우리는 뇌에 기억을 저장하고, 저장된 기억을 바탕으로 행동을 변화시킨다. 두려운 공포 기억은 위험한 환경을 예측하고 외부 자극에 대한 적절한 반응을 가능하게 하지만 공포 기억의 무절제한 발현은 외상 후 스트레스 장애(PTSD)와 같은 불안장애를 야기할 수 있다.

기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 인지 및 사회성 연구단 학습 및 기억 연구그룹 강봉균 단장(서울대학교) 연구팀은 특정 뇌 영역에 있는 신경 회로의 시냅스를 표지할 수 있는 기술을 개발했다. 이 기술로 기억저장 세포와 주변의 억제성 신경세포가 맺고 있는 국소적인 시냅스를 시각화함으로써 억제성 신경세포가 공포 기억을 조절하는 메커니즘을 규명했다.

최근의 기억에 대한 연구는 기억을 저장한다고 알려진 기억저장 세포(Engram Cell)와 시냅스 수준에서 활발하게 이루어져 왔다. 그러나 대부분의 연구가 주로 흥분성 신경세포와 흥분성 신경 전달물질의 역할을 중심으로, 뇌의 장거리 영역 간 연결에 집중해 왔다. 기술적인 한계로 인접한 신경세포 사이의 시냅스를 표지하는 것이 불가능했기 때문이다.

연구팀은 이전 연구에서 기억저장 세포 사이의 연결 시냅스를 선택적으로 표지할 수 있는 ‘Dual-eGRASP¹⁾’ 기술을 개발하고, 시냅스 수준의 기억저장 메커니즘 연구를 세계적으로 선도하고 있다. 이 기술은 서로 다른 신경세포로부터 이어진 연결 시냅스를 구분하여 표지할 수 있으며, 서로 떨어져 있는 뇌 영역 간 기억저장 세포와 기억저장에 관여하지 않는 세포 사이의 연결을 구분할 수 있다.

이번 연구에서는 이 기술을 한 단계 진보시켜 뇌의 한 영역 내에 있는 신경세포들 사이의 국소 시냅스를 표지할 수 있는 새로운 ‘LCD-eGRASP’ 기술을 개발했다. 그리고 이를 활용해 공포와 관련된 기억과 학습을 관장하는 것으로 알려진 기저외측편도체²⁾(Basolateral amygdala)의 억제성 신경세포가 기억을 조절하는 메커니즘을 밝혀냈다.

연구팀은 밀폐된 체임버에서 생쥐에게 전기자극을 가해 공포 기억을 형성시키는 공포 기억 학습 실험을 진행했다. 그 결과, 기저외측편도체의 억제성 신경세포 중 하나인 소마토스타틴 인터뉴런³⁾(Somatostatin interneuron)의 일부 집단이 공포 기억 형성 시 특이적으로 활성화되며, 기저외측편도체의 기억저장 세포들과 더 많은 시냅스를 형성한다는 것을 시각적으로 확인했다. 또한 공포 기억에 활성화된 소마토스타틴 인터뉴런은 그렇지 않은 소마토스타틴 인터뉴런에 비해 더 높은 신경 흥분성을 보이며, 공포 기억저장 세포의 활동을 억제했다. 그러다 공포 기억이 떠오르는 상황에 처하면 흥분성이 낮아져 공포 기억저장 세포의 활동에 의해 정상적으로 공포 기억이 회상됐다.

나아가 소마토스타틴 인터뉴런을 인위적으로 억제하였을 때에는 공포 반응이 더 강하게 나타나며, 반대로 활성화하는 경우에는 공포와 관련된 불안 반응이 감소하는 것을 발견했다. 이것은 소마토스타틴 인터뉴런의 활성화 상태에 따라 공포 기억 반응에 직․간접적 변화가 나타남을 의미하며, 억제성 뉴런도 기억저장 세포와 조화를 이뤄 기억의 적절한 회상에 중요한 역할을 수행함을 시사한다.

이번 연구를 이끈 강봉균 단장은 “흥분성 기억저장 세포에 집중한 기존 연구에서 한 단계 나아가 국소 영역에서 억제성 신경세포의 역할을 규명하고, 억제성 인터뉴런을 통한 기억 조절의 가능성을 확인했다”라며, “향후 외상 후 스트레스 장애와 같은 질병 연구에 새로운 방향을 제시했다”라고 연구의 의의를 밝혔다.

또한, “이번에 개발한 ‘LCD-eGRASP’ 기술은 뇌의 한 영역 내 시냅스를 표지할 수 있다”라며, “뇌의 영역 간 시냅스 표지 기술인 ‘Dual-eGRASP’와 함께 신경과학 분야의 핵심기술로서 자리매김할 것”이라고 전했다.

이번 연구 결과는 뇌과학 분야 최고 수준의 국제학술지 ‘뉴런(Neuron)’에 11월 9일(한국시간) 온라인 게재됐다.

그림 설명

[그림] 기저외측편도체 내의 시냅스 표지
LCD-eGRASP 기술을 이용한 기저외측편도체 내 인접한 뉴런 간 연결 시냅스 표지하여 기억저장세포(붉은색), 비기억저장세포(흰색), 활성화된 억제성 뉴런의 시냅스 연결(노란색), 활성화되지 않은 억제성 뉴런의 시냅스 연결(청록색)을 확인할 수 있다.

IBS 홍보팀
박정훈

1) Dual-eGRASP : 서로 다른 신경 세포로부터 온 연결 시냅스를 청록색과 노란색으로 구분하여 표지할 수 있는 기술이다. 이를 이용하여 기억저장 세포와 기억저장에 관여하지 않는 세포 사이의 연결을 4가지 조합으로 구분할 수 있다.

2) 기저외측편도체(Basolateral amygdala) : 척추동물에서 진화적으로 잘 보존된 뇌의 영역으로 감정을 관장한다. 특히 공포와 관련된 기억과 학습에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 공포 기억이 형성될 때 기저외측편도체 내 활성화된 신경세포가 기억저장 세포가 되며, 이 기억저장 세포의 활동이 공포반응을 유도한다.

3) 인터뉴런(Interneuron) : 신경세포(Neuron)와 신경세포 사이를 연결해 주는 신경세포를 말한다. 그 기능적 특성에 따라 억제성 인터뉴런과 흥분성 인터뉴런으로 분류된다.