뇌 속 도파민의 생리학적 법칙, 초격차 뇌공학 기술로 새롭게 밝혀내다!
DGIST(총장 이건우) 뇌과학과 이광 교수팀이 뇌 신경 신호와 선조체의 도파민 신호 사이의 상관관계를 새롭게 밝혀냈다. 우리의 뇌는 1초 미만의 짧은 시간 안에 빠른 신경 신호처리가 필요하다. 그 중 도파민이 뇌 신경 신호에 가장 강력한 영향을 미치는 것으로 알려져 있었으나, 연구팀이 새롭게 개발한 ‘광신경칩 기반의 다중 뇌신호 모니터링 기술’을 활용해 확인한 결과, 생리적 범위 안의 화학적 도파민 신호 변화는 전기적 뇌 신경 신호처리에 영향을 미치지 않는 것을 밝혀냈다.
일반적으로 도파민 신호는 학습, 운동, 동기부여, 의사 결정 등에 중요한 역할을 하며, 파킨슨병, 중독, 우울증 등 여러 질환과 관련성이 있는 화학적 신경조절물질인 것으로 알려져 있다. DGIST 이광 교수팀은 도파민 신호와 뇌 신경 신호처리 그리고 관련 질환의 관련성을 분석하기 위해 UCLA의 Masmanidis 교수팀과 전기적·화학적 뇌 신경 신호를 동시에 기록할 수 있는 ‘광신경칩 기반의 다중 뇌신호 모니터링 기술’을 개발했다. 그리고 해당 기술을 통해 인위적으로 조작된 선조체의 도파민 신호가 뉴런들의 활동전위 변화를 유도하는지 확인하고, 기계학습을 통해 재검증을 진행했다.
연구팀은 광유전학 기술을 사용해 도파민 뉴런의 활동을 조절하면서 ‘복측 선조체’의 도파민과 신경 활동을 동시에 관찰했다. 먼저, 뇌 신경 신호처리 중 도파민이 분비되지 않도록 조절해서 관찰한 결과 뉴런의 활동에서 특이점이 발견되지 않았다. 그리고 일반 생리적 범위(음식 섭취 등)의 도파민을 분비했을 때도 뉴런의 활동에는 작거나, 일관적이지 않은 모습만 관찰됐다. 하지만, 인위적으로 일반 생리적 범위의 5배 이상 도파민을 분비했을 때에는 뇌 신경 신호처리에 큰 영향을 미치는 것을 확인했다. 이는 기존 학설로 알려진 내용과 다르게 특정 뇌 신경 신호처리에 있어서 일반적인 도파민 신호보다 다른 인자의 영향이 있을 수 있음을 시사한다.
DGIST 이광 교수는 “이번 연구는 음식 보상 정도의 도파민 신호가 선조체의 신경 활동을 빠르게 형성하는 데 미미한 역할을 한다는 것을 최초로 증명했다. 이는 1초 미만의 척도에서는 선조체의 신경 활동이 도파민보다 다른 외부 신경 입력에 영향을 받을 가능성을 암시한다”며 “도파민의 장기적인 기여도를 포함해 시간과 연관된 도파민의 정교한 생리학적 법칙을 규명하기 위해 후속 연구를 수행할 예정이다”고 밝혔다.
한편, 이번 연구 성과는 ‘네이처 뉴로사이언스(Nature Neuroscience)’에 7월 온라인 게재됐다.
연 구 결 과 개 요
Constraints on the subsecond modulation of striatal dynamics by physiological dopamine signaling
Charltien Long*, Kwang Lee*, Long Yang, Theresia Dafalias, Alexander K. Wu, Sotiris C. Masmanidis
(Nature Neuroscience, 0703, 2024)
Dopaminergic (DA) neurons play a crucial role in associative learning, but their capacity to regulate behavior on subsecond timescales remains debated. It is thought that DA neurons drive certain behaviors by rapidly modulating striatal spiking activity; however, a view has emerged that only artificially high (i.e., supra-physiological) DA signals alter behavior on fast timescales. This raises the possibility that moment-to-moment striatal spiking activity is not strongly shaped by DA signals in the physiological range. To test this, we transiently altered DA levels while monitoring spiking responses in the ventral striatum of behaving mice. These manipulations led to only weak changes in striatal activity, except when DA release exceeded reward-matched levels. These findings suggest that DA neurons normally play a minor role in the subsecond modulation of striatal dynamics in relation to other inputs and demonstrate the importance of discerning DA neuron contributions to brain function under physiological and potentially non-physiological conditions.
