▲ 1973년 개봉한 디즈니 영화 [잠자는 숲속의 공주]에서 오로라 공주는 마녀의 계략에 빠져 물레바늘에 찔리면 영원히 잠드는 저주에 걸리고 만다. 무시무시한 저주에서 살아남은 비결에는, 그녀의 월등한 촉감 지각 능력이 한 몫 한 것 같다. 만약 촉감을 정확히 감지해 번개처럼 손을 떼지 않았다면 왕자를 만나기 전 과다출혈로 먼저 세상을 떠났을지도 모른다. (이미지 출처 : 영화 [잠자는 숲속의 공주])

“앗, 따가워!”

날카로운 물체를 만지면 순간적으로 손을 떼게 된다. 이렇듯 촉감은 생명체가 위험을 피하고 손상된 신체부위를 보호하는 등 외부 자극에 적절히 대처하도록 한다. 그러나 이렇듯 생명 유지에 중요한 촉감정보 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 능력’을 조절함을 밝혔다. 감각정보 전달이 조절되는 원리를 이해하여 감각장애 치료의 초석을 마련할 것으로 기대된다.

▲ 별세포는 별처럼 많은 별 모양의 비신경세포로, 성상(星像)세포라고도 한다. 신경세포를 보조하는 역할을 한다고 알려졌지만, 최근 별세포의 숨겨진 기능이 속속 밝혀지면서 뇌의 신비를 풀 중요한 열쇠로 주목받고 있다. 1.4kg의 우주, 뇌 속 별들의 정체를 캐내는 과학자들의 활약이 기대된다.

앞서 연구진은 별세포가 억제성 신경전달물질인 가바(GABA)를 분비해 주변 신경세포에 영향을 준다는 사실을 밝혔다.

지난 연구 바로가기: 뇌졸중 후유증 유발하는 기능해리 발생 메커니즘 발생 메커니즘 규명

이어진 이번 연구에서는 시상 내 별세포가 가바를 분비하여 신경세포의 감각신호 전달을 제어함으로써 촉감 민감도를 조절하는 원리를 규명했다. 후각을 제외한 시각·청각·촉각 등 감각정보는 신경세포를 통해 뇌‘시상(thalamus)’을 거쳐 대뇌 피질로 전달된다. 시상이 감각신호를 받아들이는 입구이자 전달통로인 셈이다. 신경세포에 초점을 맞춘 기존 신호 전달 연구와 달리, 이번 연구는 뇌에서 가장 많은 수를 차지하는 별모양의 비신경세포인 별세포에 주목했다.

▲ 시상(thalamus)은 간뇌(diencephalon)의 등쪽에 위치한 회색질(gray matter) 덩어리로, 감각 정보를 처리하여 대뇌피질로 전달하는 데 중요한 역할을 한다. 시상(thalamus)은 여러 정보를 처리하는 다양한 핵으로 구성되는데 그 중 촉감 전달은‘복측기저핵(Ventrobasal nucleus)’이 담당한다. (이미지 출처 : 두산백과 [뇌의 구조])

우선 연구진은 시상 내 별세포가 신경세포에 영향을 미치는지 알아보고자 별세포의 가바 분비 여부를 확인했다. 그 결과 ‘다오(DAO)’¹⁾ 효소가 가바를 만들어 내며, 생성된 가바가 칼슘에 반응하는 음이온 통로,‘베스트1(Best1)’²⁾을 통해 분비됨을 확인하였다. 별세포 내 칼슘 양을 늘렸을 때 Best1이 활성화 되어 GABA 분비량이 증가하였다.

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 세분화하여 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.

▲ 카메라의 노출값이 지나치게 크면(좌) 사진 전체가 백색으로, 작으면(우) 흑색으로 뒤덮여 사진 속 물체를 식별할 수 없다. 이처럼 신경세포가 과활성되면 다양한 자극을 구분할 수 없게 된다. 별세포는 억제성 신경물질인 가바를 분비하여 신경세포의 반응 강도를 세분화함으로써(적절한 노출값으로 설정) 감각신호에 다양하게 반응하도록(가운데 이미지처럼 물체를 선명하게 식별) 한다. 신경세포의 보조역할만 하는 줄 알았던 비신경세포(별세포)가 사실상 실세(?)로 기능하며 인지기능에 중요함을 밝힌 것이다.

추가적으로 연구진은 가바의 양이 촉감 지각 능력에 미치는 영향을 알아보고자 80에서 400까지 거칠기 범위를 가진 사포 구분 실험을 진행했다. 다오 효소를 제거하여 별세포의 가바 분비를 억제한 쥐는 정상군이 구분했던 180(Grit400-Grit220)의 거칠기 차이를 구분하지 못했다. 반면 가바 양을 증가시켰을 때 촉감 지각 능력이 향상되어 80(Grit400-Grit320)의 미세한 거칠기 차이까지 구분해냈다. 요컨대 시상 내 별세포의 가바 양을 제어해 촉감 지각 능력을 조절할 수 있음을 밝힌 것이다.

▲ 시상 별세포의 촉감 민감도 조절 기작 모식도① 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. 이때 GABA 분비를 줄이면 신경세포의 촉감 지각 능력이 감소하는 반면, GABA 양을 늘릴 경우 촉감 지각 능력이 증가한다.

정은지 교수는 “촉감 지각 능력을 조절하는 새로운 뇌 기전을 밝혔다”며 “이번 연구로 감각인지기능 연구의 새로운 방향성을 제시했다”고 전했다.

이창준 단장은 “신경세포 뿐 아니라 별세포도 인지 기능에 중추적 역할을 함을 보여줬다”며 “별세포의 새로운 역할을 밝혀내 감각장애를 비롯한 다양한 뇌 질환 치료에 획기적인 돌파구를 열 것”이라 전했다.

▲ 이번 연구를 이끈 연구진들. 좌측부터 IBS 인지 및 사회성 연구단 이창준 단장, 고우현 연구원, 연세대학교 생명공학과 정은지 교수, 곽한결 박사과정 연구원

‘뇌’와 ‘우주’는 인류가 아직 정복하지 못한 대표적인 영역이다. 현대 과학이 밝혀낸 뇌의 비밀은 고작 5%에 불과하다. 흥미롭게도 우주 또한 우리가 알고 있는 물질은 약 5% 뿐, 나머지는 정체를 알 수 없는 암흑물질과 암흑에너지로 채워져 있다. 기초과학연구원의 과학자들은 95%의 비밀을 밝히기 위해 패러다임을 거슬러 별세포를 연구하고, 지하 1,100m 아래에서 암흑물질을 추적하며 전인미답의 길을 걷고 있다. 5%의 발견으로 인류는 오늘날 수많은 생명을 구하고 달 표면에 발을 내딛었다. 기초과학자들이 개척해나갈 새로운 미래는 어떤 모습일까? 기대를 걸어본다.

이번 연구성과는 국제학술지 뉴런(Neuron, IF 14.415) 온라인 판에 9월 9일 0시(한국시간) 게재됐다.

IBS 커뮤니케이션팀
박유진