December 13,2019

뇌는 어떻게 장기 기억을 보존하나?

장기 기억 유지하는 분자 메커니즘 밝혀

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뇌는 감미로운 첫 키스로부터 아기의 탄생에 이르기까지 우리의 소중한 기억들을 안전하게 보존한다. 이러한 신기한 재주는 어떻게 가능하며, 어떤 과정을 거쳐 작동할까?

미국 컬럼비아대 신경과학자들은 실험용 쥐 세포를 이용한 새로운 연구에서 뇌가 이런 종류의 장기 기억을 유지하도록 하는 분자 메커니즘(molecular machinery)를 밝혀내는데 성공했다.

연구팀은 뇌의 신경세포인 뉴런의 활동을 관찰해, 특정 단백질(CPEB3)이 어떻게 뉴런으로 하여금 시간이 지나도 기억들을 저장할 수 있도록 준비시키는지를 확인했다.

미국 국립과학원 회보(PNAS) 12일 자에 발표된 이번 연구는 뇌의 가장 보편적이며 기본적인 분자 기능 중 하나에 대한 전혀 새로운 관점을 보여주었다는 평이다. 아울러 알츠하이머병 같은 기억 상실로 특징지어지는 신경퇴행성 질환 치료를 위한 새로운 목표도 제시했다.

실험에서 자극을 주자 기억 생성에 관여하는 CPEB3(녹색) 단백질이 뉴런의 신경가지에 집중적으로 나타났다. Credit: Lenzie Ford and Luana Fioriti/Kandel lab/Columbia's Zuckerman Institute

실험에서 자극을 주자 기억 생성에 관여하는 CPEB3(녹색) 단백질이 뉴런의 신경가지에 집중적으로 나타났다. ⓒ Lenzie Ford and Luana Fioriti/Kandel lab/Columbia’s Zuckerman Institute

기억은 존재의 기본

논문 공동 시니어저자로 지난 2000년 기억의 분자적 기초 연구로 노벨생리의학상을 받은 에릭 캔들(Eric Kandel) 교수(뇌과학 ·컬럼비아 모티머 주커만 마인드 브레인 행동 연구소 공동소장)는 “기억은 우리가 누구인가 하는 정체성을 만들어 주며, 우리의 삶에 스며들어 존재의 기본이 된다”고 말했다.

그러나 그는 “기억은 그 핵심에서 보면 심장 박동과 다르지 않은 생물학적 과정으로서 우리는 이번 연구를 통해 우리 삶의 과정 속에서 기억을 만들고 보존하고 회상하는 두뇌 능력의 이면에 있는 분자 기반을 새롭게 조명했다”고 밝혔다.

모든 기억들, 심지어 덧없이 흘러가는 기억들도 뉴런에서 뻗어나가는 축색돌기(axon)라는 작은 가지들이 서로 연결될 때 만들어진다.

시냅스(synapses)라고 불리는 이 연결점들은 마치 악수하는 것과 같아 강할 수도 있고 약할 수도 있다. 만약 연결이 약하면 기억은 사라질 수 있다. 반대로 강하다면 오래 지속될 수 있다.

일반적인 뇌 활동에서 뉴런들은 축색돌기(axon)를 따라 이동하는 전기신호를 발생한다. 전기신호가 시냅스로 불리는 연결점에 도달하면 신경전달물질이 방출된다. 이 신경전달물질이 다른 세포의 수용체와 결합해 전기적 활동을 변화시킨다. 기억의 경우 해마의 뉴런 중심체에서 생성된 CPEB3가 축색돌기를 따라 이동해 시냅스에서 방출됨으로써 기억 생성과 유지를 돕는다.  Credit: Wikimedia / NIH / NIA

일반적인 뇌 활동에서 뉴런들은 축색돌기(axon)를 따라 이동하는 전기신호를 발생한다. 전기신호가 시냅스로 불리는 연결점에 도달하면 신경전달물질이 방출된다. 이 신경전달물질이 다른 세포의 수용체와 결합해 전기적 활동을 변화시킨다. 기억의 경우 해마의 뉴런 중심체에서 생성된 CPEB3가 축색돌기를 따라 이동해 시냅스에서 방출됨으로써 기억 생성과 유지를 돕는다. ⓒ Wikimedia / NIH / NIA

CPEB3 단백질 없으면 기억 사라져

연구자들은 최근 시냅스를 강화하면 해부학상으로 관찰이 가능한 변화를 일으킨다고 보고했다.

