뇌에 전극을 삽입하는 수술 없이 초음파만으로도 뇌질환을 치료할 수 있는 가능성이 제시됐다. 기초과학연구원(IBS) 인지 및 사회성 연구단 인지 교세포과학 그룹 이창준 단장 연구팀은 한국과학기술연구원(KIST), 경희대 동서의학대학원과 공동으로 ‘저강도 초음파’에 대한 신경세포 조절 메커니즘을 규명했다. 치매, 파킨슨병, 우울증, 만성통증, 뇌전증 등 뇌질환 치료에 적용될 수 있을 것으로 보인다.

‘초음파 뇌자극술’은 뇌 깊숙이 금속 전극을 삽입하는 외과적 수술이 필요 없기 때문에 비교적 안전하다. 또한 저강도 초음파는 강도 30-500 mW/cm², 주파수 500~1000 KHz의 초음파로, 열이 발생하지 않아 치료 과정에서 열에 의한 조직 손상을 최소화 할 수 있다는 장점이 있다.

연구진은 초음파에 의한 신경세포 조절이 별세포의 기계수용칼슘채널 TRPA1에서 시작됨을 확인했다. 저강도 초음파에 의해 별세포의 TRPA1이 활성화되면, 별세포로부터 흥분성 신경전달물질인 글루타메이트가 분비되어 신경세포의 활성이 유도됨을 밝혀낸 것이다.

▲ 세포막의 기계적 자극에 의해 활성화되는 채널(통로)인 기계수용칼슘채널 TRPA1. 기계수용채널이 칼슘투과성인 경우, 이 채널을 매개로 하여 세포 내로 칼슘이 유입된다. 세포 내의 칼슘 증가를 측정하는 칼슘 이미징 실험에서 여러 채널들 중 TRPA1만 칼슘 증가를 보인다.

연구진은 쥐 실험으로 ‘초음파 뇌자극술’의 작동 메커니즘을 전반적으로 규명했다. 먼저 저강도 초음파에 의한 신경세포 발화(neuron firing) 정도가 TRPA1의 유무에 따라 어떻게 달라지는지 관찰했다. 신경세포 발화란 전기 자극 또는 신경전달물질을 통한 두 신경세포 사이의 신호 전달을 의미한다. TRPA1가 있는 경우 저강도 초음파에 의해 신경세포 발화가 증가한 반면, TRPA1가 없는 경우 신경세포 발화가 거의 관찰되지 않았다.

더불어 쥐의 꼬리 움직임을 유도하는 뇌 부분을 저강도 초음파로 자극한 결과, TRPA1이 있는 쥐는 꼬리 움직임이 활발해진 반면, TRPA1이 없는 쥐는 꼬리 움직임이 감소했다. 별세포의 TRPA1이 저강도 초음파 센서 역할을 하여 꼬리가 움직이도록 함을 확인한 것이다. 이는 쥐의 꼬리 운동능력을 개선하는 데에도 적용될 수 있을 것으로 보인다.

▲ 별세포를 통한 저강도 초음파의 신경조절 기전. 생쥐 뇌에서 꼬리의 움직임을 자극하는 운동피질을 자극하였을 때, 초음파 자극에 의한 운동신경 신호 전달이 별세포로부터 시작된다.

이창준 단장은 “초음파의 센서 역할을 하는 유전자를 각종 뇌질환 치료에 적용하는 연구와 더불어 초음파유전학(ultrasonogenetics)으로 발전시키는 후속 연구를 할 계획”이라고 말했다.

연구결과는 국제학술지 커런트 바이올로지(Current Biology) 10월 4일자 온라인 판에 실렸다.

IBS 커뮤니케이션팀
박인혜