새로운 축색돌기의 기능

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2011-02-23

뉴런은 복잡하지만 그 기본적인 기능상의 개념은 간단하다: 즉, 시냅스 (synapses)는 전기신호를 수상돌기 (dendrites)와 세포에 전달하여 입력하게 되며 축색돌기 (axon)는 신호를 외부로 전달하여 출력하게 한다. 최근 미국 노스웨스턴 대학 (Northwestern University)의 과학자들은 축색돌기가 그 반대기능을 한다는 사실을 발견했다: 즉, 축색돌기는 신호를 세포에 보내기도 한다는 것이다. 또한 축색돌기는 서로 상호소통을 한다. 거꾸로 신호를 전달하기 전에 축색돌기는 그 자체로 세포체나 수상돌기와의 연관성 없이 신경 메커니즘을 작동하기도 한다. 이것은 뉴런의 한 개의 축색돌기가 다른 뉴런의 축색돌기가 아닌 수상돌기나 세포체와 접촉하여 소통을 한다는 전통적인 주장과 전혀 다른 것이다. 그리고 수상돌기에서 작동하는 신경 메커니즘과 다르게 축색돌기의 신경 메커니즘은 수천 배 정도 그 속도가 느려 잠재적으로 빠르게 뉴런에 입력되는 수상돌기와 느리게 입력되는 축색돌기에 대한 수단을 마련할 수 있게 될 수 있다.

정상적인 뉴런이 작동하는 방법에 대한 심도 깊은 이해는 간질이나 자폐증, 알츠하이머 질환이나 정신분열과 같은 신경질환을 연구를 하는 과학자들에게는 매우 중요하다. 이번 발견은 학술지 ‘Nature Neuroscience’지에 발표되었다. 와인버그 컬리지 (Weinberg College of Arts and Sciences)의 신경생물학 및 생리학 교수이며 이번 연구논문의 수석 저자이기도 한 넬슨 스프러스턴 (Nelson Spruston)은 “우리는 기존 교과서에 실린 것과는 전혀 다른 뉴런의 작동기제에 대한 근본적인 것들을 발견했다. 신호는 축색돌기의 끝에서 시작하여 세포체를 향해 이동한다. 이것은 보통은 정반대 방향으로 이동하게 된다. 이번 발견은 정말 놀라운 결과이다”고 말했다.

스프러스턴과 동료들은 개별적인 신경세포가 신호를 세포체나 수상돌기에서 전기자극이 없는 상태에서도 발사된다는 것을 처음으로 발견했다. 자극이 없어도 즉각적으로 활동전위 (action potential)이 일어난다는 것이다 (활동전위는 뉴런에서 신호를 전달하는 근본적인 전기신호 방법으로 뉴런의 신경막 전압의 매우 미묘한 단기적인 변화를 의미한다). 나중에 사용하기 위해 전화번호를 외우는 것과 같은 작업기억 (working memory)처럼 신경세포는 몇 초에서 몇 분까지 오랜 시간 동안 (뉴런에게 이것은 매우 긴 시간이다) 자극과 결합하고 저장할 수 있는 것이다. 뉴런이 경계점에 도달하게 되면 뉴런은 일련의 신호 또는 활동전위를 자극이 없는 상태에서도 전달하게 된다. 연구자들은 이것을 지속적 신호전달 (persistent firing)이라 부르고 이러한 현상은 축색돌기에서 일어나는 것으로 생각되고 있다.

스프러스턴의 연구팀은 1분에서 2분 동안 뉴런을 매 10초 단위를 자극을 주었다. 이 뉴런은 이 시간 동안 신호를 전달했지만 이 자극을 중단해도 뉴런은 1분 동안 신호를 계속 전달했다. 스트러튼은 “뉴런이 자극없이 신호를 계속 전달하는다는 것은 정말 이상한 것이다. 이것은 새로운 것으로 뉴런은 오랜 시간 동안 정보를 통합할 수 있으며 보통 밀리세컨드에서 1초까지 뉴런의 작동속도보다 길다”고 말했다. 이렇게 특이한 뉴런의 기능은 기억과 같은 정상적인 과정과 연관될 수 있을지도 모르지만 질병과도 연관될 수 있다. 이들 억제뉴런의 지속적인 신호전달은 뇌에서 활동항진상태에 대한 반작용일 수 있다. 예를 들어 간질환자들의 발작기간 동안에 일어나는 통제가 불가능한 흥분상태와 같은 활동항진상태에 대한 반작용일 수 있다.

스프러스턴은 정상적인 개별 뉴런에서 지속적인 신호전달의 발견은 이번 연구논문의 제 1저자인 대학원 연구원인 마크 셰필드 (Mark Sheffield)의 빈틈없는 관찰덕분이라고 말했다. 연구자들은 뉴런에서 이 지속적인 신호전달현상을 보았을 수 있지만 신호기록과정에서 오류라고 생각했을 것이라고 보고 있다. 셰필드가 뉴런에서 이 신호전달현상을 관찰했을 때 그는 이 신호전달현상이 중단될 때까지 기다렸다. 그리고 그는 뉴런을 동일한 시간 동안 다시 자극하였으며 뉴런이 뒤에 다시 신호를 전달하는 현상을 관찰했다. 스프러스턴은 “이 세포기억은 새로운 것이다. 뉴런은 그 몇 분 동안 이전에 일어난 현상에 반응한다”고 말했다.

스프러스턴과 셰필드는 이 세포기억이 축색돌기에 저장되며 그 활동전위는 예상했던 것보다 좀더 축색돌기 쪽에서 생성된다는 것을 발견했다. 세포체 근처 대신에 이러한 현상은 축색돌기 끝을 향해 발생했다. 이번 연구는 실험쥐의 신피질 (neocortex)와 해마상융기에 있는 개별 뉴런에 대한 연구는 여러 개의 뉴런에 대한 실험으로 이어져 좀더 놀라운 결과를 만들어냈다. 연구자들은 한 개의 축색돌기는 상호 소통을 할 수 있다는 점을 발견했다. 이들은 한 개의 뉴런을 자극했으며 다른 자극되지 않은 뉴런에서 지속적인 신호전달현상이 일어난다는 것을 발견했다. 여기에서 다른 수상돌기나 세포체는 이 신호소통현상과 관련이 없었다.

스프러스턴은 “축색돌기는 서로 상호소통을 한다. 하지만 이것이 어떻게 작동하는가는 완전한 미스터리이다. 다음 연구주제는 어떻게 이러한 행위가 확산되는가에 대한 것이다. 그리고 이것이 이상한 현상인지 아니면 많은 뉴런에서 일어나는 것인가에 대한 문제이다. 우리는 이것이 희귀한 현상으로 보고 있다. 그래서 어떤 조건에서 이러한 현상이 일어나고 어떻게 일어나는가에 대한 이해는 매우 중요하다”고 말했다.

사진설명: 상호연결된 뉴런에 대한 컴퓨터생성 이미지
출처: ‘사이언스 데일리’ 2011년 2월 20일
원문참조:
Mark E J Sheffield, Tyler K Best, Brett D Mensh, William L Kath, Nelson Spruston. Slow integration leads to persistent action potential firing in distal axons of coupled interneurons. Nature Neuroscience, 2010; 14 (2): 200

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출처 : http://www.sciencedaily.com/releases/2011/02/110217171344.htm