한국연구재단 중견연구자지원사업으로 수행되었다. 연구성과는 유명 과학저널인 ‘Nature Communications’ (IF: 12.124)에 9월 1일(금)자 온라인 게재되었다. <그림설명> <그림 1> LOV가 작동하는 방식 <그림 2> 실험 방식. 세포내 수송을 방해하는 Rab7TN을 LOV에 결합시켜 세포내에 발현하고 전기적으로 세포에 시냅스억제를 유도한 후 특정 시점에 푸른 빛을 가하여 세포내 수송을 방해함 <그림 3> 푸른빛을 특정시점 (시냅스 억제유도 후13-18분)에 가했을 때 억제되던 시냅스가 다시 제 위치로 돌아오는 상황 (붉은 동그라미)