MIT 신경학자들은 최근 연구에서 인간이 집중을 하고 있을 때 우리가 보고 있는 것을 더욱 잘 기억해내는 신경회로의 원리를 밝혀냈다. 특히, 상기 신경 회로가 신경 전달 과정에서 오랫동안 생각하는 것에 대한 기억 향상을 돕는 특정 뇌 세포의 형태에 의존한다는 것을 신경학 연구팀은 발견하였다. 뇌가 집중을 하면, 성상세포(astrocyte)라 불리는 세포들은 어떤 시각 정보에 대해서도 강하게 반응하는 시각피질의 신경에 메시지를 전달한다. “2012년 9월 마지막 주에 미국 국립과학원 회보(Proceedings of the National Academy of Sciences, PNAS)에 게재된 본 논문의 결과는 성상세포가 감각 정보 처리에 핵심적인 역할을 한다는 증거를 최초로 제시한다”고 본 논문의 상급 저자이자 MIT 폴 E. 및 릴라흐 뉴턴 신경학과 교수(Paul E. and Lilah Newton Professor)인 므리간카 서(Mriganka Sur)는 말했다.

서 교수의 연구실은 성상세포에 대해 지난 5년간 연구를 수행해 오고 있으며, 피질에 존재하는 서로 다른 형태의 세포 기능을 밝히는 연구에 오랫동안 관심을 가져왔다. “별 모양의 성상세포는 150년 전에 최초로 발견되었지만, 지금까지 그 역할에 대해서는 밝혀진 바가 없다”고 학습 및 기억을 연구하는 MIT 피코워 연구소(MIT’s Picower Institute)의 일원이자 사회적 관점에서 뇌를 연구하는 MIT의 시몬스 센터(Simons Center)장인 서 교수는 말했다. 본 연구의 주저자는 대학원생인 나이얀 첸(Naiyan Chen) 및 연구 과학자인 히로키 수기하라(Hiroki Sugihara)이다. 그 외에 연구 과학자인 지텐드라 샤르마(Jitendra Sharma), 박사 후 연구원 게르트루디스 페리(Gertrudis Perea), 제레미 페트라비츠(Jeremy Petravicz), 기술 보조원 추웅 레(Chuong Le)가 본 논문을 공동 저술하였다.

반응을 강화시키는 집중(Attention strengthens response): 연구진은 본 연구에서 특정 시각 자극에 대해 뇌가 집중할 때 성상세포가 어떻게 반응하는지에 대해 집중하였다. 인간이 어떤 대상에 대해 집중하면, 눈 뒤쪽의 뇌 깊은 곳에 위치한 신경 기저(basalis)는 아세틸콜린(acetylcholine)이라는 신경 전달물질을 뇌에 쏟아낸다. 이러한 아세틸콜린의 일부는 시각피질의 성상세포에 전달된다. 성상세포가 본 자극에 어떻게 반응하는지를 밝히기 위해, 연구진은 서로 다른 방향을 가지는 평행한 선으로 구성된 일부 시각 패턴을 쥐에게 보여주면서 시각피질에 어떤 일이 발생하는지를 측정하였다. 하나의 시각 패턴에 대해, 연구진은 신경 기저가 동시에 아세틸콜린을 방출하도록 유도하였다. 본 과정은 성상세포 내에 칼슘의 농도를 급격히 증가시켰고, 이것은 뇌의 활동성이 높아지는 것을 의미한다.

쥐들에게 몇 분 후 같은 자극을 가하자, 다른 패턴에 비해 이전에 보았던 패턴을 보여주었을 때 시각 피질의 신경에서 더 강한 아세틸콜린 반응이 감지되었다. 그런 다음, 연구진은 성상세포가 작동하지 않도록 유전자 조작된 쥐들을 이용하여 동일한 실험을 반복하였다. 실험 결과, 신경 기저에 의한 시각 자극에 따른 신경 반응이 강하지 않다는 결과를 연구진은 얻었다. “만약 당신이 어떤 대상에 대해 집중하면, 아세틸콜린이 다량 방출될 것이고, 본 자극에 대해 장기간 기억할 수 있다. 하지만, 성상세포를 제거하면 본 현상은 나타나지 않는다”고 서 교수는 말했다.

선택된 반응에 대해 초기 활동성 수치 정도의 반응으로 신경이 돌아가는 데는 몇 십 분이 소요되었고, 그 동안 기억은 뇌에 강하게 남아 있게 된다. “본 연구는 지금까지 나온 어떤 결과보다 성상세포의 역할을 직접적으로 보여주며, 가소성에 대한 성상세포의 결정적인 역할을 보여준다. 다시 말해, 본 연구는 성상세포의 역할을 아주 명명백백하게 보여주고 있다”고 본 연구에 참여하지 않은 캘리포니아 대학교 신경학과 명예 교수인 마이클 메르제니치(Michael Merzenich)는 말했다.

뇌 기능 장애에 대한 중추 역할(‘Major players in brain disorders’):알츠하이머 병을 앓고 있는 환자들의 뇌에 아세틸콜린 수치가 낮다는 것은 이미 알려진 사실이다. 사실, 알츠하이머 환자들의 기억력을 향상시키기 위해 일반적으로 이용하는 치료법은 아세틸콜린 농도 저하를 막는 약을 처방하는 것이다. 연구진은 향후, 알츠하이머 병을 앓고 있는 쥐를 대상으로 성상세포의 역할을 연구할 계획이다. 서 교수의 연구실은 신경 억제 상황의 신경 기저 자극 효과에 대해서도 연구 중이다. 본 효과는 단기간에 일어나거나 불과 몇 초 동안 지속될 것이라 생각해 왔다. “성상세포와 같은 신경 억제 세포 형태가 뇌 기능 장애에 핵심적인 역할을 할 것이라고 아무도 예측하지 못하였듯이, 뇌의 피질층 기능에 대한 기본 메커니즘을 이해하지 않고서는 뇌 기능 장애를 이해할 수 없다”고 서 교수는 말했다. 본 연구는 미국 국립보건원(NIH) 및 시몬스 기금(Simons Foundation)의 지원으로 수행되었다.

1. 출처: MIT news(Sep. 27, 2012)
2.그림설명: 인간 성상세포. (출처: 위키피디아/브루노 파스칼)