우리가 느끼는 통증과 가려움이 뇌 속에서 어떻게 처리되는지 밝혀졌다. 흔히 통증과 가려움은 다양한 질환에 동반되는데, 이에 대한 맞춤형 치료 전략 개발은 물론 감각 경험의 신경 메커니즘을 보다 깊이 이해할 수 있는 단서를 제공할 것으로 기대된다.

기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 인지 및 사회성 연구단 강봉균 단장 연구팀은 경북대학교 치과대학 고형곤 교수 연구팀과 함께 뇌의 전측대상회피질(Anterior Cingulate Cortex, ACC)에서 발생하는 통증과 가려움의 정보 처리 과정을 규명하고, 특정 감각을 선택적으로 조절할 수 있음을 밝혔다.

통증과 가려움은 서로 다른 생리적·행동적 반응을 유도하지만, 두 감각의 자극은 동일한 경로를 통해 전달된다고 알려져 있다. 말초의 자극으로부터 척수와 시상, 뇌간을 거쳐 전측대상회피질로 이어지는 경로다. 하지만 같은 경로로 전달되는 이 신호를 우리 뇌에서 어떻게 구별해 처리하는지는 명확히 밝혀지지 않았다.

전측대상회피질은 기본적인 감각의 처리부터 기억 저장이나 고차원적 감정의 처리까지 수행하는 중요한 뇌 영역이다. 연구진은 이 전측대상회피질 내 특정 뉴런이 자극 유형에 따라 선택적으로 반응하며, 통증과 가려움이 별개의 신경회로를 통해 처리된다는 사실을 실험적으로 입증하는 데 성공했다.

연구진은 먼저 실험용 생쥐를 이용해 전측대상회피질 내 뉴런이 통증과 가려움 자극에 대해 어떤 방식으로 활성화되는지 확인했다. 생쥐의 발에 포르말린을 주입해 통증을, 피부에 히스타민을 주입해 가려움을 유도한 뒤 자극에 의해 활성화된 뉴런을 형광 단백질로 시각화해 뉴런의 활성 패턴을 비교·분석했다. 그 결과 두 가지 유형의 뉴런 집단을 확인할 수 있었는데, 자극의 종류에 관계없이 활성화되는 뉴런 집단과 통증 혹은 가려움 중 특정 자극에만 선택적으로 반응하는 뉴런 집단이다.

이후 IBS 강봉균 단장이 2018년 개발한 시냅스 분석 기술인 ‘듀얼-이그라스프¹⁾(dual-eGRASP)’(Science, 2018)를 활용해 통증 또는 가려움 자극에만 특이적으로 반응하는 뉴런이 배내측시상²⁾(Mediodorsal thalamus, MD)으로부터 자극별로 선택적인 시냅스 입력을 받는다는 사실을 확인했다. 이는 통증과 가려움이 동일한 신경회로에서 다르게 해석되는 것이 아니라, 애초에 입력 경로가 다르며 각각 독립적인 뉴런 집단을 통해 처리됨을 의미한다.

나아가 연구진은 화학·유전학 기법을 이용해 통증 또는 가려움 자극에 반응하는 뉴런을 선택적으로 억제한 후 생쥐의 행동 변화를 분석했다. 그 결과, 통증 특이적 뉴런을 억제했을 때 통증으로 인해 나타나는 발을 핥거나 움켜쥐는 행동이 감소하였으며, 가려움 특이적 뉴런을 억제했을 때는 몸을 긁는 행동이 줄어드는 것을 확인했다. 이러한 결과는 특정 감각을 조절함으로써 통증이나 가려움을 선택적으로 감소시키는 정밀한 치료법 개발 가능성을 시사한다.

연구를 이끈 IBS 강봉균 단장은 “이번 연구로 감각이 어떻게 독립적으로 신경회로를 통해 구별되는지 시냅스 수준에서 최초로 입증했다”라며, “뇌의 핵심 영역인 전측대상회피질을 비롯해 인간의 인지 기능을 이해하는 데 큰 진전을 이룰 토대가 될 것”이라고 밝혔다.

공동 교신저자이자 제1저자인 경북대 고형곤 교수는 “통증과 가려움을 동반하는 질환의 치료를 위해 이 감각이 처리되는 신경회로를 이해하는 것이 매우 중요하다”라며, “병리적 상황에서 통증과 가려움을 처리하는 신경회로의 변화와 상호작용에 관한 연구로 확장할 계획”이라고 전했다.

이번 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 14.7)’에 3월 4일 온라인 게재됐다.

그림 설명

[그림 1] 통증과 가려움 유발 자극에 의해 활성화된 뉴런의 시각화
생쥐의 뒷발바닥에 포르말린, 목덜미에 히스타민을 각각 주입하여 통증과 가려움을 유발한 후, ACC 뉴런 활성 패턴을 분석했다. 이 때, 뉴런 활성 패턴이 감각의 종류뿐만 아니라 이전 자극 경험에 따라 달라질 수 있는지를 분석하기 위해 1차-2차로 자극을 구분하여 실험을 수행했다.
녹색은 1차 자극으로 활성화된 뉴런을 나타내며, 빨간색은 2차 자극(통증 또는 가려움)으로 새롭게 활성화된 뉴런을 의미한다. 연구진은 두 자극이 활성화한 뉴런의 위치, 중복 비율 등 분포 패턴을 정량적으로 비교해 통증과 가려움이 독립적인 뉴런 집단을 통해 처리됨을 확인했다. 또한, 일부 뉴런은 특정 감각(통증 또는 가려움)에만 반응하고, 일부 뉴런은 이전 자극 경험에 의해 자극의 종류에 관계없이 반응함을 확인했다.

[그림 2] 전측대상회피질(ACC)과 배내측시상(MD)의 자극 특이적 뉴런 집단 간 시냅스 연결
(a) 전측대상회피질 영역에 듀얼-이그라스프(dual-eGRASP)를 발현한 이미지다. 중간 이미지는 가려움 유발 자극에 의해 활성화된 뉴런을 보여주고, 우측 이미지는 통증 유발 자극에 의해 활성화된 뉴런을 보여준다.
(b) 가려움과 통증 유발 자극으로 인해 활성화된 전측대상회피질의 수상돌기에 듀얼-이그라스프가 발현된 이미지이다. 사이안그라스프(청록색 표시)는 가려움 유발 자극으로 활성화된 배내측시상 뉴런으로부터 받는 입력이고, 옐로우그라스프(노란색 표시)는 통증 유발 자극으로 활성화된 배내측시상 뉴런으로부터 받는 입력이다. 듀얼-이그라스프 신호의 상대적 비율을 분석한 결과 전측대상회피질 뉴런으로의 시냅스 입력이 시냅스 전 영역인 배내측시상의 뉴런에 의해 미리 결정된다는 것을 알 수 있다.

1) 듀얼-이그라스프(dual-eGRASP) : 뉴런 간 연결 시냅스를 청록색과 노란색으로 표지하여 정밀하게 분석할 수 있는 기술. 특정 뉴런들이 어떤 입력을 받는지, 서로 다른 감각 정보가 어떻게 구별되어 처리되는지 시냅스 수준에서 직접 확인할 수 있다.

2) 배내측시상(Mediodorsal thalamus, MD)은 전측대상회피질과 연결되어 감각 정보 처리와 정서적 반응을 조절하는 시상 핵이다.