IBS, 머리에 빛 비춰 공간 기억력 높이는 기술 개발

수술없이 손전등 강도 빛만으로 뇌신경세포 내 칼슘 농도 조절

네이처 커뮤니케이션즈 온라인판에 논문 게재

[대전=뉴시스] 옵토스팀원(OptoSTIM1)과 몬스팀원(monSTIM1)기술의 세포 내 칼슘 농도 관계. 두 기술은 머리에 청색 빛을 비춰 뇌신경세포 내 칼슘 농도를 조절하는 기술로 옵토스팀원에서 사용된 광수용체 단백질(CRY2 단백질)의 빛에 대한 민감도를 55배 증가시킨 몬스팀원(monSTIM1) 기술을 이용하면 낮은 강도의 빛에서도 칼슘이 증가한다.

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 수술없이 손전등 수준의 낮은 강도의 빛을 머리에 비추는 것만으로 공간기억 능력을 향상 시킬 수 있는 기술이 개발됐다.

기초과학연구원(IBS)은 인지 및 사회성연구단 사회성뇌과학그룹 허원도 초빙연구위원(KAIST 생명과학과 교수)·신희섭 단장, 이상규 연구위원 연구팀이 머리에 빛을 비춰 뇌신경세포 내 칼슘 농도를 조절해 공간 기억 능력을 향상시키는 '비침습적인 기술'을 개발했다고 21일 밝혔다.

칼슘은 세포기능에 중요한 물질로 세포이동, 분열, 유전자 발현, 신경전달 물질분비, 항상성 유지 등에 폭넓게 관여한다. 세포 내 칼슘 양이 부족해지면 인지장애, 심장부정맥 등 다양한 질환으로 이어질 수 있어 세포가 제기능을 수행키 위해서는 세포 내 칼슘 농도가 적절하게 조절돼야 한다.

이번 연구에 앞서 지난 2015년 허원도 교수 연구팀은 세포에 빛을 비춰 세포 내 칼슘 농도를 조절하는 옵토스팀원(OptoSTIM1) 기술을 개발했다.
 
이번에 개발된 기술은 옵토스팀원 기술을 발전시켜 빛에 대한 민감도를 55배 증가시킨 몬스팀원(monster OptoSTIM1·monSTIM1) 기술로 수술없이 머리에 빛만 비춰도 뇌신경세포 내 칼슘 농도를 증가시킬 수 있다.

옵토스팀원(OptoSTIM1) 기술은 빛을 이용해 비침습적으로 세포의 기능을 조절하는 광유전학(Optogenetics) 기술로 비침습적이긴 하지만 이 기술을 이용하려면 생체 내에 광섬유를 삽입해 빛을 뇌 조직 내로 전달하는 과정이 필요하다. 광섬유 삽입은 털, 피부, 머리뼈, 생체 조직 손상 및 면역력 약화 등 부작용을 유발한다는 문제점이 있다.

연구팀은 옵토스팀원 기술에서 사용된 광수용체 단백질의 유전자를 변형시켜 빛에 대한 민감도를 55배 증가시킨 몬스팀원(monSTIM1) 기술을 개발했다.

이어 수술없이 살아있는 쥐 머리에 손전등 강도(1㎿/㎜)의 빛을 비추는 것만으로도 뇌신경세포 내 칼슘 농도가 증가하고 공간 기억 능력이 향상되는 사실을 입증했다.

옵토스팀원 기술과 달리 몬스팀원 기술은 광섬유 삽입과정이 필요없어 부작용 우려를 원천차단할 수 있다.

이번 입증시험서 연구팀은 살아있는 쥐의 전대상 피질 흥분성 신경 세포의 칼슘 농도를 조절하고 공간 공포 행동 실험을 진행했다.

실험군 쥐에 몬스팀원 기술을 적용한 뒤 공포감이 느껴지는 공간에 쥐를 놓고 관찰한 결과, 실험군 쥐가 대조군 쥐에 비해 공포감을 더 많이 느끼는 것으로 나타났다. 뇌신경세포 내 칼슘 농도가 증가하면 공간 기억 능력이 향상된다는 의미다.

몬스팀원 기술은 수술없이 살아있는 동물의 뇌신경세포를 조절하고 향후 세포 수준에서 개체 수준까지 칼슘의 역할이나 칼슘에 의한 신경행동적인 변화를 규명하는 연구에 활용될 것으로 기대한다.

KAIST 허원도 교수는 "몬스팀원 기술을 이용하면 빛만으로 뇌를 손상시키지 않고 비침습적으로 세포 내 칼슘 신호를 쉽게 조절할 수 있다”며 “이 기술이 뇌세포 칼슘 연구, 뇌인지 과학 연구 등에 다양하게 적용되길 바란다”고 말했다.

이번 연구결과는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 11.88) 온라인판에 지난 10일자로 게재됐다.(논문명:Non-invasive optical control of endogenous Ca2+ channels in awake mice)


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