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시각 정보가 행동으로 변환되는 신경회로 규명
우리 대학 생명과학과 이승희 교수 연구팀이 시각 정보를 인식해 목표 지향적 행동을 결정하는 대뇌 전두엽의 신경회로 기전을 새롭게 규명했다고 26일 밝혔다.
이 교수 연구팀은 시각 피질과 상호 작용하는 전측 대상회(전대상) 피질(Anterior cingulate cortex, ACC)의 억제성 신경회로가 동물이 시각 정보를 인식하고 이에 맞는 정확한 행동을 개시하는 데 중요한 역할을 함을 밝혔다. 연구 결과는 포유류 전두엽 전대상 피질의 신경회로가 어떻게 시각 인지 행동 및 충동적 행동을 제어할 수 있는지를 새롭게 규명해, 주의력결핍과잉행동장애(ADHD)와 같은 인지장애 및 충동성을 주 증상으로 하는 뇌질환 치료에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
생명과학과 김재현 박사가 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `네이처 뉴로사이언스 (Nature Neuroscience, IF 20.071)' 8월 19일 字 온라인판에 게재됐다. (논문명 : Gated feedforward inhibition in the frontal cortex releases goal-directed action)
우리는 외부 환경에서 유입되는 다양한 감각 정보를 인지해 상황에 맞는 행동을 수행한다. 한 예로, 운전할 때 신호등 앞에서 빨간색 신호를 보면 출발하지 않고 멈춰야 하며, 초록색 신호로 바뀌면 출발하게 된다. 이처럼 시각 정보를 인식하고 이에 맞는 운동 행동을 결정하기 위해 우리 뇌는 받아들인 감각 정보를 적절한 운동 정보로 변환해야 하는데, 이 교수 연구팀은 이것이 전대상 피질의 억제성 회로에 의해 이루어짐을 밝혔다.
연구팀은 뇌가 받아들인 시각 정보를 어떻게 운동 정보로 전달하는지 규명하기 위해, 시각 자극을 보면 물을 핥고 그렇지 않으면 물 핥기를 멈추는 목표 지향적 행동을 학습시킨 생쥐의 전대상 피질에 고밀도 실리콘 전극을 삽입해 생체 내 신경 신호를 측정 및 분석했다. 그 결과, 전두엽 전대상 피질 내에서 시각 피질로부터 정보를 받는 시각 반응성 신경세포들이 주변의 세포들을 억제할 경우 생쥐가 운동을 개시할 수 있음을 밝혔다.
또한, 약물적 방법을 이용해 전대상 피질의 활성 정도를 낮추게 되면 생쥐는 시각 자극이 주어지지 않았음에도 불구하고 충동적으로 목표 지향적 행위를 지속하는 비정상적인 행동 양상을 보였다. 이를 통해 전대상 피질은 정상적인 감각-운동 변환 과정에서도 핵심적인 기능을 수행할 뿐 아니라, 시각 정보가 없을 때 운동 개시를 멈추고 기다려야 하는 충동 조절에도 중요한 역할을 하고 있음을 밝혔다.
이 교수 연구팀은 바이러스 추적자, 광유전학, 다채널 전극 레코딩과 같은 신경과학 최첨단 실험 기법을 활용해 전대상 피질 내의 신경세포 타입과 회로가 어떠한 방식으로 시각 정보를 목표 지향적 운동 행위로 변환하는지에 대한 신경 메커니즘 원리를 최초로 규명했다.
전대상 피질에는 시각 정보에 반응하는 시각 반응성 신경세포, 운동 개시를 억제하는 운동 억제성 신경세포, 그리고 시각 정보와 운동 개시에 반응하지 않는 나머지 신경세포들이 존재함을 확인했다. 그리고 이와 같은 세 종류의 뉴런들의 신경 활성도는 생쥐가 시각 정보를 인지하여 행동을 개시하는 반응 속도와 유의미한 상관관계가 있음을 규명했다.
특히, 광유전학적(optognetics) 방법을 이용한 실험에서, 전대상 피질의 시각 반응성 뉴런들은 시각 피질로부터 신경 정보를 직접 전달받음을 확인했고, 광 자극으로 해당 신경 회로를 활성화할 때 시각 자극이 없어도 생쥐의 목표 지향적 행동을 유발할 수 있음을 증명했다.
