뇌 혈류와 신경활동

뇌는 체중의 약2%에 불과하지만, 전체 에너지의20% 이상을 소비합니다. 이러한 높은 에너지 수요를 충족하기 위해서는 신경 활동이 일어날 때마다 혈류가 정밀하게 조절되어야 합니다. 즉, 뇌의 에너지 대사와 혈류 변화는 본질적으로 긴밀히 연결되어 있으며, 이 관계가 뇌 기능 유지의 핵심 기반이 됩니다.

기능적 자기공명영상(Functional MRI, fMRI)은 뇌 속 혈류 변화가 만들어내는 미세한 자장의 변화를 측정해, 뇌 활동을 간접적으로 추론하는 대표적인 기술입니다. 지금까지 이 fMRI신호는 주로 흥분성 신경세포(Excitatory neuron)의 작용을 중심으로 설명되어 왔습니다. 그러나 최근 연구들은 억제성 신경세포(Inhibitory neuron)와 성상교세포(astrocyte) 역시 독자적인 방식으로 신경혈관연결(neurovascular coupling, NVC)에 기여하며, 뇌 혈류 반응의 정밀성을 결정짓는 요소임을 보여주고 있습니다.

단순한 억제가 아니다

억제성 신경세포는 뇌 전체 신경세포의 약20%를 차지하며, 주로 γ-아미노부티르산(GABA) 신경전달물질을 분비하여 주변 흥분성 신경세포의 과도한 활성화를 제어합니다. 대표적인 유형으로는

•파발부민(Pavalbumin, PV) 세포: 흥분성 신경세포의 세포체를 빠르게 억제하여 회로의 과흥분을 막고, 뇌파 리듬(감마파 등)의 동기화를 유지하는 역할을 합니다.

•소마토스타틴(Somatostatin, SST) 세포: 흥분성 신경세포의 수상돌기를 조율하며, 특정 입력 신호를 정밀하게 조정하는 데 관여합니다.

즉, 억제성 신경세포는 단순히 흥분을 억제하는 소극적 역할에 머물지 않고, 뇌 속 정보 흐름을 세밀하게 조율해 전체 회로의 균형을 잡아주는 적극적인 조율자로 기능합니다. 특히 이 과정에서 혈관 및 성상교세포(astrocyte)와의 상호작용이 이루어지며, 이는 신경 활동을 뇌 혈류 변화와 연결하는 중요한 경로가 됩니다.

억제성 신경세포와 뇌 혈류 조절 메커니즘

억제성 신경세포가 뇌 혈류에 미치는 경로는 크게 세가지로 나눌 수 있습니다.

•직접 경로
억제성 신경세포는 산화질소(Nitric oxide, NO), 신경펩타이드Y(Neuropeptide Y, NPY) 등 다양한 혈관 활성 물질을 분비하여 혈관의 수축과 이완을 직접적으로 유도함으로써 국소 혈류를 변화시킵니다.

•간접 경로
SST 신경세포 활성은 SST 펩타이드 분비를 통해 성상교세포의 칼슘 신호를 증가시키며, 이는 지연된 형태의 혈관 확장으로 이어집니다. 특히 “빠르진 않지만 오래 지속되는 혈관 반응”은fMRI 신호의 공간적 특이성을 형성하는데 중요한 기여를 하는 것으로 밝혀졌습니다.

•하위 회로 억제 경로
억제성 신경세포가 흥분성 신경세포의 활성화를 억제하면, 상호 연결된 네트워크 전반의 활동이 감소하고 결과적으로 혈류 반응도 억제됩니다. 이는fMRI에서 관찰되는 음성신호의 일부 기전으로 해석될 수 있습니다.

즉, 억제성 신경세포는 혈관을 직접 확장하거나 축소할 수 있을 뿐만 아니라, 흥분성 신경세포 및 성상교세포와의 상호작용을 통해 간접적으로 혈류 반응을 조절하는 다층적인 메커니즘을 가지고 있습니다.

연구 성과: SST 신경세포와Layer fMRI

최근 발표된 연구(https://www.nature.com/articles/s41467-025-61771-5)는SST 신경세포가 대뇌 피질 층별 혈관 반응의 정밀도를 형성하는데 핵심적인 역할을 한다는 사실이 규명했습니다.

•감각 자극 시 흥분성 신경세포가 활성화되면 SST 신경세포가 자극되고, 이어 성상교세포가 활성화되어 시상 입력이 도달하는 감각 피질의 layer 4에서 선택적인 혈관 확장이 나타났습니다.

•SST 신경세포를 직접 자극했을 때는 두 단계의 혈관 반응이 확인되었습니다. 먼저 산화질소 분비에 의한 빠른 혈관 확장이 유도되고, 이후 성상교세포의 활성화로 이어지는 빠르진 않지만 오래 지속되는 혈관 확장으로 뒤따랐습니다.

•반대로 감각 자극 동안SST 신경세포의 기능을 억제했을 때는 fMRI에서 나타나는 혈관 반응의 공간적 특이성이 현저히 감소하는 현상이 관찰되었습니다.

이러한 결과는 Layer fMRI에서 관찰되는 혈관 반응의 정밀성이 단순한 혈관 구조적 특성이 아니라, SST 신경세포-성상교세포-혈관 간 상호작용에 기반한 생리학적 기전임을 나타냅니다.

향후 연구 방향

이번 성과는 기존의 흥분성 신경세포 중심의 뇌 혈류 모델을 넘어, 억제성 신경세포와 성상교세포, 혈관 간 상호작용을 포함하는 확장된 뇌 혈류 모델을 제시했습니다. 이를 토대로 자폐, 치매, 뇌전증 등에서 나타나는fMRI 신호의 양·음성 신호 반응을 흥분성-억제성 활동의 균형 관점에서 분석함으로써 뇌 신호 해석의 정밀도를 향상시키고자 합니다. 나아가, 자극 주파수를 달리하거나 대뇌 피질 층별 반응을 분석해, 특정 신경회로가 가진 기능적 특성을 규명함으로써, 비침습적 진단 도구 개발에도 기여할 수 있을 것으로 기대됩니다.

[그림] 소마토스타틴 신경세포가 매개하는 뇌혈관 반응의 공간 특이성

초고자기장 기반 레이어fMRI를 통해, 감각 입력이 도달하는 대뇌 피질layer 4에서 선택적인 혈관 반응이 관찰됐다. 정상 조건에서는SST 신경세포의 활성화를 통해 성상교세포가 조절되고, 그 결과 국소적으로 필요한 혈류가 정밀하게 공급됐다. 반면SST 신경세포의 기능을 억제했을 때는 이러한 선택적 혈류 반응이 현저히 감소했다. 오른쪽 모식도는SST 신경세포가 활성화될 경우(상)와 억제될 경우(하) 각각 성상교세포 및 혈관 반응의 연계가 어떻게 달라지는지를 보여준다. 즉, SST 신경세포–성상교세포–혈관의 상호작용이 피질 층별 혈관 반응의 공간적 정밀성을 형성하는 핵심 메커니즘임을 나타낸다.

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