해마의 새로운 기역신경회로 발견

일본 이화학연구소(RIKEN)는 마우스를 사용하여 뇌의 기억형성의 중추인 해마의 부위에서 가장 해명이 늦었던 영역인 CA2를 다각적인 방법으로 정확하게 동정하는데 성공하였다. 또한 CA2를 통하는 새로운 트라이시냅스성 기억신경회로를 발견하여, 그동안 존재한다고 주장되어온 회로가 실제로는 존재하지 않는다는 것을 증명하였다.

해마의 신경회로는 1911년 신경해부학자인 라몬 카할에 의해 처음으로 발견되었다. 그 신경회로를 `후내피질->치상회(DG)->CA3->CA1`로 구성되어 3개의 시냅스를 통하고 있어 `트라이 시냅스성 기억회로`라고 명명하였다. 이후 1934년 신경생리학자인 Lorente de No에 의해 해마가 3개의 영역 (CA1, CA2, CA3)으로 이루어졌다는 것을 발견하였다. 하지만 CA2는 다른 영역에 비해 좁아서, 당시의 실험기술과 장비로는 CA2를 정확한 영역과 기억신경회로를 결정하기가 어려웠다. 최근 들어 in situ hybridization법을 이용하여 CA2를 컴퓨터 상에서 합성하여 유사하게 표시하는 것이 간접적인 실혐결과를 얻어 CA2의 새로운 영역을 정의하는 논문이 보고되었지만 고전적으로 알려진 영역과의 관계를 명확하게 밝히는 연구는 없었다. 또한 고전적으로 알려진 ‘CA2는 치상회에서 입력을 받지 않는다’라는 것에 대해서도 실증되지 않았다.

여기에서 연구그룹은 마우스를 이용하여 CA2 영역의 정확한 동정을 시험하였다. 연구그룹은 CA2영역을 정확하게 동정하기 위해 1) 면역조직염색법으로 CA의 마커단백질의 동시염색 (분자생물학적방법), 2) 세포생물학적 방법 3) BDA tracer 축색표식법 (해부학적방법) 4) Patch clamp technique (전기생리학적 방법) 등 4종류의 다각적인 어프로치에 의해 실험을 진행하였다. 실험의 결과 CA2의 표적이 되는 주요 마커 단백질 3종류가 공통의 영역에서 강하게 발현되었다. (그림 2) 다음으로 수상돌기표식법으로 신경세포의 주요 수상돌기로 보이는 복잡한 spine(시냅스로부터 입력을 받는 가시형태의 융기)의 유무, 축색표식법으로 시상하부의 상유두핵(Supramammillary nucleus)으로부터 입력의 유무, 전기생리학적 방법으로 세포특성에 따른 다각적으로 상세하게 조사하였다. 그 결과 CA2영역을 정확하게 동정하는데 성공하였다.

이어 1) 면역조직염색법 2) 바이러스 표식법 3) 신규DG특이적유전자재편성Cre마우스 4) 신규 CA2특이적Cre 녹-인 마우스 5) 광유전학(색소 단백질, 채널로돕신2를 사용한 실험) 6) 해마 급성 슬라이스 표본을 복합적으로 이용하여, 치상회(Gyrus dentatus)의 CA2에의 입력을 조사하였다. 그 결과 수십년간 믿어져온 `치상회(Gyrus dentatus)는 CA2에 입력하지 않는다`라는 정설이 뒤집어져 `치상회가 직접 시냅스를 통하여 CA2를 입력한다`는 것을 발견하였다. (그림 3) 또한 CA2는 CA1의 깊은 세포층의 흥분성 세포군에 우선적으로 입력하고 있는 것이 밝혀졌다.
이상으로부터 해마에서 종래의 트라이시놉스성의 기억신경회로 `후내피질->DG->CA3->CA2`에 추가하여 새로운 트라이시냅스성의 기억신경회로 `후내피질->DG->CA2->CA1 deep`을 발견하였다. 종래의 트라이시냅스성 기억신경회로는 해마 내의 주로 러멜러(lamella) 단면을 따라 정보전달을 하고 있는 것에 반해, 새로운 트라이시냅스성 기억신경회로는 복수의 러멜러 단면을 종단하여 정보전달을 한다는 것이 밝혀졌다. 또한 후내피질의 3층 세포특이적인 유전자재편성Cre마우스와 광전학을 이용한 실험으로부터 후내피질3층세포가 CA1에 입력되어 CA2에는 입력되지 않는 것이 명확하게 밝혀졌다. 이는 종래의 의견을 뒤집는 발견이다.

기억에 관련되 뇌 내의 신경활동이나 여러 가지 신경계 변성질환, 또는 정신신경질환의 메커니즘의 수수께끼를 해명하기 위해 뇌 신경회로의 정확한 지도는 꼭 필요하다. 현재 뇌의 정확한 지도의 부분적으로밖에 파악되지 않았지만, 뇌의 지도의 완성의 목적은, 대형 국가 프로젝트로 유럽, 미국, 일본에서 시작되었다. 본 연구성과로 향후 뇌 내의 지도를 효율적으로 만들어, 기억의 수수께끼나 신경계 변성질환, 신경정신질환의 메커니즘의 수수께끼를 해명할 수 있을 것으로 기대된다.

[그림 2] CA2 영역 마커 단백질의 동시염색
: CA2영역의 표지하는 마커 단백질을 면역조직염색법으로 동시 염색하였다. 적색은 RGS14단백질, 녹색은 PCP4단백질, 청색은 STEP 단백질을 가리킨다. 우측의 사진은 세 화상을 겹친 것으로 CA2영역을 가리킨다.

[그림 3] 해마에서 치상회(DG)로부터 CA2로의 새로운 기억신경회로
:청색은 핵염색, 녹색은 DG, 적색은 DG의 축색(DG로부터 시냅스입력), 오랜지색은 CA2를 가리킨다. 실험의 결과 DG가 직접 시냅스를 통하여 CA2에 입력되는 것을 알게 되었다.

http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?record_no=243674&cont_cd=GT

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