[쿠키과학] ‘기억 오래 남는 비밀’… IBS, 별세포 장기기억 역할 첫 규명

기억을 오래 유지하는 핵심이 신경세포(뉴런)가 아닌 뇌 속 별세포(Astrocyte)에 있다는 사실이 처음 밝혀졌다.

이번 연구는 노화에 따른 인지 저하와 알츠하이머병, 우울증 등 기억 관련 뇌질환 연구의 새로운 단서를 제시할 것으로 기대된다.

기초과학연구원(IBS) 기억및교세포연구단 고우현 연구위원팀은 한국뇌연구원과 공동연구로 별세포 단백질 ‘Ank2(Ankyrin-2)’가 장기 기억을 유지하는 핵심 조절자이며, 별세포 신호만 선택적으로 활성화해도 기억을 더 오래 유지할 수 있음을 동물실험으로 입증했다.

이번 연구는 기억이 형성되는 과정과 오랫동안 유지되는 과정이 서로 다른 생물학적 메커니즘으로 작동하며, 그 중심에 별세포가 있다는 사실을 처음 확인한 것이다.

지금까지 기억 연구는 대부분 뉴런에 집중됐다.

뉴런은 정보를 전달하고 저장하는 세포로 알려져 있어 기억 역시 뉴런의 기능으로 여겨졌다.

반면 별세포는 뉴런 주변에서 영양을 공급하고 뇌 환경을 유지하는 보조세포 정도로 인식됐다.

하지만 최근에는 별세포가 시냅스 기능과 신경회로를 능동적으로 조절한다는 사실이 밝혀지면서 뇌 기능을 조절하는 중요한 세포로 주목받고 있다.
연구팀은 이런 점에 착안해 별세포 안에 많이 존재하는 구조 단백질 Ank2가 장기 기억 유지에 관여할 것으로 보고 연구를 진행했다.

연구팀은 별세포에서만 Ank2 유전자를 제거한 생쥐를 제작해 기억 능력을 비교했다.

실험 결과 학습 직후 확인한 최근 기억은 정상 생쥐와 차이가 없었다.

그러나 학습 후 2주가 지나 측정한 장기 기억은 크게 감소했다.

기억을 만드는 과정은 정상적으로 작동했지만 기억을 오래 유지하는 능력만 떨어진 것이다.

이는 기억 형성과 기억 유지가 서로 다른 생물학적 기전으로 조절된다는 사실을 의미한다.

연구팀은 별세포의 구조 변화도 함께 분석했다.

Ank2가 제거된 별세포는 나뭇가지처럼 뻗은 돌기가 크게 줄어들며 구조가 단순해졌다.

때문에 기억을 저장하는 신경세포 집단인 엔그램(engram)과 접촉하는 면적도 크게 감소했다.

엔그램은 특정 경험이나 정보를 저장하는 신경세포 집단으로, 어떤 기억을 떠올릴 때 함께 활성화되는 세포들로, 기억이 저장되는 실체로 알려졌다.

연구팀은 기억 형성의 대표적인 생리현상인 장기강화(Long-Term Potentiation, LTP)도 조사했다.

장기강화는 신경세포 사이의 신호 전달이 오랫동안 강해지는 현상으로 새로운 기억을 형성하는 핵심 과정이다.

Ank2가 없는 생쥐에서는 장기강화가 정상적으로 오래 유지되지 못했다.

연구팀은 기억력이 떨어지는 원인도 분자 수준에서 규명했다.

Ank2는 별세포 안에서 칼슘 신호를 전달하는 핵심 단백질이다.

Ank2가 사라지자 세포 안 칼슘 신호가 약해졌고, 이에 따라 뇌유래신경영양인자(BDNF)에 대한 반응도 감소했다.

BDNF는 신경세포의 성장과 생존을 돕고 시냅스를 강화하는 단백질로, 학습과 기억 형성에도 중요한 역할을 한다.

별세포가 이 신호를 제대로 받아들이지 못하면 신경세포 간 연결이 약해지고 장기 기억도 안정적으로 유지되지 못하는 것으로 나타났다.

연구팀은 별세포 기능을 높이면 기억도 향상되는지 추가 실험을 진행했다.

빛으로 세포 기능을 정밀하게 조절하는 광유전학 기술을 이용해 별세포 안의 BDNF 신호만 선택적으로 활성화한 결과 실험동물은 기존보다 기억을 훨씬 오래 유지했다.

이는 별세포 신호만 조절해도 장기 기억 유지 능력을 높일 수 있음을 처음 입증한 결과다.

연구팀은 장기 기억에 집중해 관찰 기간을 늘린 결과 기억을 오래 유지하는 과정에서만 이상이 발생한다는 사실을 확인했다.

또 별세포에서만 BDNF 신호를 조절할 수 있는 기술이 없어 연구에 어려움을 겪자 KAIST 허원도 교수팀의 기술을 바탕으로 별세포 특이적 광유전학 도구 ‘옵토-T1(Opto-T1)’을 새롭게 개발해 문제를 해결했다.

이번 연구는 기억 관련 치료 전략에도 새로운 가능성을 제시한다.

지금까지 기억 저하 치료는 대부분 뉴런을 표적으로 개발됐지만, 앞으로는 별세포를 새로운 치료 표적으로 활용할 가능성이 열렸다.

특히 알츠하이머병과 노화에 따른 인지기능 저하, 우울증뿐 아니라 자폐스펙트럼장애와 지적장애 같은 뇌발달질환 연구에도 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

고 연구위원은 “이번 연구는 기억 연구를 뉴런 중심에서 별세포까지 확장했다는 점에서 의미가 크다"며 ”기억 유지 메커니즘을 새롭게 이해함으로써 노화와 우울증으로 인한 인지 저하, 알츠하이머병 등 다양한 기억 관련 뇌질환 연구에 새로운 방향을 제시할 것으로 기대한다"고 설명했다.

한편, 이번 연구는 IBS 김하영 석사과정, 임지운 과기술연합대학원대학교(UST) 석·박사통합과정, 김주영 박사후연구원이 공동 제1저자로 참여했고, 연구결과는 7일 국제학술지 ‘Nature Communications’ 온라인에 게재됐다.
(논문명: Astrocytic Ankyrin-2 Enables Memory Persistence in the Mouse Hippocampus)

이재형 기자 jh@kukinews.com