【브레이크뉴스 대구】이성현 기자=한국뇌연구원(원장 서판길)은 신경․혈관단위체연구그룹 박형주 책임연구원과 김지영 연구원이한국과학기술원(KAIST, 총장 신성철) 생명과학과 정원석 교수, 이준혁 연구원과 공동으로 이전까지 알려져 있지 않은 ‘새로운 뇌 항상성 유지 기전’에 기반한 기억 형성 원리를 처음으로 규명했다고 5일 밝혔다.

▲ (좌측부터) 카이스트 이준혁 제1저자, 정원석 교신저자, 한국뇌연구원 박형주 교신저자, 김지영 제1저자  © 한국뇌연구원

이번 연구결과는 세계 최고 권위의 국제 학술지 '네이처(Nature)'에 12월 23일 게재됐다.

사람의 뇌에서 기억을 담당하는 부분은 해마로, 성인 해마에서는 학습 및 기억 형성 중에 기존의 시냅스는 사라지고 새로운 시냅스가 생기는 시냅스 재구성이 활발히 일어난다.

그러나 어떻게 시냅스가 사라지고 이러한 시냅스 제거가 학습과 기억과정 중에 어떠한 역할을 수행하는지는 알려져 있지 않았으며, 이에 연구팀은 신경교세포중 가장 숫자가 많은 별아교세포가 발생시기 때 시냅스를 먹어서 없앤다는 선행 연구결과에 착안, 성체 뇌에서도 별아교세포가 불필요한 시냅스를 제거함으로써 학습 및 기억에 중요한 해마 내 흥분성 시냅스 및 회로를 유지한다는 사실을 증명했다.   

이제까지 신경교세포의 시냅스 포식 현상을 전자 현미경 또는 시냅스 염색법을 사용하여 확인했었다. 그러나 기존 방법은 신경교세포에 의해 먹힌 시냅스가 세포 내 산성 소화기관에서 급속히 분해되기 때문에 잔여 시냅스를 표시하고 관찰함에 한계가 있었다.

이에 연구팀은 시냅스에 산성화 감지가 가능한 형광단백질 조합 (mCherry-eGFP)으로 구성된 바이러스 기반 시냅스 포식 리포터를 개발하였으며, 새로 개발한 방법을 이용해 기존의 방법으로는 관찰할 수 없었던 현상인 별아교세포가 성인 해마에서 시냅스를 지속적으로 제거하며 특히 흥분성 시냅스를 더 많이 제거하고 있음을 발견했다.

그리고 뇌의 면역세포라 불리는 미세아교세포보다 별아교세포가 주도적으로 정상 해마의 흥분성 시냅스를 제거하고 있음을 확인하여, 미세아교세포가 시냅스를 제거하는 주된 세포라는 기존 학설과는 다른 결과를 얻었다. 미세아교세포를 제거하였을 때는 시냅스의 수가 변하지 않았지만, 해마의 별아교세포가 시냅스를 먹지 못하도록 억제했을때, 비정상적인 시냅스가 과도하게 급증가하고 정상적인 해마 뇌 회로의 기능과 기억형성이 저해 된다는 것을 처음으로 관찰한 것이다.

또한 연구팀은 유전자 변형을 통해 생쥐의 별아교세포의 시냅스 포식 작용을 저해하면, 해마 내 시냅스 연결 가소성과 기억 형성에 문제가 생김을 발견하였다. 이는 불필요한 시냅스들을 별아교세포가 제거하지 않는다면 정상적 학습과 기억 능력이 유지될 수 없다는 것을 의미한다.

