연구진이 학습 및 기억과 관련된 새로운 신경 가소성 메커니즘을 발견했습니다.

뉴런은 중요하지만, 이 과정에서 뉴런만 중요한 역할을 하는 것은 아닙니다. 실제로 신경 세포 바깥쪽에 위치한 콘드로이틴 황산염이라는 세포외기질 분자 덩어리 형태의 "연골"이 뇌의 정보 획득 및 저장 능력에 핵심적인 역할을 합니다.

Cell Reports 저널 에 게재된 한 연구는 뇌 가소성, 즉 외부 자극에 반응하여 신경 연결이 어떻게 변화하는지에 대한 새로운 메커니즘을 설명합니다. 이 논문의 제목은 "주위 시냅스 기질의 초점 클러스터가 생쥐의 활동 의존적 가소성과 기억을 촉진한다"입니다.

이 연구는 하버드 의과대학, 트렌토 대학, 마그데부르크에 있는 독일 신경퇴행성 질환 센터(DZNE)의 협력을 통해 이루어졌습니다.

"감각 능력과 주변 환경을 이해하는 능력은 뇌 활동에 달려 있으며, 뇌 활동을 통해 우리는 외부 세계의 자극을 인지하고 처리할 수 있습니다. 뇌를 통해 우리는 새로운 정보를 습득하고 저장할 수 있을 뿐만 아니라 이미 학습한 정보도 기억할 수 있습니다."라고 유리 보지와 가브리엘레 셀리니는 말합니다.

이 흥미로운 현상은 뇌가 외부 자극에 반응하여 신경 연결(시냅스)의 구조와 효과를 지속적으로 변화시키는 능력 덕분에 가능합니다. 이러한 능력을 시냅스 가소성이라고 합니다. 시냅스 변화가 어떻게 발생하고 학습과 기억에 어떻게 기여하는지 이해하는 것은 신경과학의 주요 과제 중 하나입니다.

유리 보지(Yuri Bozzi)는 트렌토 대학교 교수이자 본 논문의 공동 주저자입니다. 가브리엘레 셀리니(Gabriele Cellini)가 본 연구의 제1저자입니다. 셀리니는 2017년 사비나 베레타(Sabina Berretta, 맥린 병원 및 하버드 의대, 보스턴) 연구실에서 박사후 연구원으로 이 프로젝트를 시작했으며, 트렌토 대학교 보지 연구실에서 박사후 연구원으로 재직하는 동안 본 논문을 완성했습니다.

연구의 중심에는 콘드로이틴 황산염이 있습니다. 이 분자는 관절에서 중요한 역할을 하는 것으로 잘 알려져 있으며, 뇌 가소성에서도 중요한 기능을 합니다. 콘드로이틴 황산염은 뇌의 세포외 기질의 필수적인 부분입니다. 이는 원래 2001년 알렉산더 디티아테프 박사의 연구팀이 발견했습니다.

2007년, 일본의 한 연구에서 뇌 전체에 둥글고 무작위적으로 흩어져 있는 콘드로이틴 황산 클러스터의 존재를 보고했습니다. 그러나 사비나 베레타의 중개 신경과학 연구실이 이 구조를 CS-6 클러스터(정확한 분자 구성을 나타내는 콘드로이틴 황산-6의 약자)로 명명하고, 이 구조가 신경교세포와 관련이 있으며 정신병 환자의 뇌에서는 크게 감소한다는 사실을 밝혀내기 전까지는 이 연구는 잊혀졌습니다.

그러다 2017년에 베레타 연구실에 새로 채용된 가브리엘 셀리니가 이러한 클러스터의 기능을 밝혀내는 업무를 맡았습니다.

"우리는 먼저 이러한 구조를 매우 고해상도로 이미징하여 자세히 조사했습니다. 그 결과, 이 구조들이 본질적으로 CS-6으로 코팅된 시냅스 덩어리로, 명확하게 식별 가능한 기하학적 모양으로 구성되어 있음을 발견했습니다. 그 후 새로운 유형의 시냅스 조직을 발견했습니다."라고 과학자들은 말합니다.

"이 시점에서 우리는 약간의 '실험적 창의성'을 발휘해야 했습니다. 행동적, 분자적, 정교한 형태학적 접근 방식을 조합하여 CS-6 클러스터에 캡슐화된 이 화합물이 뇌의 전기적 활동에 반응하여 변화한다는 것을 깨달았습니다."

"마지막으로, 마그데부르크 DZNE의 알렉산더 디티아테프와의 협력과 그의 연구팀의 하디 미르자푸르델라바르의 노력 덕분에 우리는 해마(공간 학습을 담당하는 뇌 영역)에서 CS-6의 발현을 감소시켰고, CS-6의 존재가 시냅스 가소성과 공간 기억에 필수적임을 보여주었습니다."라고 보찌와 셀리니는 지적했습니다.

"이 연구는 뇌 기능을 바라보는 새로운 관점을 제시합니다. CS-6 클러스터 내 서로 다른 뉴런에 형성된 모든 시냅스가 특정 외부 자극에 함께 반응하고 학습 및 기억 과정을 목표로 하는 공통 기능에 참여할 수 있는 가능성이 있습니다."라고 연구진은 밝혔습니다.

디티아테프와 베레타는 "이들은 다세포 수준에서 정보 통합과 연관 형성을 위한 새로운 기질을 나타내는 것으로 보인다"고 덧붙였다.

이 연구는 전환 신경 과학 연구실(사비나 베레타; 맥린 병원 - 하버드 의대, 보스턴), 신경 발달 장애 연구실(유리 보지; CIMeC - 트렌토 대학교 뇌 과학 학제 센터), 분자 신경 가소성 연구실(알렉산더 디티아테프; DZNE 마그데부르크)을 포함한 여러 연구실의 협업의 결과입니다.