기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 시냅스 뇌질환 연구단 김은준 단장(KAIST 생명과학과 석좌교수) 및 뇌과학 이미징 연구단 김성기 단장(성균관대 글로벌바이오메디컬공학과 교수) 연구팀은 자폐모델 생쥐를 이용해 자폐스펙트럼장애 환자에서 나타나는 감각 과민이 대뇌피질의 특정 부위에서 발생하는 과도한 신경전달과 네트워크 연결성의 증가가 주요 원인임을 밝혔다.

자폐스펙트럼장애(Autism spectrum disorders)는 36명당 1명꼴로 나타나는 뇌 발달 장애로, 사회적 상호작용 및 의사소통 결여, 반복 행동 등을 보인다. 자폐스펙트럼장애의 또 다른 주요 증상으로 감각 이상이 있다. 감각이 과민하거나 둔감해질 수 있는데, 감각 과민의 경우 일상적인 환경의 소리, 빛, 촉각 등에 과도하게 반응하게 만들어 환자에게 상당한 스트레스를 주고 삶의 질을 현저히 떨어뜨린다. 환자의 약 90%에서 관찰될 정도로 흔하지만, 감각 과민의 원인과 메커니즘은 명확히 알려지지 않았다.

연구진은 먼저 시냅스 유전자의 하나인 ‘Grin2b’ 유전자가 결손된 자폐모델 생쥐에서 자폐와 유사한 감각 과민이 나타나는 것을 확인했다. Grin2b 결손은 자폐스펙트럼장애뿐만 아니라 발달 지연, 강박 장애 등 다양한 뇌질환과 관련이 있다고 알려져 있다. 연구진이 Grin2b 결손 자폐모델 생쥐에 기계적・전기적 자극 및 열 자극을 가해 반응을 분석한 결과 자폐모델 생쥐는 대조군에 비교해 감각 자극에 대한 회피성이 높아지고 과민했다.

다음으로 감각 자극에 비정상적으로 과민하게 반응하는 뇌 영역을 확인하기 위해 특정 자극에 대한 뇌의 반응을 시각화할 수 있는 c-fos 이미징¹⁾ 분석을 실시했다. 이어 기능적 자기공명영상(Functional magnetic resonance imaging, fMRI)²⁾으로 신경 활동을 실시간으로 모니터링해 뇌 영역 간 연결성을 분석했다.

그 결과, 여러 뇌 영역 중 특히 고차원 인지 기능과 관련 있는 전측 대상회피질(Anterior cingulate cortex, ACC)이 과도하게 활성화되는 것을 발견했다. 그리고 전측 대상회피질의 과활성으로 신경세포에서 흥분성 신경전달이 증가되었으며, 전측 대상회피질과 다른 뇌 영역 간의 과도한 연결성을 초래했다.

흥미롭게도 전측 대상회피질 신경세포의 과활성을 화학유전학적 방법으로 억제했을 때, 전측 대상회피질의 과활성화는 물론 감각 과민도 정상화됐다. 이는 전측 대상회피질의 과활성화가 자폐스펙트럼장애에서 나타나는 감각 과민의 주요 원인임을 시사한다.

연구를 이끈 김은준 단장은 “이번 연구는 그동안 인지, 사회성 등 고위 뇌 기능과 관련이 깊다고 알려졌던 대뇌 전측 대상회피질의 과도한 활성과 연결성이 자폐스펙트럼장애에 나타나는 감각 과민의 원임임을 증명한 새로운 연구”라며, “전측 대상회피질 신경세포의 활성 억제가 Grin2b 유전자 결손과 관련된 감각 과민 치료의 한 방법이 될 수 있다”라고 말했다.

이번 연구 결과는 세계적인 정신의학 저널 ‘분자 정신의학(Molecular Psychiatry, IF 11.0)’에 5월 4일(현지시간) 온라인 게재됐다.

그림 설명

[그림] 전측 대상회피질 활성 억제를 통한 감각 과민 회복
자폐스펙트럼장애 환자와 동일한 돌연변이를 갖는 생쥐 모델에서 감각과민 증상과 전측 대상회피질 과활성 및 관련 신경회로 과연결이 확인됐다 (좌). 전측 대상회피질의 활성을 억제한 결과 과연결성과 감각과민 행동이 정상 생쥐와 비슷한 수준으로 회복됨을 확인했다 (우).

1) c-fos 이미징(c-fos imaging): 유전자 조작을 통해 뇌세포가 활성화될 때 발현되는 c-fos 단백질과 형광 단백질을 결합시켜 뇌 활동을 추적하고 특정 자극에 대한 뇌의 반응을 시각화할 수 있다.