KAIST, 뇌 시냅스 변화 실시간 관찰 성공

[아이뉴스24 최상국 기자] KAIST 생명과학과 허원도 교수 연구팀이 존스홉킨스 의과대, 기초과학연구원(IBS) 연구진과 공동으로 살아있는 동물에서 기억의 단위인 시냅스의 형성과 변화를 실시간으로 관찰하는 데 성공했다고 9일 발표했다.

시냅스 변화에 따른 뇌 기능 및 질환의 원인을 규명하는 데 핵심적 역할을 할 것으로 기대된다.

우리 뇌 속에는 약 860억 개의 신경세포와 신경세포 간의 신호를 주고받아 우리의 인지, 감정, 기억 등과 같은 다양한 뇌 기능을 조절하도록 돕는 600조 개에 달하는 시냅스가 존재한다. 흥미롭게도 노화나 알츠하이머병과 같은 질병 상황에서 시냅스는 감소하는 것으로 알려져, 시냅스에 관한 연구가 주목받고 있지만 아직 시냅스의 구조 변화를 실시간으로 관찰하는 데에는 한계가 있다.

KAIST 생명과학과 허원도 교수, 존스홉킨스 의과대학 권형배 교수 , 기초과학연구원(IBS) 인지 및 사회성 연구단 이상규 박사 공동연구팀은 형광 단백질(ddFP)을 시냅스와 결합시켜 신경세포 간의 시냅스 연결 과정을 실시간으로 관찰할 수 있는 기술을 세계 최초로 개발했다.

연구팀은 이 기술을 시냅스(Synapse)와 스냅샷 (Snapshot)을 조합한 '시냅샷(SynapShot)'이라고 이름지었다. 이 기술로 기존에는 구현하기 어려웠던 시냅스 형성과 소멸 그리고 역동적인 변화 과정을 실시간으로 추적하고 관찰하는데 성공했다.

KAIST-IBS 공동연구팀은 초록과 빨강 형광을 띠는 시냅샷을 디자인함으로써 두 개의 서로 다른 신경세포와 연결된 시냅스를 쉽게 구별해 관찰할 수 있게 했다. 또한, 빛으로 분자의 기능을 조절할 수 있는 광유전학 기술을 융합해 신경세포의 특정 기능을 빛으로 조절하면서 동시에 시냅스의 변화를 관찰하는 데 성공했다.

KAIST-존스 홉킨스 대 연구팀은 개발한 시냅샷으로 살아있는 생쥐의 시냅스 변화를 실시간으로 관찰했다. 생쥐에게 시각적 구별 훈련, 운동 및 마취 등 여러 상황을 유도하고 각 과정에서 각각의 시냅스가 빠르고 역동적으로 변하는 것을 봤다. 살아있는 포유류의 시냅스 변화를 관찰한 것은 세계 처음이라고 연구팀은 설명했다.

IBS 이상규 박사는 “이 기술은 생애주기별 시냅스의 형성, 소멸 과정의 역동성이 어떻게 조절되는지를 밝히고, 이러한 과정에 문제가 생겼을 때 어떻게 뇌 발달 장애 및 퇴행성 뇌 질환 등으로 이어질 수 있는지 그 원인을 규명하는데 중요한 역할을 할 것”이라고 말했다.

허원도 교수는 “시냅샷 기술로 과거에는 구현하기 어려웠던 시냅스의 빠르고 역동적인 형성과 변화를 직접 관찰할 수 있는 가능성을 열었으며, 이 기술은 뇌과학 연구분야의 연구방법론에 혁신을 가져올 것으로 예상되며 뇌 과학의 미래를 밝히는 중요한 역할을 할 것으로 기대된다"고 말했다.

KAIST 생명과학과 손승규(박사과정), 이진수(박사과정), 존스홉킨스 의과대학 정강훈 박사가 공동 제1 저자로 수행한 이번 연구는 국제 학술지 ‘네이처 메쏘드(Nature Methods)’ 2024년 2월호 인쇄판에 게재될 예정으로, 1월 8일자로 온라인판에 게재됐다. (논문제목: Real-time visualization of structural dynamics of synapses in live cells in vivo). (Impact Factor: 47.99). (DOI: 10.1038/s41592-023-02122-4)