생물 및 의학 (건강) 어떻게 뉴런은 기억의 손실없이 재생되는가?

2014.05.31 20:53

어떻게 뉴런은 기억의 손실없이 재생되는가? http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?cn=GTB2014050440&service_code=03
KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-05-28

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새로운 이론모델에 의하면 어떻게 세포구성물의 지속적인 회전과정에서 세포의 감시와 자기조절에 대해 이해하는 방법이 신경과학자들에 의해서 개발되었다. 뉴런의 구성물의 지속적인 재구성이 생각할 수 있는 능력인 기억이나 학습 또는 세상에 대한 경험에 영향을 주지 않고 일어날 수 있는가에 대한 문제는 신경과학의 가장 큰 문제 중 하나였다.

자동차에 새로운 스파크 플러그가 필요할 때 사람들은 자동차를 끌고 가서 수리가 끝날 때까지 맡기게 된다. 하지만 만일 자동차가 움직이는 동안에 자체적으로 스파크 플러그를 교체할 수 있다면 어떨까? 물론 자동차는 그렇게 할 수 없다. 하지만 우리의 신경시스템은 완전히 그 기능을 유지하면서 지속적으로 재구성을 할 수 있다. 뉴런은 많은 기간 동안 살아남을 수 있지만 그 구성물들인 단백질과 입자들은 지속적으로 교체되어야 한다. 어떻게 지속적이 재구성 과정이 우리가 생각하고 기억하고 학습하거나 다른 세상에 대한 경험에 영향을 미치지 않고 일어나는지에 대한 문제는 신경과학의 가장 중요한 문제 중 하나이다. 이에 대한 문제를 오랫동안 관심을 가지고 연구한 신경과학교수인 이브 마더 (Eve Marder)의 연구팀은 세포구성물의 지속적인 순환과정에서 세포가 자신을 감시하고 조절하는 방법을 이해하기 위한 새로운 이론적인 모델을 만들었으며 그 결과를 학술지 <Neuron>지에 발표했다.

세포의 표면에서 입자가 출입할 수 있는 게이트 역할을 하는 이온 채널 (ion channels)은 사지의 운동의 크기와 속도로부터 감각 정보가 처리되는 방식까지 모든 것을 조절할 필요가 있는 뉴런의 특성을 알아볼 수 있다. 이온 채널 형태의 각기 다른 결합방식은 새로운 종류의 뉴런에서 발견된다. 수용체들은 뉴런이 서로 소통할 수 있도록 하는 분자 ‘마이크로폰’의 역할을 한다. 이 수용체와 이온 채널은 지속적으로 회전된다. 그래서 세포는 정상적인 신경시스템의 기능을 파괴하지 않은 채 교체될 수 있는 순환율을 조절할 필요가 있다. 과학자들은 개별 뉴런에서 이온 채널과 수용체의 숫자를 세팅하거나 만들어내는 아이디어를 고려했다. 하지만 이러한 아이디어는 뉴런의 환경에서 많은 변화가 있기 때문에 타당해 보이지 않았다.

만일 생산공정세팅이 없다면 뉴런은 전기적 신호나 이에 따른 이온 채널의 발현정도를 조절할 수 있는 내적인 측정기가 필요하다. 단일 뉴런은 항상 거대한 회로의 일부분이기 때문에 신경시스템에 걸쳐서 항상성을 유지하면서 생산을 하는 기능이 필요하다. 마더의 실험실은 내적인 관찰 시스템의 개념에 근거한 이온 채널 조절 이론 모델을 만들었다. 이 연구팀은 세포들은 이 시스템이 기능을 유지하기 위해서 활동의 모든 세부사항을 측정할 필요가 없다. 사실은 이 과정에서 너무 많은 세부적인 것들이 탈선할 수 있다. 마더의 실험팀의 일원인 박사후 연구원인 티모시 오리어리(Timothy O’Leary)는 “특정한 표적물은 서로 상호모순적일 수 있다. 당신의 온도가 화씨 77도인데 에어컨의 온도를 64도로 맞출 수 없다. 한 사람이 이 과정에서 이길 수 있지만 지속적으로 서로 싸우게 되고 너무 많은 전기비를 내면서 끝날 수밖에 없을 것”이라고 말했다. 이번 연구팀은 또한 세포는 유사한 특성을 가질 수 있지만 이온 채널의 활성비율은 다르게 나타날 수 있다. 이것은 세포의 동음이어와 같다. 이것은 비슷하게 들리지만 그 모습은 완전히 다른 것”이라고 말했다.

이 모델에 의하면 내적인 관찰시스템은 통제되지 않는 전기활동을 조절할 수 있도록 디자인하는 것은 실제로 뉴런의 과도한 민감성 (hyperexcitability), 즉 간질의 기반이 되는 것으로 이어질 수 있다. 비록 세팅 포인트는 단일 뉴런에 의해서 유지되지만 전체적인 이 시스템의 항상성은 사라지게 될 수 있다. 이번 연구는 가장 복잡한 형태로 만들어진 기제인 인간의 뇌를 이해하는데 중요한 발전을 이루었다. 그리고 이번 연구는 질병을 치료하기 위한 거의 완전히 다른 치료용 전략으로 이끌 수 있다고 오리어리는 주장했다. 그는 “일부 질병을 이해하고 치료하기 위해서는 우리는 생물시스템이 정상적으로 건강한 상태에 있을 때 내적인 특성을 통제하는 방법을 이해할 필요가 있으며 이 모델은 연구자들을 도울 수 있을 것”이라고 말했다.

출처: <Science Daily> 2014년 5월 26일
원문참조:
1. Timothy O’Leary, Alex H. Williams, Alessio Franci, Eve Marder. Cell Types, Network Homeostasis, and Pathological Compensation from a Biologically Plausible Ion Channel Expression Model. Neuron, 2014; 82 (4): 809 DOI:10.1016/j.neuron.2014.04.002

[출처] http://www.sciencedaily.com/releases/2014/05/140521133514.htm

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