어떤 기억은 금세 사라지지만, 어떤 기억은 오랫동안 머릿속에 남는다. 이처럼 ‘오래 남는 기억’은 학습과 경험 축적의 기반이 될 뿐만 아니라, 노화로 인한 인지 저하나 치매 같은 뇌 질환 연구에서도 매우 중요한 주제다. 하지만 그동안의 기억 연구는 주로 신경세포인 뉴런에만 집중되어 있어, 기억이 장기간 유지되는 구체적인 메커니즘은 명확히 밝혀지지 않았다.

기초과학연구원(IBS, 원장 장석복) 기억 및 교세포 연구단은 한국뇌연구원(KBRI)과 공동연구를 통해 기억을 오랫동안 유지하는 핵심 메커니즘이 뇌 속 별세포(Astrocyte)에 있음을 규명했다. 연구진은 별세포 내 단백질 Ank2(Ankyrin-2)가 장기 기억 유지에 필수적인 역할을 하며, 별세포 신호만 선택적으로 조절해 기억을 더 오래 유지할 수 있음을 동물실험을 통해 입증했다. 

연구진은 뇌에서 신경세포를 조절하는 별세포에 주목했다. 특히 별세포에 풍부하게 존재하는 단백질 Ank2가 기억 유지 과정에 중요한 역할을 할 것이라는 가설 하에 동물 실험을 진행했다. 

그 결과, 별세포에서만 Ank2 유전자를 제거한 생쥐는 학습 직후 확인한 최근 기억은 정상적으로 유지됐지만, 2주 뒤 측정한 장기 기억은 현저히 감소했다. 또한 Ank2가 없는 별세포는 구조가 단순해지고, 기억을 저장하는 엔그램(engram) 신경세포와의 물리적 접촉도 크게 줄어든 것으로 나타났다. 더하여, 학습과 기억 형성에 핵심인 장기강화(Long-Term Potentiation, LTP)의 유지 능력 역시 저하됐다. 이는 별세포가 단순히 신경세포를 보조하는 역할을 넘어, 기억을 장기간 안정적으로 유지하는 데 직접 관여하고 있음을 보여준다.

연구진은 기억 유지 과정의 분자 메커니즘도 추가로 규명했다. 분석 결과, Ank2는 별세포 내 칼슘 신호 전달에 중요한 역할을 하는 것으로 나타났다. Ank2가 제거되면 세포 내 칼슘 신호가 약화되고, 이에 따라 신경세포 간 연결을 강화하고 기억 형성을 돕는 핵심 단백질인 뇌유래신경영양인자(BDNF, Brain-Derived Neurotrophic Factor)에 대한 반응성이 감소했다.

연구진은 별세포 BDNF 신호를 인위적으로 활성화했을 때 기억 유지 능력을 높일 수 있는지도 확인했다. 광유전학(optogenetics) 기술을 활용해 별세포 내 BDNF 관련 신호 경로를 선택적으로 자극한 결과, 실험동물은 기존보다 기억을 더욱 오랫동안 유지하는 것으로 나타났다. 

교신저자인 고우현 연구위원은 “그동안 신경세포 중심으로 이해돼 온 기억 연구의 관점을 확장했다는 점에서 의미가 크다”며, “기억 유지 메커니즘에 대한 새로운 이해를 제공함으로써, 향후 노화나 우울증으로 인한 인지 저하나 알츠하이머병과 같은 다양한 기억 관련 뇌 질환 연구의 새로운 방향을 제시할 것으로 기대한다”고 밝혔다. 또한 “향후 자폐스펙트럼장애나 지적장애와 같은 뇌발달장애에서 별세포의 Ank2가 어떤 역할을 하는지에 대해서도 연구를 확장해 나갈 계획”이라고 말했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 18.1) 에 7월 7일 오후 6시(KST) 온라인 게재됐다.