이승희 교수는 "이번 연구 결과는 주의력결핍과잉행동장애 및 조현병과 같은 질병에서 전대상 피질이 정상적으로 작동하지 못할 때 나타나는 행동 장애를 치료하기 위한 정밀한 신경회로 타겟을 제시했다ˮ라고 말했다.
한편, 이번 연구는 한국 연구재단 및 KAIST 글로벌 특이점 프로그램의 지원을 통해 수행됐다.
2021.08.26 조회수 10320 -
주의력결핍 과잉행동장애의 유전적 요인 규명
- 네이처 메디신 온라인 판에 4월 18일 게재
- “새로운 주의력결핍 과잉행동장애 치료법 개발의 가능성 열어”
우리학교 생명과학과 김은준 교수와 강창원 교수의 공동연구팀이 주의력결핍 과잉행동장애(ADHD)가 뇌의 신경 시냅스 단백질(GIT1)이 부족해서 발생한다는 것을 세계 최초로 밝혔다.
전 세계 취학아동의 5% 정도가 겪고 있는 ADHD(Attention Deficit Hyperactivity Disorder)는 주의가 산만하고 지나친 행동을 하면서 충동적 성향을 보이는 성장기 아동의 뇌 발달 장애다.
연구팀은 이 증상이 있는 아동들과 없는 아동들의 유전자형을 비교하는 유전역학 연구를 통해 GIT1 유전자의 염기 한 개가 달라서, 이 단백질이 적게 만들어지는 아동들에서 ADHD의 발병 빈도가 현저히 높다는 것을 발견했다.
또한, 생쥐 실험에서 GIT1의 유전자를 제거해 이 단백질을 합성하지 못하게 하면 ADHD 증상을 보인다는 것을 동물행동 분석 및 신경과학 실험을 통해 밝힘으로써 GIT1과 ADHD의 인과관계를 뒷받침했다.
GIT1 결핍 생쥐들이 사람의 ADHD처럼 과잉행동을 보이고, 학습능력이 떨어지며 비정상적인 특이 뇌파를 내는 것을 확인한 것이다. 아울러 이런 생쥐에 ADHD 치료약을 투여하면 ADHD 증상들이 사라지는 것도 확인됐다.
ADHD 아동이 성인이 되면 과잉행동이 없어지는데, GIT1 결핍 생쥐도 2개월째에는 보이던 과잉행동이 7개월(사람의 20-30세에 해당)이 되면 사라지는 것을 확인했다.
KAIST 생명과학과 김은준 교수는 “신경세포를 흥분시키는 기작과 진정시키는 기작이 균형을 이뤄야 하는데, GIT1이 부족하면 진정 기작이 취약해서 과잉행동을 억제하지 못하는 것으로 추정한다”고 말했다.
또한, 같은 학과의 강창원 교수는 “이번 연구 성과는 ADHD 발병기작을 연구하거나 신약을 개발하는 데 GIT1 결핍 생쥐를 모델생물로 사용할 수 있게 돼 새로운 ADHD 치료법 개발의 가능성을 열었다는 평가를 받고 있다”고 말했다.
이번 연구 성과는 의약학계 세계 최고 학술지인 네이처 메디신(Nature Medicine, Impact Factor 27.136)의 4월 18일자 온라인 판에 게재됐다. 특히, 이 학술지에 게재된 논문 중 그 중요성을 인정받아 전 세계 언론에 특별히 소개됐다.
한편, 이번 연구는 한국연구재단의 창의적연구진흥사업을 수행하는 김은준 교수 연구실의 원혜정, 마원 박사과정 학생과 핵심연구지원사업을 수행하는 강창원 교수 연구실의 김은진 박사가 주도했다.
이외에도 김대수(KAIST 생명과학과), 정재승(KAIST 바이오및뇌공학과), 조수철, 김재원(서울대병원 소아정신과), 최세영(서울대 치대 생리학교실) 교수의 연구팀들이 참여했으며, 신경생물학, 유전체학, 신경유전학, 신경생리학, 뇌공학, 소아정신과 등 여러 분야 전문가들이 협업해 성공한 모범적 사례다.
※ 그림 설명
GIT1 결핍 생쥐가 ADHD 아동처럼 어려서는 과잉행동을 보이다가 성장하면 정상이 되고, ADHD 치료약을 투여해도 정상이 된다.
2011.04.18 조회수 17497