2015년 캔들 박사팀은 쥐 실험을 통해 이런 해부학적 변화에 핵심적인 역할을 하는 CPEB3라는 단백질을 확인해 냈다. 이들은 기억이 형성되고 떠올려질 때 뇌의 시냅스에 CPEB3가 존재한다는 사실을 발견했다.

연구팀이 쥐에게서 CPEB3가 만들어지는 것을 방해하자 쥐는 새로운 기억을 형성하기는 했으나 이를 그대로 유지하지는 못했다.

논문 공동 시니어저자인 루아나 피오리티(Luana Fioriti) 박사(이태리 밀라노 소재 마리오 네그리 약학연구소 수석 연구원)는 “CPEB3가 존재하지 않자 시냅스 연결이 끊어지고 기억이 사라졌다”며, “뉴런 안에서 CPEB3의 정확한 기능을 발견한 것이 이번 연구의 원동력이 되었다”고 밝혔다.

기억의 생성과 안정화

CPEB3는 뇌의 기억 중추인 해마 내 뉴런의 중심체 안에서 일정한 간격으로 생성된다. 연구팀은 이번 연구에서 일단 CPEB3가 생성되면 이를 휴면상태로 만들어 사용할 수 있도록 준비하는 분리된 방인 P체(Processing bodies,P-bodies)로 옮겨진다는 사실을 발견했다.

논문 공동 제1저자인 렌지 포드(Lenzie Ford) 캔들교수실 박사후 연구원은 “P체에는 CPEB3를 담을 수 있는 세포막 같은 물리적 장벽이 없다”고 말하고, “대신 P체는 주변보다 밀도가 더 높아 이 밀도 차이가 P체들을 서로 붙어있도록 함으로써 CPEB3가 세포의 다른 부분으로 빠져나가지 않고 안에 남아있게 하는 일종의 생물물리학적 힘의 장을 만들어낸다”고 설명했다.

P체가 일단 휴면 CPEB3로 가득 차면 뉴런의 중심을 떠나 신경가지를 따라 시냅스 쪽으로 이동한다. 그리고 동물이 어떤 경험을 하고 기억을 형성하기 시작하면 P체는 용해되고, CPEB3가 시냅스로 방출돼 기억 생성을 돕는다.

시간이 지나면서 CPEB3가 더 많이 방출되면 이 시냅스들은 강화된다. 이는 뉴런의 해부학적 상태를 변화시키고 그 결과 기억이 안정화된다.

해마에서 뻗어나온 피라미드형 뉴런(녹색) 모습.  Credit: Wikimedia / PLoS

해마에서 뻗어나온 피라미드형 뉴런(녹색) 모습. ⓒ Wikimedia / PLoS

신경퇴행성 질환 치료의 유망한 타깃

캔들 교수는 “이번 연구 결과는 단백질 합성이 기억 유지에서 중심적 역할을 한다는 점을 강조한다”고 말했다.

그는 “우리가 아직 발견하지 못한 추가적인 과정들이 존재할 수 있으나 이번 연구는 최첨단의 생화학, 유전학 및 현미경 도구를 통합해 비할 데 없이 상세하게 기억의 멋진 생물학적 메커니즘을 보여준다”고 평했다.

이번 연구는 기억에 대해 밝힌 내용 외에 기억 상실로 특징지어지는 신경퇴행성 질환에 대한 통찰력도 보여준다.

기억 저장에서 CPEB3의 중요성이 입증되었고 인체의 뇌에도 CPEB3의 한 버전이 존재하기 때문에, 연구팀은 이 단백질을 신경퇴행성 질환 치료에서 관심을 기울여 볼 수 있는 유망한 영역으로 보고 있다.

피오리티 박사는 “시냅스가 어떻게 형성되고 시간이 지나면서 어떻게 강화되는지에 대한 과학은 알츠하이머병과 같이 기억이 연관된 시냅스들이 퇴화하고 죽어가는 질환들을 해독하는데 중요하다”고 말했다.

그는 “기억에 대한 이런 이해를 계속 구축해 나감으로써 언젠가는 시냅스 퇴화를 막아 기억 손실을 늦출 수 있도록 CPEB3를 증강시키는 유용한 방법을 개발할 수 있을 것”이라고 기대를 표했다.

 

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