논문/저널/저자
Astrocytic Ankyrin-2 Enables Memory Persistence in the Mouse Hippocampus
Nature Communications (2026)
김하영(공동 제1저자, IBS 기억 및 교세포 연구단), 임지운(공동 제1저자, IBS 기억 및 교세포 연구단, 과학기술연합대학원대학교), 김주영(공동 제1저자, 前 IBS 기억 및 교세포 연구단, 現 University of Lausanne), Erva Okzan(IBS 기억 및 교세포 연구단, 충남대학교), 김규현(KBRI), 박효진(IBS 기억 및 교세포 연구단, 서울대학교), 박민구(IBS 기억 및 교세포 연구단), 주빛나(前 IBS 기억 및 교세포 연구단, 現 Salk Institute), 이상규(IBS 기억 및 교세포 연구단), 이계주(KBRI), 강봉균(IBS 기억 및 교세포 연구단, 서울대학교), 이창준(IBS 기억 및 교세포 연구단, 과학기술연합대학원대학교), 고우현(교신저자, IBS 기억 및 교세포 연구단)

연구내용 보충설명
우리는 매일 수많은 정보를 경험하지만, 어떤 기억은 오랫동안 남는 반면 어떤 기억은 빠르게 사라진다. 이러한 기억의 형성과 저장 과정은 오래전부터 뇌과학의 핵심 연구 주제로 다뤄져 왔지만, 기억이 형성된 이후 이를 장기간 안정적으로 유지하는 과정은 상대적으로 잘 알려져 있지 않았다. 특히 지금까지 대부분의 기억 연구는 정보를 전달하는 신경세포(뉴런)를 중심으로 이루어져 왔으며, 뇌 속 다른 세포들의 역할은 충분히 밝혀지지 않았다.
연구팀은 뇌에서 신경세포 주변 환경을 조절하고 항상성을 유지하는 별세포(Astrocyte)에 주목했다. 별세포는 오랫동안 뉴런을 보조하는 세포로 여겨졌지만, 최근에는 시냅스 기능 조절과 신경회로 유지에 능동적으로 관여한다는 사실이 밝혀지고 있다. 연구팀은 별세포 내 구조 단백질인 Ank2(Ankyrin-2)가 장기 기억 유지 과정에 중요한 역할을 할 것이라는 가설을 세우고 연구를 시작했다.
연구진은 별세포에서만 Ank2 유전자를 선택적으로 제거한 생쥐 모델을 제작해 기억 행동 실험을 진행했다. 그 결과 학습 직후 확인한 최근 기억(recent memory)은 정상적으로 유지됐지만, 약 2주 뒤 측정한 장기 기억(remote memory)은 뚜렷하게 감소하는 현상이 나타났다. 이는 기억을 형성하는 과정과 오랫동안 유지하는 과정이 서로 다른 생물학적 메커니즘에 의해 조절될 수 있음을 보여준다.
추가 분석 결과 Ank2가 제거된 별세포는 세포 돌기의 구조가 단순해지고, 기억 저장에 관여하는 엔그램(engram) 신경세포와의 접촉이 현저히 감소한 것으로 나타났다. 또한 학습과 기억의 핵심 세포 기전인 장기강화(Long-Term Potentiation, LTP)의 유지 능력도 저하됐다. 이는 별세포 구조 변화가 신경세포 간 연결 안정성에 직접적인 영향을 미칠 수 있음을 의미한다.
연구팀은 이러한 현상의 분자 메커니즘도 규명했다. Ank2는 별세포 내 칼슘 신호 전달 과정에 관여하며, Ank2가 결손될 경우 세포 내 칼슘 신호가 약화되는 것으로 확인됐다. 그 결과 뇌유래신경영양인자(BDNF, Brain-Derived Neurotrophic Factor)에 대한 반응성이 감소했고, 이는 신경세포 간 연결 유지와 장기 기억 안정성 저하로 이어졌다.
마지막으로 연구팀은 광유전학(optogenetics) 기술을 이용해 별세포 내 BDNF 신호를 선택적으로 활성화하는 실험을 수행했다. 그 결과 실험동물은 기존보다 기억을 더욱 오랫동안 유지하는 모습을 보였다. 이는 별세포 기능 조절만으로도 장기 기억 유지 능력을 향상시킬 수 있음을 보여준 결과로, 향후 기억 저하를 동반하는 다양한 뇌 질환 연구의 새로운 가능성을 제시한다.

