한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)은 허워도 생명과학과 교수팀이 권형배 존스홉킨스 의대 교수팀, 기초과학연구원(IBS·원장 노도영) 인지 및 사회성 연구단의 이상규 박사팀과 세계 최초로 시냅스 형성과 소멸, 변화를 실시간 관찰할 수 있는 기술 개발에 성공했다고 9일 밝혔다.
우리 뇌에는 약 860억 개 신경세포와 이들 간 신호를 주고받아 뇌 기능 조절을 돕는 600조 개 시냅스가 존재한다. 그런데 아직 시냅스 구조 변화를 실시간 관찰하는 데에는 한계가 있다.
연구팀은 형광 단백질(ddFP)을 시냅스와 결합시켜 신경세포 간 시냅스 연결 과정을 실시간으로 관찰할 수 있는 기술을 개발했다. '시냅스'와 '스냅샷'을 조합, 시냅샷(SynapShot)이라고 이름 지었고 기존에는 구현하기 어려웠던 시냅스 형성과 소멸 그리고 역동적인 변화 과정을 실시간 추적·관찰하는데 성공했다.
KAIST· IBS가 공동연구로 초록·빨강 형광을 띠는 시냅샷을 디자인해 두 개 서로 다른 신경세포와 연결된 시냅스를 쉽게 구별해 관찰할 수 있었다.
또 빛으로 분자 기능을 조절할 수 있는 광유전학 기술과 융합해 신경세포 특정 기능을 빛으로 조절함과 동시에 시냅스 변화를 관찰하는 데 성공했다.
시냅샷은 존스홉킨스팀과 공동연구로 살아있는 생쥐에게 시각적 구별 훈련, 운동 및 마취 등 여러 상황을 유도하고 각 과정에서 시냅스 변화를 실시간 관찰해 각각의 시냅스가 빠르고 역동적으로 변화될 수 있음을 보였다. 이는 살아있는 포유류 시냅스 변화를 세계 최초 관찰한 것이다.
이상규 IBS 박사는 “이 기술은 생애주기별 시냅스 형성, 소멸 과정의 역동성이 어떻게 조절되는지를 밝히고, 이런 과정에 문제가 생겼을 때 어떻게 뇌 발달 장애 및 퇴행성 뇌 질환 등으로 이어질 수 있는지 원인을 규명하는데 중요한 역할을 할 것”이라고 말했다.
교신저자인 허원도 KAIST 교수는 “시냅샷 기술로 과거에는 구현하기 어려웠던 시냅스의 빠르고 역동적인 형성과 변화를 직접 관찰할 수 있는 가능성을 열었다”며 “이 기술은 뇌과학 연구분야 연구방법론에 혁신을 가져올 것으로 예상되며 뇌 과학의 미래를 밝히는 중요한 역할을 할 것으로 기대된다”고 말했다.
KAIST 생명과학과의 손승규(박사과정), 이진수(박사과정), 존스홉킨스 의과대학 정강훈 박사가 공동 제1 저자로 수행한 이번 연구는 저명 국제 학술지 '네이처 메쏘드' 2월호 인쇄판에 게재될 예정이며, 지난 8일자 온라인판에 게재됐다.
한편, 이번 연구는 KAIST 중견연구자지원, 특이점 사업과 기초과학연구원(IBS) 지원을 받아 수행됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
