새로운 운동을 배울 때 뇌의 별아교세포가 도파민 신호를 읽고 불필요한 신경 연결을 스스로 지워 학습을 완성한다는 연구결과가 나왔다.
기초과학연구원(IBS) 혈관연구단 정원석 부연구단장과 UNIST 김재익 부교수 공동 연구팀은 생쥐 운동 학습과정을 관찰해 별아교세포가 신경세포 간 신호를 전달하는 시냅스를 선택적으로 제거하는 원리를 규명했다.
수영을 배울 때 처음엔 팔과 다리가 따로 놀며 제어가 어렵지만, 연습을 거듭하면 의식하지 않아도 저절로 부드럽게 움직인다. 이는 뇌 신경회로가 복잡한 동작 중 불필요한 연결은 지우고 필요한 회로만 남겨 효율적인 패턴을 만들기 때문이다.
이처럼 새로운 운동을 익힐 때 뇌 신경회로를 재구성하는 리모델링은 학습 필수 과정이다.
그동안 이런 뇌 회로 재구성은 주로 신경세포가 주도하는 것으로 알려졌다.
그러나 이번 연구는 뇌에서 가장 많이 존재하는 별아교세포가 회로 재편을 이끄는 핵심 조력자라는 것을 확인했다.
연구팀은 고해상도 이미징 기술로 생쥐 뇌 속 시냅스 변화를 추적했다.
그 결과 학습을 진행할수록 별아교세포가 시냅스를 먹어 치우는 포식작용이 뚜렷하게 늘어나는 모습을 포착했다.
이 과정은 별아교세포에 있는 포식 수용체 ‘MEGF10’이 주도하고, 뇌의 청소부 역할을 하는 미세아교세포(Microglia) 등 포식 능력을 갖춘 다른 교세포는 운동 학습 과정에서 시냅스 제거에 거의 관여하지 않았다.
이는 별아교세포가 불필요한 시냅스를 정리하는 역할을 하는 것으로, 포식 수용체인 MEGF10을 없앤 생쥐는 시냅스 제거가 늘어나지 않았고 운동학습 능력도 유의미하게 떨어졌다.
연구팀은 별아교세포가 제거할 시냅스를 선택하는 기준이 신경 활동과 도파민 신호임을 밝혀냈다.
실제 연구팀이 대뇌 운동피질 신경 활동을 인위적으로 늘리자 별아교세포 시냅스 포식작용도 늘어났고, 신경 회로가 많이 활성화할수록 시냅스 재정비 과정도 활발해졌다.
또 운동 제어와 보상 시스템 핵심 부위인 ‘뇌 기저핵 선조체(Striatum)’에 도파민 분비를 늘린 결과, 선조체를 구성하는 주요 신경세포인 중간가시신경세포(MSNs) 종류에 따라 별아교세포가 반대로 반응했다.
특정 동작을 시작하도록 돕는 성공 회로인 D1 수용체 세포(D1형)에서는 별아교세포가 시냅스 제거를 멈추고 연결을 단단하게 고정했다.
반면 불필요한 동작을 억제하는 D2 수용체 세포(D2형)에서는 별아교세포가 시냅스를 적극적으로 없애며 회로를 다듬었다.
이는 실제 수영할 때 성공적인 호흡이나 팔 동작을 뇌에 깊이 각인하는 역할과, 수영을 방해하는 힘을 빼고 동작을 정교하게 솎아내는 결과로 나타난다.
이번 연구는 단순 보조자로 여겼 별아교세포가 신경 활동과 도파민 신호를 읽고 시냅스를 직접 정리하는 능동적 조절자 역할을 증명한 것으로, 파킨슨병이나 중독 등 도파민 관련 질환 원리를 이해하는 중요 단서를 제공한다.
연구팀은 이 메커니즘이 다른 학습과 기억에도 공통으로 작동하는지 확인하고 신경 회로 이상 질환 치료 전략으로 발전시킬 계획이다.
정 부연구단장은 "학습은 새로운 시냅스를 만드는 과정 이상의 필요 없는 연결을 지우며 회로를 정교하게 다시 연결하는 과정까지 포함한다"며 "그 중심에 별아교세포와 MEGF10이 존재한다는 사실을 체계적으로 규명해 의의가 크다"고 설명했다.
한편, 이번 연구는 IBS 연수학생인 최영진 KAIST 박사과정과 이영은 UNIST 박사과정이 제1저자로 참여했고, 연구결과는 23일 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 게재됐다.
(논문명: Motor learning and dopamine-dependent striatal synaptic plasticity are controlled by astrocytic MEGF10 / 저자 최영진(공동 제1저자, 기초과학연구원, 한국과학기술원), 이영은(공동 제1저자, 울산과학기술원), 김예민(공동저자, 울산과학기술원), 전재선(공동저자, 한국과학기술원), 김재익(공동 교신저자, 울산과학기술원), 정원석(교신저자, 기초과학연구원, 한국과학기술원))
