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바이오통신원   
뇌에서 기억이 저장되는 장소 규명
생명과학 과학기술정보통신부 (2018-04-27)

강봉균 교수(서울대학교) 연구팀이 시냅스*를 종류별로 구분하는  기술을 개발하여 뇌에서 기억이 저장되는 ‘기억저장 시냅스’를  찾아냈다고 과학기술정보통신부‧한국연구재단은 밝혔다.
   * 시냅스(synapse) : 두 신경세포 사이의 신호를 전달하는 연결지점이며, 신경계의 기능적 최소단위로 한 신경세포에는 수천 개의 시냅스가 있음

이 연구 성과는 사이언스(Science)  4월 27일 자에 게재되었다.
    ※ 논문명 : Interregional synaptic maps among engram cells underlie memory formation
    ※ 주저자 : 강봉균 교수(교신저자, 서울대), 최준혁 박사(공동제1저자, 서울대), 심수언 박사(공동제1저자, 서울대), 김지일(공동제1저자, 서울대), 최동일(공동제1저자, 서울대)

70여 년 전 캐나다 심리학자인 도널드 헵은 두 신경세포 사이의 시냅스에 기억이 저장된다는 가설을 제시했고 학계에서 유력하게 받아들여지고 있으나, 기술적인 한계로 아직까지 실험적으로 확인되지 않았다.

연구팀은 한 신경세포의 수천 개의 시냅스들을 종류별로 구분할 수 있는 기술(dual-eGRASP)을 개발하고, 이를 활용하여 기억의 중추적인 역할을 한다고 알려진 뇌 부위인 해마*를 연구했다. 그 결과 수많은 시냅스 중에서도 학습에 의해 구조적‧기능적으로 변화가 있는 ‘기억저장 시냅스’를 명확히 찾아냈다.
    * 해마(hippocampus) : 뇌의 양쪽 측두엽에 존재하며, 서술기억의 형성에 중요하다고 알려져 있는 뇌 하부구조

강봉균 교수는 “이 연구는 한 신경세포의 시냅스를 구분할 수 있는 dual-eGRASP라는 신기술을 개발하고, 이를 통해 기억이 어디에 저장되는지 그 위치를 규명한 것”이라며, “향후 기억을 연구하는 새로운 패러다임으로 자리매김하여 치매, 외상후스트레스 장애 등 기억 관련 질병 치료에 새로운 이정표를 제시할 것으로 기대된다.”라고 연구의 의의를 설명했다.

이 연구 성과는 과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구지원사업(개인연구)의 지원으로 수행되었다.

□ 논문명, 저자정보

  - 논문명 : Interregional synaptic maps among engram cells underlie memory formation
  - 저  자 : 강봉균 교수(교신저자, 서울대), 최준혁 박사(공동제1저자, 서울대), 심수언 박사(공동제1저자, 서울대), 김지일(공동제1저자, 서울대), 최동일(공동제1저자, 서울대), 오지혜(서울대), 예상현(서울대), 이재현(서울대), 김태현(서울대), 고형곤(서울대), 임채석(서울대)

 1. 연구의 필요성
  ○ 기억이 뇌의 어디에 저장되는지, 뇌 속에 있는 기억의 물리적 실체는 무엇인지 알아내기 위하여 신경과학자들은 백여 년 전부터 여러 학설을 제시하며 그 정체를 밝히고자 하였다.
  ○ 기억은 신경세포의 시냅스에 저장되며, 학습에 의한 시냅스의 변화가 기억의 물리적 실체라는 학설이 가장 유력하게 받아들여지고 있었지만, 여러 정황증거들만 있었을 뿐 아직 직접적‧실험적으로 확인된 바 없었다.

 2. 연구 내용
  ○ 연구팀은 한 신경세포의 수천 개의 시냅스들을 종류별로 구분할 수 있는 신기술을 개발하였고, 이를 dual-eGRASP라고 명명하였다.
  ○ 기억을 담당한다고 알려진 뇌 부위인 해마에 이 기술을 적용하여 수많은 시냅스들 중 기억저장 세포*들 사이의 시냅스들이 특이적으로 학습에 의한 변화가 일어난다는 것을 관찰하였다. 강한 기억일수록 더 큰 변화가 일어나는 것을 관찰함으로서 연구팀이 찾아낸 시냅스들이 기억저장 시냅스라는 것을 알 수 있었다.
    * 기억저장 세포(engram cells) : 기억을 저장한다고 알려진 신경세포로 엔그램 세포라고도 불림

 3. 연구 성과
  ○ 기억이 저장되는 장소, 즉 기억저장 시냅스를 찾아내었다. 이는 기억이 신경세포의 시냅스에 저장될 것이라는 70년 전에 도널드 헵이 제안했던 학설을 최초로 실험적으로 증명해낸 것이다.
  ○ 기억이 저장되는 장소를 규명하였기 때문에 앞으로 기억을 연구하는데 있어서 기억저장 시냅스를 연구하는 것이 새로운 패러다임으로 자리매김할 것이다. 또한 알츠하이머성 치매 등 기억과 관련된 질병연구에 새로운 실마리가 될 것으로 기대된다.

