뇌(Brain)의 연결망인 신경네트워크를 지도화 하는 기술은 뇌과학자들의 오랜 숙원이다. 국내 연구진이 인간과 같은 포유동물의 복잡한 뇌의 신경망을 지도화 하는 신기술을 개발했다.
지난 12월 7일 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국과학기술연구원(KIST, 원장 문길주)은 기능커넥토믹스WCI센터 김진현 박사팀이 미국 Janelia Farm Research Campus(Howard Hughes Medical Institute) 연구진과 공동연구를 통해 신경망 맵핑 기술을 개발했다고 밝혔다.
뇌 내의 신경세포들은 서로 신호를 주고받음으로서 감정, 학습, 기억, 행동, 판단 등의 중요한 기능을 수행한다. 이러한 신경세포들 간의 연결성은 뇌가 정상적으로 기능하는데 주요한 요소이기 때문에, 지난 한 세기동안 수많은 신경과학자들이 뇌 내 신경세포 간의 연결성을 규명하기 위해 많은 노력을 해왔다.
하지만 기존의 두 신경세포 간의 전기신호를 측정하는 방법으로 수천 개에서 수백억 개의 신경세포가 복잡하게 얽혀있는 뇌를 연구한다는 것은 한계가 있다. 그래서 한 번에 여러 개의 세포를 동시에 관찰할 수 있는 영상기술로 복잡한 신경망을 연구하고 있는데, 신경망 영상화는 광자(빛)를 사용하는 광학현미경과 전자를 사용하는 전자현미경을 통해 가능하다.
오랜 기간 뇌의 신경망 활동과 행동의 연결고리를 찾고자 하는 신경과학자들의 열망은 최첨단 기술의 개발을 가져왔고, 이를 통해 신경 회로안 시냅스 연결부위를 지도화하는 연구가 계속되어 왔다. 역사적으로 시냅스 형성에 물리적 접촉이 요구된다는 사실에 바탕을 두고, 시냅스 연결성의 존재 여부를 파악하는데 시냅스 전 뉴런의 축삭돌기 축과 시냅스 후 뉴런의 수상돌기 축 사이 겹치는 정도가 이용되었다.
그런데, 광학현미경으로는 물리적 해상도의 제한으로 20nm 간격으로 연결된 신경 전달위치, 시냅스(synapse)를 정확히 관찰할 수 없다. 또한, 전자현미경으로도 시냅스 관찰은 가능하나 시간과 노력이 지나치게 소요된다는 단점이 있다. 실제로 2002년 노벨 생리의학상을 수상한 Sydney Brenner 박사는 300여개의 신경세포를 갖고 있는 선충(지렁이, C. elegans)의 신경망을 전자현미경으로 지도화 하는데 20년을 투자한 바 있다.
김진현 박사님, mGRASP 기술 개발
실제적인 시냅스 구조 간 연결 가능성과 통계학적 특성은 고해상도 전자현미경 데이터를 통한 신경회로 복원을 통해 밝혀질 수 있다. 하지만, 최근 최첨단 전자현미경 사용에 있어서의 발달에도 불구하고, 이러한 접근 방식은 신경세포 조직의 중대한 부분을 재 복원하는데 많은 시간이 소모하며, 측정하는 양에도 제한적이다.
김 박사팀은 20nm 간격의 시냅스를 광학현미경으로 비교적 쉽게 찾아낼 수 있는 mGRASP(mammalian GFP Reconstitution Across Synaptic Partners) 기술을 개발해 이러한 문제를 해결했다. mGRASP 기술은 최근 생명공학계에서 널리 쓰이는 녹색형광물질(GFP)을 두 분자로 쪼개서 나눈 split-GFP를 이용한다. 일단 나누어진 split-GFP분자들은 형광성을 띄지 않는데, 두 분자가 공간적으로 가까워지면 다시 형광을 띄게 된다. 김 박사는 이 split-GFP 분자 두 개를 포유동물에서 각각 신호를 주는 신경세포(presynaptic)와 신호를 받는 신경세포(postsynaptic)에 표적하여 20nm의 시냅스에서만 다시 녹색형광을 띄게하는 분자 엔지니어링에 성공하였다.
mGRASP를 모델동물에 적용하면 위 그림처럼, 무형광의 잘려진 GFP 두분자가 시넵스에서 다시 형광형성을 하게 된다. 아래 그림은 mGRASP를 이용하여 기억과 학습에 중요한 해마(hippocampus)의 한 신경세포의 시넵스 분포를 디지탈화하여 보여준 것으로, 해마의 신경세포들의 하나하나 3-D위치에 따라 시넵스 분포 관찰을 가능케 한다.
본 기술의 개발로 기존 연구방법의 한계를 극복할 수 있게 되어 이전보다 훨씬 빠르고 정확하게 시냅스를 찾아낼 수 있게 되어 향후 종전의 기술로는 연구가 거의 불가능했던 복잡한 뇌의 신경 네트워크를 이해하고, 나아가 자폐증과 같이 신경망의 이상으로 인한 신경질환의 원인과 치료방법을 연구하는데 큰 역할을 할 것으로 기대된다.
본 연구내용은 편집위원회로부터‘앞으로 가장 많이 인용될 논문들 중 하나’라는 호평을 받으며, 지난 12월 4일 Nature Methods 온라인 판에 게재되었다.
글. 장래혁 editor@brainmedia.co.kr