연구팀은 이번 연구성과로 별아교세포에 의한 성인 뇌의 흥분성 시냅스 재구성이 정상적 신경회로망 유지 및 기억 형성에 필수적인 기전임을 최초로 제시하였으며, 이 기전은 향후 뇌기능 및 관련 신경 회로의 항상성 유지에 관한 다양한 연구들에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

연구팀은 “비정상적인 수준의 시냅스 수 변화는 자폐, 조현병, 전 측두엽 치매 등 다양한 신경질환의 유병률과 연관성이 높다.”라고 전하며, “시냅스 수를 다시 정상으로 회복하기 위해 별아교세포가 시냅스를 먹는 현상을 조절하는 것이 이들 뇌 질환을 치료하는 새로운 전략이 될 수 있다”고 말했다.

이번 연구는 삼성미래기술육성재단, 과학기술정보통신부 뇌원천기술개발사업, 한국뇌연구원 기관고유사업 등의 도움을 받아 진행됐다.

<아래는 구글번역기로 번역한 기사 전문이다.>

 Korea Brain Research Institute uncovers the principle of controlling adult brain memory formation

【Break News Daegu】 Reporter Seong-Hyun Lee = Korea Brain Research Institute (President Pan-Gil Seo), researcher Hyung-ju Park and Researcher Ji-Young Kim of the Neurovascular Unit Research Group, and Professor Jeong-Seok Won and Researcher Jun-Hyeok Lee in the Department of Life Science, KAIST It was revealed on the 5th that it was the first to identify the principle of memory formation based on an unknown'new brain homeostasis maintenance mechanism'.

The research results were published on December 23rd in the world's most prestigious international journal,'Nature'.

In the human brain, the part in charge of memory is the hippocampus, and in the adult hippocampus, synaptic reconstruction occurs actively during learning and memory formation, where existing synapses disappear and new synapses are created.

However, it is not known how synapses disappear and what role this synapse removal plays during the learning and memory process is not known. Therefore, the research team is based on a previous study that eats synapses when astrocytes with the highest number of glial cells occur. Intentionally, even in the adult brain, it was demonstrated that astrocytes maintain excitatory synapses and circuits in the hippocampus, which are important for learning and memory by removing unnecessary synapses.

Until now, synaptic phagocytosis of glial cells has been confirmed using electron microscopy or synaptic staining. However, existing methods have limitations in displaying and observing residual synapses because synapses eaten by glial cells are rapidly degraded in the acidic digestive system within cells.

Accordingly, the research team developed a virus-based synaptic predation reporter composed of a combination of fluorescent proteins (mCherry-eGFP) capable of detecting acidification at the synapse, and using a newly developed method, astrocytes, a phenomenon that could not be observed with conventional methods, were found in the adult hippocampus. It was found that it was continuously removing synapses, especially excitatory synapses.

In addition, it was confirmed that astrocytes are taking the lead in removing excitatory synapses from the normal hippocampus rather than microglia called immune cells in the brain, resulting in a different result from the existing theory that microglia are the main cells that remove synapses. When the microglia was removed, the number of synapses did not change, but when the astrocytes of the hippocampus were inhibited from eating synapses, it was observed for the first time that abnormal synapses increased excessively and the function of the normal hippocampal brain circuit and memory formation were inhibited. will be.

In addition, the research team found that inhibition of synaptic phagocytosis of mouse astrocytes through genetic modification caused problems in synaptic plasticity and memory formation in the hippocampus. This means that normal learning and memory skills cannot be maintained unless astrocytes remove unnecessary synapses.

As a result of this research, the research team presented for the first time that excitatory synapse reconstruction by astrocytes in the adult brain is an essential mechanism for maintaining normal neural networks and memory formation, and this mechanism is a variety of studies on the maintenance of homeostasis of brain function and related neural circuits in the future. It is expected to be used for

The research team said, “The abnormal level of synapse number change is highly correlated with the prevalence of various neurological diseases such as autism, schizophrenia, and anterior temporal dementia.” “The phenomenon of astrocytes eating synapses to restore the synapse count back to normal. "It could be a new strategy to treat these brain diseases."

This research was conducted with the help of the Samsung Future Technology Fostering Foundation, the Brain Source Technology Development Project of the Ministry of Science and ICT, and the Korea Brain Research Institute's unique project.