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

 학습과 기억을 연구하는 신경과학자들 사이에서는 누구나 기억이 시냅스의 변화로 인해 저장된다는 것을 수십 년 동안 정설로 받아들이고, 인정하고 있었지만 아직 기술적 한계로 인해 실험적으로 증명된 바 없다는 것을 알게 되었고, 신기술을 개발하여 이 오래된 학설을 증명하겠다는 결심이 프로젝트의 발단이었다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

 기억저장 시냅스들을 구분해내기 위하여 새로운 기술이 필요하였고, 여러 시도와 노력 끝에 dual-eGRASP라는 새로운 기술을 개발해내었다. 이 기술을 기억연구에 적용하여 생쥐 해마의 수많은 시냅스들을 3D 모델링하여 분석하였다. 그 결과 학습에 의해 구조적 변화가 일어난 기억저장 시냅스를 찾아낼 수 있었다. 추가로 구조적인 변화뿐만 아니라 생리적인 변화도 전기생리학 실험을 통해 관찰함으로서 기억저장 시냅스를 찾아냈다는 우리의 주장을 더욱 뒷받침 할 수 있었다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

 누구나 할 수 있던 일이었다면 그 증명이 이렇게 오래 걸리지는 않았을 것이다. 예상대로 기억저장 시냅스를 찾아낼 수 있는 새로운 기술을 개발하는 것은 오랜 노력과 시간이 걸리는 일이었다. 다양한 시도와 실패가 있었음에도 포기하지 않고 다양한 접근방법으로 기억저장 시냅스들을 찾아내고자 노력했다. 약 10여 년에 걸친 기술개발 끝에 마침내 dual-eGRASP라는 신기술을 개발하여 기억저장 시냅스들을 표지하여 찾아낼 수 있었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

 기억이 저장되는 장소를 찾고자 했던 근래의 연구들은 모두 신경세포 수준이었다. 즉 기억저장 세포를 찾아낸 것이다. 이것도 의미가 있지만, 신경세포가 아닌 시냅스가 뇌의 기능적 최소단위이기 때문에 기억저장 시냅스를 찾아낸 이 연구가 가지는 의의가 매우 크다고 볼 수 있다.
 또한 기존에는 하나의 신경세포의 시냅스들을 구분할 수 있는 기술이 없었는데 이 연구를 통해 dual-eGRASP를 개발하였으므로 학습과 기억을 연구하는 분야뿐만 아니라 다양한 신경과학분야에 널리 사용될 것으로 기대된다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

 새롭게 개발된 dual-eGRASP를 통해서 기억저장 시냅스를 찾아내었지만, 아직 시작에 불과하다. 기억저장 시냅스만을 특이적으로 강화시키거나 약화시켜서 기억을 조절하는 기술을 개발한다면 다양한 기억관련 질병치료에 효과적으로 사용될 것이다.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

 대부분의 연구결과가 비슷하겠지만, 이미 교과서에도 필수적으로 실릴 만큼 널리 받아들여지고 있는 가설을 증명해낸 것이기 때문에 이 연구결과를 국제학회 등에서 발표했을 때 세계적인 학자들도 도전했었는데 기술부족으로 실패하였다는 반응이 많았다.

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그림 1. 해마의 여러 시냅스들을 형광으로 표지한 모식도 및 예시 이미지
 (왼쪽) 해마의 신경세포들 중에서 기억저장 세포를 빨간색으로, 그렇지 않은 세포들을 하얀색으로 표시하였다. 이 때 기억저장 세포의 수상 돌기의 시냅스 중에서 노란색 형광표지를 가지는 시냅스가 기억저장 시냅스이다. (검정 화살표로 표시됨.)
 (오른쪽) Dual-eGRASP를 이용하여 시냅스들을 구분하여 표지한 예시 이미지 및 3D 모델링. 빨간색 수상돌기 위의 노란색 표지가 있는 지점이 기억저장 시냅스들이 있는 곳이다.

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그림 2. 기억저장 시냅스는 다른 시냅스들과 달리 수상돌기 가시의 밀도와 크기가 증가되어 있다.

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그림 3. 기억저장 시냅스의 변화는 기억의 세기가 강할수록 더 커진다.
  생쥐에게 공포기억을 학습시킬 때 전기충격의 강도를 조절하여 공포기억의 세기를 조절하였다. 공포기억에 의해 일어난 기억저장 시냅스의 구조적 변화는 전기충격의 세기를 크게 하여 공포기억의 세기가 강할수록 커졌다.

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