자폐증으로 인한 사회성 저하를 일으키는 뇌 신경회로가 규명됐다. 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 김은준 시냅스 뇌질환 연구단장(KAIST 생명과학과 석좌교수) 연구팀은 자폐증의 주요 증상인 사회성 저하의 원인으로 ‘뇌 신경회로’라는 새로운 관점을 제시했다.

자폐 스펙트럼 장애(Autism spectrum disorder, 자폐증)는 사회성 저하와 반복 행동을 일으키며, 세계 인구의 약 2.8%가 겪고 있는 대표적인 뇌발달 장애이다. 자폐증의 유병률은 매년 빠르게 증가하고 있지만, 정확한 발병 메커니즘이 밝혀지지 않아 승인된 치료제가 아직 없는 상황이다. 또한, 자폐증과 뇌 신경회로의 연관성에 대해서는 거의 알려진 바가 없었다. 뇌의 여러 영역에 있는 신경세포들은 서로 복잡하게 연결되어 뇌 기능을 조절하는데, 이를 뇌 신경회로라고 한다.

시냅스 뇌질환 연구단은 이전 연구를 통해 대뇌 전전두엽의 ‘시냅스 단백질 IRSp53’이 결손된 자폐 생쥐 모델에서 대뇌 전전두엽 신경세포가 과도하게 활성화 되어 있으며, 이는 자폐 환자의 사회성 감소로 이어짐을 보고했다. 그리고 이번 연구를 통해 과활성화 된 대뇌 전전두엽 신경세포가 시상하부 및 중뇌의 보상회로를 손상시키기 때문에 자폐 환자의 사회성 감소 증상이 유발됨을 확인했다.

뇌 신경회로 중 하나인 보상회로(Reward circuit)는 생존에 필수적인 행동을 반복하게 만든다. 생쥐나 사람과 같은 사회적 동물에게 정서적 교감은 생존에 필수적인데, 이러한 행동을 할 때 보상회로가 긍정적인 감정을 느끼게 함으로써 사회성을 강화시키는 역할을 한다. 보상회로를 구성하는 신경세포에서 신경전달물질인 도파민이 분비되면 긍정적인 감정을 느끼게 된다.

자폐 생쥐 모델에서 대뇌 전전두엽 신경세포가 과활성화되니 이와 연결되어 있는 시상하부 및 중뇌 보상회로가 비정상적으로 억제되었다. 사회성을 강화시키는 역할을 하던 보상회로가 억제되면서 사회성 부족이 유도된다. 보상회로에서 도파민을 분비하는 신경세포들이 정상 생쥐 모델에 비해 과도하게 억제되었다.

특히, 중뇌 복측 피개영역(Ventral tegmental area, VTA)¹⁾에는 사회적 교감을 할 때 도파민을 분비하여 긍정적인 감정을 느끼게 함으로써 사회성을 강화시키는 역할을 하는 신경세포가 분포한다. 자폐 생쥐 모델에서는 중뇌 복측 피개영역 신경세포들이 과도하게 억제되면서 사회성 저하가 유도되었다.

또한 시상하부 신경세포에 빛 자극을 주어 보상회로를 정상화할 수 있었다. 도파민을 생성하는 신경세포가 정상화되었으며, 자폐 생쥐 모델의 사회성 역시 회복되었다. 이는 자폐 생쥐 모델에서 대뇌 전전두엽 과활성화가 보상회로를 억제해서 사회성이 저하됨을 의미한다.

김은준 단장은 “이번 자폐 모델 생쥐 연구를 통해 자폐 관련 사회성 조절 신경회로를 밝힐 수 있었다”며, “후속 연구를 통해 자폐 스펙트럼 장애와 연관 가능성이 있는 뇌의 영역 및 신경회로를 추가적으로 밝혀냄으로써 자폐 발병 원인의 이해 및 치료에 활용할 수 있을 것”이라고 전했다.

연구결과는 국제 학술지 ‘분자 정신의학(Molecular Psychiatry, IF 13.44)’ 온라인판에 2023년 9월 20일 게재되었다.

그림 설명

[그림1] 대뇌 전전두엽의 ‘시냅스 단백질 IRSp53’ 결손과 보상회로의 연관성
(1) 야생형 생쥐(사회성 정상)
야생형 생쥐의 대뇌 전전두엽 신경세포는 외측 시상하부의 억제성 신경세포와 연결되어 있다. 외측 시상하부의 억제성 신경세포는 중뇌 복측 피개영역과 연결 되어 있는데, 이 영역은 도파민을 분비하여 긍정적인 감정을 느끼게 한다.
(2) 야생형 생쥐(사회성 정상)와 IRSp53 결손 생쥐(사회성 결핍) 비교
➀ 대뇌 전전두엽의 ‘시냅스 단백질 IRSp53’이 결손되면, 대뇌 전전두엽의 신경세포가 과활성화된다. 특히 외측 시상하부와 연결되어 신경회로를 이루는 신경세포들의 비정상적으로 과활성화된다. ➁ 이로 인해 외측 시상하부의 억제성 신경세포의 활성이 감소하게 된다. ➂ 결과적으로 중뇌 복측 피개영역의 도파민 신경세포가 과도하게 억제된다. ➃ 도파민 분비가 정상적으로 이루어지지 않으면 보상회로가 제대로 작동하지 않아 사회성 결핍 증상이 생긴다.
(3) IRSp53 결손 생쥐(사회성 결핍)의 보상회로에 빛 자극하여 사회성 회복
➄ 외측 시상하부의 억제성 신경세포에 빛 자극을 하면, ➅ 중뇌 복측 피개영역의 도파민 신경세포가 재활성되고, 생쥐의 사회성을 정상으로 회복시킬 수 있다.

IBS 홍보팀
박인혜

1)복측 피개영역(Ventral Tegmental Area, VTA) : 중뇌의 한 부분으로, 중뇌 흑질과 더불어 도파민을 합성하는 세포가 분포하는 영역이다. 합성된 도파민은 신경회로를 따라 뇌의 여러 영역으로 방출되면서 보상에 대한 인지 및 긍정적 감정 유발 등의 기능을 수행한다.