기초과학연구원 인지 및 사회성 연구단 이창준 단장 연구팀과 KAIST 허원도 교수는 공동 연구로 빛으로 뇌 기능 및 행동을 자유자재로 조절하는 광유전학 기술인 ‘Opto-vTrap(옵토-브이트랩)’을 개발했다. 나아가 동물실험을 통해 뇌 활성 뿐 아니라 활동과 감정까지 조절할 수 있음을 확인했다.

뇌 활성은 신경세포와 신경교세포와 같은 뇌세포들이 서로 신호를 주고받으며 조절된다. 이 같은 상호작용은 뇌 세포 내 ‘소낭¹⁾’안에 담긴 신경전달물질 분비를 통해 이루어진다. 소낭이 뇌 활성을 조절하는 사령관인 셈이다. 뇌 활성 조절은 뇌 연구를 위한 필수 기술이다. 뇌의 특정 부위나 세포의 활성을 촉진 또는 억제해보면 특정 뇌 부위가 담당하는 기능, 여러 뇌 부위 간 상호작용의 역할, 특정 상황에서 다양한 뇌세포의 기능 등 특정 상황에서 뇌 작동이 어떠한 원리로 일어나는지 밝힐 수 있기 때문이다.

그러나 기존 뇌 활성 조절 기술은 원하는 시점에 특정 뇌세포의 활성을 자유롭게 조절하기 어려웠다. 지금까지는 세포 전위차²⁾ 조절 방식을 사용하였는데, 이는 주변 환경의 산성도를 변화시키거나 원하지 않는 다른 자극을 유발할 뿐만 아니라 전위차에 반응하지 않는 세포에는 사용하지 못하는 한계가 있었다. 이번에 개발한 Opto-vTrap 기술은 세포 소낭을 직접 특이적으로 조절할 수 있어 원하는 시점에 다양한 종류의 뇌세포에서 이용이 가능하다.

연구진은 신경전달물질 분비를 직접 조절하고자 세포에 빛을 쪼이면 순간적으로 내부에 올가미처럼 트랩을 만드는 자체 개발 원천기술을 응용, 소낭에 적용했다. Opto-vTrap을 발현하는 세포나 조직에 빛(청색광)을 가하면 소낭 내 광수용체 단백질들이 엉겨 붙으며 소낭이 트랩 안에 포획되고 신경전달물질 분비가 억제된다. 요컨대 Opto-vTrap으로 소낭의 신호전달물질 분비를 직접 제어하여 뇌 활성을 자유롭게 조절하는 것이다. 연구진은 세포와 조직실험에서 나아가 Opto-vTrap 바이러스를 이용한 동물실험을 통해 뇌세포 신호전달 뿐만 아니라 기억·감정·행동도 조절 가능함을 확인하였다.

▲ [그림1] Opto-vTrap을 이용한 전기생리학 실험 결과.
실험동물에 Opto-vTrap 바이러를 주입하여 Opto-vTrap을 발현시키고, 전기생리학적 방법으로 자극에 의한 흥분성 시냅스 후 전류 (evoked-EPSC)를 측정하였다.
대조군 실험에서, 빛이 없을 때, 청색광이 있을 때, 청색광을 제거했을 때 전류 진폭의 차이가 없다. Opto-vTrap을 주입한 쥐 조직에서는, 청색광 자극에 의하여 흥분성 시냅스 후 전류의 진폭이 줄어들고, 이후 청색광을 제거하면 진폭이 다시 회복됨 확인하였다.

▲ [그림2] 광유전학적 세포소낭 분비 억제 시스템 Opto-vTrap 의 모식도.
세포소낭과 세포질에 Opto-vTrap를 발현시키고, 청색광을 통해 세포소낭 복합체를 만들어 소낭 내 신호전달물질의 분비를 억제하는 기술을 개발했다. 청색광을 끄면 신호전달물질이 다시 정상적으로 분비하므로 원하는 타이밍에 뇌 기능을 조절할 수 있다.

Opto-vTrap을 이용하면 뇌의 여러 부위간 복합적 상호작용 원리를 밝히고, 뇌세포 형태별 뇌 기능에 미치는 영향을 연구하는 데 유용하게 활용될 것으로 기대된다.

허원도 교수는 “Opto-vTrap은 신경세포와 신경교세포 모두에 잘 작동되기에 향후 다양한 뇌과학 연구 분야에 이용되리라 기대한다” 며 “앞으로 본 기술을 활용하여 특정 뇌세포의 시공간적 기능 연구를 진행하고자 한다.”고 말했다.

이창준 연구단장은 “Opto-vTrap은 뇌세포 뿐 아니라 다양한 세포에 이용이 가능해 활용가능성이 무궁무진하다”며 “향후 뇌 기능 회로 지도 완성 및 뇌전증 치료 등 신경과학 분야는 물론, 근육 경련·피부 근육 팽창 기술에도 기여할 것이다” 고 밝혔다.

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이번 연구 결과는 뇌 과학 학술지 뉴런 (Neuron, IF:17.173) 에 12월 1일(수) 1시(한국시간) 게재되었다.

IBS 커뮤니케이션팀
박유진

1) 소낭(vesicle) : 세포 내에 있는 막에 둘러싸인, 특히 지름이 50nm 내외의 작은 자루모양의 구조물

2) 세포 전위차 : 체내 대사과정 중이온 교환 작용에 따라 세포 안팎에 생기는 전위 차이