뇌신경세포 신호전달 최종단계 원리 선보여

이석호 교수

아주경제 이한선 기자= 국내연구진이 국제공동 연구를 통해 뇌신경세포 신호전달 최종단계에 대한 새 모델을 내놨다.

미래창조과학부는 서울대학교 의과대학 이석호, 호원경 교수 연구팀이 1991년 노벨생리의학상 수상자인 독일 막스플랑크연구소 네어 교수와 공동으로 신경세포가 다음 신경세포로 신호를 전달하는 시냅스소낭 신경전달 물질 분비 과정에 대한 새로운 모델을 수립해 제시했다고 27일 밝혔다.

이번 연구성과는 신경전달물질 분비신호 세기의 변화인 단기시냅스 가소성을 이해하는 계기를 마련한 것으로 향후 뇌신경회로 분석 및 뇌에서의 정보처리 방식에 대한 이해를 도와 뉴로컴퓨팅 분야 발전에 기여할 것으로 기대된다.

시냅스는 두 신경세포간 신호전달이 일어나는 연결부위로 시냅스전세포에 전기적 흥분이 도달하면 신경전달물질을 분비하는데 이 물질이 시냅스후세포의 이온통로를 열어 시냅스후세포에도 전기적 신호를 발생시킨다.

시냅스소낭은 신경전달물질을 담고 있는 0.04마이크로미터 크기 작은 주머니로 시냅스전말단에 존재하고 전기적 흥분이 도달하면 이온통로로 이동해 갖고 있는 물질을 세포막 밖으로 분비한다.

단기시냅스 가소성이란 시냅스연결 강도의 변화를 뜻하는 것으로 전기적 흥분이 계속해서 도달할 때 신경전달물질 분비 신호 크기가 점점 약화되거나 강화되는 현상을 말한다.

이번 연구는 미래부와 한국연구재단이 추진하는 선도연구센터지원사업 등의 지원으로 수행됐고 연구결과는 미국립과학원회보(PNAS) 27일자 온라인판에 게재됐다.

신경세포가 흥분하면 세포막의 이온통로가 열리면서 칼슘이온이 세포 안으로 유입되는데 이 칼슘이온이 다음 신경세포를 자극하기 위한 시냅스소낭 안의 신경전달물질 분비의 스위치가 된다.

신경세포 내 시냅스소낭 중에는 다음 신경세포로 신호가 즉각 전달되도록 이온통로 근처에서 칼슘이온에 빠르게 반응하는 준비된 즉각 분비 시냅스소낭(RRP)이 존재한다.

이 같은 RRP는 세포내 전체 시냅스소낭 풀 가운데 1～5%에 불과해 신호가 계속 이어진다면 고갈되기 쉽다.

RRP의 고갈을 보완하기 위해 이온통로에서 멀리 있던 시냅스소낭들이 이온통로 가까이로 이동한다는 사실을 지난해 이 교수 연구팀이 밝혀 미국립과학원회보(PNAS)에 게재한 바 있다.

예비군 시냅스소낭을 RRP 소낭으로 만들기 위한 준비과정인 ‘이온통로와의 거리 좁히기’와 칼슘이온에 대한 반응속도, 즉, ’칼슘민감도 높이기’ 간의 상관관계는 알지 못했다.

연구팀은 고갈된 RRP 소낭을 대체하기 위해 멀리 있던 시냅스소낭들이 이온통로와의 거리를 좁히는 과정과 칼슘민감도를 높이는 과정이 순차적으로 일어나는 별개의 과정임을 알아냈다.

멀리 있던 시냅스소낭들이 평균 0.06초 이내 빠른 속도로 이온통로 가까이로 이동한 후 3.6초에 걸쳐 칼슘민감도를 서서히 높이면서 즉각 분비를 위한 준비를 통해 RRP로 바뀜을 밝혀냈다.

신경신호전달의 스위치 같은 시냅스소낭 분비과정의 최종단계를 실험적으로 규명해 뇌에서의 정보처리 원리 이해 등에 기여할 것으로 기대된다.

이 교수는 “신경전달에 관여하는 시냅스소낭 분비에 대한 표준모델을 제시함으로써 향후 단기시냅스 가소성 연구와 응용분야인 뉴로컴퓨팅 연구에 광범위한 영향을 끼칠 것”이라고 밝혔다.