연 구 결 과 문 답
이번 성과 무엇이 다른가
기존 도파민은 선조체 스파이크 활동을 빠르게 조절하여 특정 행동을 유도한다는 이론이 막연히 정설로 받아 들여져왔지만, 이번 성과는 기존 학설과 다르게 1초 미만의 시간 척도에서 생리적 범위 내의 도파민 신호에 의해서는 선조체 뉴런의 스파이크 활동이 강하게 형성되지 않는다는 가능성을 제기함. 즉 도파민의 신경활동 기여도의 제약 조건이 있음.
어디에 쓸 수 있나
본 연구에서 도파민의 이론을 업데이트하였지만, 동일 방법론으로 세로토닌, 아세틸콜린과 같은 다양한 신경전달물질들의 밝혀지지 않은 생리적 법칙을 밝히는데 도움이 될 수 있음. 이는 뇌질환 극복의 단초를 제공할 것임.
실용화까지 필요한 시간과 과제는
본 연구에 사용된 다중 뇌신호 원천기술은 곧 연구적으로 대중화 될 것으로 기대함. 하지만 연구결과는 기초연구결과로 실용화를 현재 단계에서 가늠하기는 어려움.
연구를 시작한 계기는
수년 동안 선조체의 신호처리과정과 중뇌의 도파민 뉴런의 기능을 탐구한 연구를 진행하였음. 그 선행연구 과정 중에서 몇몇 데이터는 도파민의 법칙이 100% 적용되지 않을 수도 있다는 의구심을 가짐. 하지만 그 당시 기술력으로는 이를 체계적으로 증명할 수 없었기 때문에 실험적인 오류라고 생각하였음. 하지만 도파민 신호와 대규모 스파이크 뇌신호를 동시에 기록할 수 있는 원천기술을 보유함에 따라서 검증이 불가능했던 난제에 도전할 수 있었음.
어떤 의미가 있는가
기존 중심 학설과 다른 이론을 체계적으로 증명하여 결과적으로 뇌의 신경법칙을 업데이트한 학술적인 의미가 굉장히 큼. 더불어 이를 실험적으로 가능하게 한 초격차 뇌공학 기술의 방법론을 처음으로 제안함. 실제로 연구에 사용된 전기적·화학적 뇌신호를 동시에 기록하는 뇌공학 기술은 꿈의 기술임.
꼭 이루고 싶은 목표는
생리적인 신경반응부터 추상적인 감정까지 뇌의 작동기작들을 공학적인 관점에서 설명하고자 함.
화학적 신경활성물질과 대규모 전기생리학적 신호를 동시에 모니터링하는 초격차 뇌공학 기술을 이용하여 도파민과 활동전위의 인과성을 직접적으로 확인함.
광유전학으로 도파민의 생리학적 범위를 인위적으로 조작하여 스파이크의 변화값을 측정하고 데이터를 기계학습하여 도파민 신호 조작전후의 활동전위 기여도를 분석함. 이를 통해 생리적 수준의 도파민은 1초 미만의 척도에서 선조체 뉴런의 스파이크 활동에 미비한 영향만 미치는 반면에, 인위적으로 조작된 생리적 범위보다 큰 도파민은 뉴런의 활동전위에 두드러진 효과를 나타냈음을 제시함. 즉, 뇌 기능에 대한 도파민의 생리학적 기여도는 절대적이지 않고 시간 척도에 따라 상대적으로 차별화됨. [사진=DGIST]
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BRIC(ibric.org) Bio통신원(DGIST 등록일2024.07.10