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빛으로 뇌 기능·행동·감정을 자유롭게 조절한다

- IBS 인지 및 사회성 연구단, 광유전학 기술‘Opto-vTrap’개발…
뇌 회로지도 작성, 뇌전증·근육 경련치료, 피부팽창 기술 등에 응용 기대 -

기초과학연구원 인지 및 사회성 연구단 이창준 단장 연구팀과 KAIST 허원도 교수는 공동 연구로 빛으로 뇌 기능 및 행동을 자유자재로 조절하는 광유전학 기술인 ‘Opto-vTrap(옵토-브이트랩)’을 개발했다. 나아가 동물실험을 통해 뇌 활성 뿐 아니라 활동과 감정까지 조절할 수 있음을 확인했다.

뇌 활성은 신경세포와 신경교세포와 같은 뇌세포들이 서로 신호를 주고받으며 조절된다. 이 같은 상호작용은 뇌 세포 내 ‘소낭1)’안에 담긴 신경전달물질 분비를 통해 이루어진다. 소낭이 뇌 활성을 조절하는 사령관인 셈이다. 뇌 활성 조절은 뇌 연구를 위한 필수 기술이다. 뇌의 특정 부위나 세포의 활성을 촉진 또는 억제해보면 특정 뇌 부위가 담당하는 기능, 여러 뇌 부위 간 상호작용의 역할, 특정 상황에서 다양한 뇌세포의 기능 등 특정 상황에서 뇌 작동이 어떠한 원리로 일어나는지 밝힐 수 있기 때문이다.

그러나 기존 뇌 활성 조절 기술은 원하는 시점에 특정 뇌세포의 활성을 자유롭게 조절하기 어려웠다. 지금까지는 세포 전위차2) 조절 방식을 사용하였는데, 이는 주변 환경의 산성도를 변화시키거나 원하지 않는 다른 자극을 유발할 뿐만 아니라 전위차에 반응하지 않는 세포에는 사용하지 못하는 한계가 있었다. 이번에 개발한 Opto-vTrap 기술은 세포 소낭을 직접 특이적으로 조절할 수 있어 원하는 시점에 다양한 종류의 뇌세포에서 이용이 가능하다.

연구진은 신경전달물질 분비를 직접 조절하고자 세포에 빛을 쪼이면 순간적으로 내부에 올가미처럼 트랩을 만드는 자체 개발 원천기술을 응용, 소낭에 적용했다. Opto-vTrap을 발현하는 세포나 조직에 빛(청색광)을 가하면 소낭 내 광수용체 단백질들이 엉겨 붙으며 소낭이 트랩 안에 포획되고 신경전달물질 분비가 억제된다. 요컨대 Opto-vTrap으로 소낭의 신호전달물질 분비를 직접 제어하여 뇌 활성을 자유롭게 조절하는 것이다. 연구진은 세포와 조직실험에서 나아가 Opto-vTrap 바이러스를 이용한 동물실험을 통해 뇌세포 신호전달 뿐만 아니라 기억·감정·행동도 조절 가능함을 확인하였다.


Opto-vTrap을 이용한 전기생리학 실험 결과
[그림1] Opto-vTrap을 이용한 전기생리학 실험 결과.
실험동물에 Opto-vTrap 바이러를 주입하여 Opto-vTrap을 발현시키고, 전기생리학적 방법으로 자극에 의한 흥분성 시냅스 후 전류 (evoked-EPSC)를 측정하였다.
대조군 실험에서, 빛이 없을 때, 청색광이 있을 때, 청색광을 제거했을 때 전류 진폭의 차이가 없다. Opto-vTrap을 주입한 쥐 조직에서는, 청색광 자극에 의하여 흥분성 시냅스 후 전류의 진폭이 줄어들고, 이후 청색광을 제거하면 진폭이 다시 회복됨 확인하였다.


광유전학적 세포소낭 분비 억제 시스템 Opto-vTrap 의 모식도
[그림2] 광유전학적 세포소낭 분비 억제 시스템 Opto-vTrap 의 모식도.
세포소낭과 세포질에 Opto-vTrap를 발현시키고, 청색광을 통해 세포소낭 복합체를 만들어 소낭 내 신호전달물질의 분비를 억제하는 기술을 개발했다. 청색광을 끄면 신호전달물질이 다시 정상적으로 분비하므로 원하는 타이밍에 뇌 기능을 조절할 수 있다.


Opto-vTrap을 이용하면 뇌의 여러 부위간 복합적 상호작용 원리를 밝히고, 뇌세포 형태별 뇌 기능에 미치는 영향을 연구하는 데 유용하게 활용될 것으로 기대된다.

허원도 교수는 “Opto-vTrap은 신경세포와 신경교세포 모두에 잘 작동되기에 향후 다양한 뇌과학 연구 분야에 이용되리라 기대한다” 며 “앞으로 본 기술을 활용하여 특정 뇌세포의 시공간적 기능 연구를 진행하고자 한다.”고 말했다.

이창준 연구단장은 “Opto-vTrap은 뇌세포 뿐 아니라 다양한 세포에 이용이 가능해 활용가능성이 무궁무진하다”며 “향후 뇌 기능 회로 지도 완성 및 뇌전증 치료 등 신경과학 분야는 물론, 근육 경련·피부 근육 팽창 기술에도 기여할 것이다” 고 밝혔다.


빛으로 뇌 기능·행동·감정을 자유롭게 조절한다_1
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빛으로 뇌 기능·행동·감정을 자유롭게 조절한다_2
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이번 연구 결과는 뇌 과학 학술지 뉴런 (Neuron, IF:17.173) 에 12월 1일(수) 1시(한국시간) 게재되었다.



IBS 커뮤니케이션팀
박유진



1) 소낭(vesicle) : 세포 내에 있는 막에 둘러싸인, 특히 지름이 50nm 내외의 작은 자루모양의 구조물

2) 세포 전위차 : 체내 대사과정 중이온 교환 작용에 따라 세포 안팎에 생기는 전위 차이

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    최종수정일 2022-01-10 13:15