연구 이야기

[연구과정]
이번 연구는 자폐 스펙트럼 장애와 관련된 유전자로 알려진 Ank2(Ankyrin-2)가 별세포(Astrocyte)에도 높은 수준으로 발현된다는 점에서 시작됐다. 연구팀은 Ank2가 별세포의 구조 유지에 중요한 역할을 할 가능성에 주목했고, 실제 별세포 구조 변화가 신경세포와의 상호작용 이상으로 이어질 수 있으며, 궁극적으로 기억 기능에도 영향을 줄 수 있다는 가설을 세웠다. 이를 검증하기 위해 IBS 시냅스 뇌질환 연구단 김은준 단장 연구팀으로부터 Ank2 floxed 마우스를 제공받아 별세포-특이적 Ank2 결손 생쥐 모델을 제작했다. 초기 행동 실험에서는 예상과 달리 최근 기억(recent memory)에서 뚜렷한 차이가 나타나지 않아 연구가 한 차례 난관에 부딪히기도 했다. 그러나 연구팀은 기억이 장기간 유지되는 과정에 주목해 장기 기억(remote memory) 실험을 추가로 수행했고, 이 과정에서 뚜렷한 기억 손상 현상을 발견했다. 이후 연구팀은 이 현상의 원인을 규명하기 위해 기억 저장 엔그램(engram) 연구 분야의 전문가인 IBS 강봉균 단장 연구팀과 협업해 신경세포 접촉 변화를 분석했으며, IBS 이창준 단장 연구실과 KBRI 이계주 박사 연구팀과 함께 별세포 구조 분석과 기능 검증을 진행했다. 또한 IBS 이상규 박사 연구팀과 함께 칼슘 이미징, 장기강화 측정, 광유전학 기반 기능 조절 실험 등을 통해 분자기전을 단계적으로 규명했다.

[어려웠던 점]
연구 과정에서 가장 큰 어려움은 별세포만 선택적으로 조절하면서 특정 신호 경로를 정밀하게 제어할 수 있는 도구가 부족하다는 점이었다. 특히 연구팀은 별세포에서 선택적으로 BDNF 신호를 활성화해 기억 유지에 미치는 영향을 검증하고자 했지만, 기존에는 이를 구현할 수 있는 적절한 기술이 존재하지 않았다. 이를 해결하기 위해 연구팀은 KAIST 허원도 교수 연구팀이 개발한 광유전학 기반 단백질 조절 기술에서 아이디어를 얻어, 별세포 특이적으로 BDNF 관련 신호를 활성화할 수 있는 새로운 광유전학 도구 ‘Opto-T1’을 개발했다. 이를 활용한 실험에서 별세포 신호 조절만으로 장기 기억 유지 능력이 향상될 수 있음을 확인할 수 있었다.

[성과 및 차별점]
지금까지 대부분의 연구는 기억 형성과 저장 과정에서 뉴런의 역할에 집중돼 있었지만, 이번 연구는 별세포가 기억을 오랫동안 유지하는 과정에 능동적으로 관여한다는 사실을 처음 규명했다. 특히 기억 형성 과정과 장기 기억 유지 과정이 서로 다른 생물학적 메커니즘에 의해 조절될 수 있다는 사실을 밝혔으며, 별세포 내 Ank2 단백질과 BDNF 신호 전달 체계가 이 과정의 핵심 조절 인자라는 점을 확인했다. 더 나아가 연구팀이 직접 개발한 광유전학 도구를 이용해 별세포 기능만 선택적으로 조절해 기억 유지 능력을 향상시킨 것은 향후 기억 관련 뇌 질환 연구의 새로운 가능성을 제시하는 성과로 평가한다.

[향후 연구 계획]
연구팀은 앞으로 뇌 발달 과정에서 별세포 내 Ank2가 어떤 역할을 수행하는지 추가 연구를 진행할 예정이다. 특히 Ank2가 신경회로 형성과 성숙 과정에 어떤 영향을 미치는지 규명함으로써 발달 단계에서의 기능적 중요성을 보다 깊이 이해하고자 한다. 또한 현재 연구가 장기 기억 유지에 초점을 맞췄다면, 앞으로는 공포 기억이나 사회적 기억 등 다양한 형태의 기억 과정에서 별세포가 어떤 역할을 하는지 확장 연구를 수행할 계획이다. 더 나아가 기억 조절 과정의 세부 분자 메커니즘을 보다 정밀하게 규명해, 기억 관련 뇌 질환 이해 및 치료를 위한 기초 연구 기반을 마련할 예정이다.