국내 연구진이 신경세포 간 연결신호를 실시간 관찰할 수 있는 기술을 세계 최초로 개발했다.
KAIST는 생명과학과 허원도 교수팀이 존스홉킨스 의과대학 권형배 교수팀, 기초과학연구원(IBS) 인지 및 사회성 연구단 이상규 박사팀과 공동연구로 시냅스의 형성과 소멸 및 변화를 실시간 관찰할 수 있는 기술개발에 성공했다고 9일 밝혔다.
시냅스 관찰 기술 시냅샷(SynapShot) 모식도(왼쪽)와 신경세포에서 관찰된 시냅스의 현미경 사진. KAIST 인지, 감정, 기억 등의 뇌 활동은 신경세포가 서로 전기화학적 신호를 전달하며 나타나는 현상이다.
이 때 신호가 전달되는 부분인 시냅스는 노화 또는 알츠하이머 등의 질병에서 감소하는 것으로 알려졌지만, 시냅스의 구조 변화를 실시간 관찰하는 데 한계가 있었다.
공동연구팀은 형광단백질(ddFP)을 시냅스와 결합시켜 신경세포 간 시냅스 연결과정을 실시간으로 관찰할 수 있는 기술을 개발, 이를 시냅스(Synapse)와 스냅샷(Snapshot)을 조합해 시냅샷(SynapShot)으로 명명했다.
허 교수팀은 IBS 이 박시팀과 초록·빨강 형광을 띠는 시냅샷을 디자인하고 두 개의 서로 다른 신경세포와 연결된 시냅스를 쉽게 구별해 관찰했다.
여기에 빛으로 분자 기능을 조절할 수 있는 광유전학 기술을 융합, 신경세포의 특정 기능을 빛으로 조절하면서 동시에 시냅스 변화를 관찰했다.
시냅스 관찰 기술과 광유전학 기술을 함께 이용한 시냅스 구조변화 관찰. KAIST 또 허 교수팀은 존스홉킨스 권 교수팀과 생쥐에게 시각적 구별 훈련, 운동 및 마취 등 여러 상황을 유도하고 각 과정에서 시냅스 변화를 실시간 관찰, 각각의 시냅스가 빠르고 역동적으로 변화함을 확인했다.
이는 살아있는 포유류의 시냅스 변화를 세계 최초로 관찰한 것이다.
학습시킨 생쥐의 대뇌 시각 피질에서 생체 내 이미징 기술로 실시간 시냅스 변화 관찰. KAIST 이를 통해 생애주기별 시냅스의 형성과 소멸 과정의 역동성이 어떻게 조절되는지 밝히고, 이 과정에 문제가 생겼을 때 어떻게 뇌 발달장애나 퇴행성 뇌질환으로 이어질 수 있는지 원인을 규명할 수 있는 길이 열었다.
허 교수는 “국내외 공동연구로 지금까지 구현하기 어려웠던 시냅스의 빠르고 역동적인 형성과 변화를 직접 관찰할 수 있는 가능성을 열었다”며 “이는 뇌과학 연구방법론에 혁신을 가져올 것”이라고 기대했다.
