세계 최초 시각 시스템 망막 -중뇌 뉴런 연결 포착
독일 베를린 대학교(Charité-Universitätsmedizin Berlin)와 막스 플랑크 생물 지능 연구소(Max Planck Institute for Biological Intelligence) 연구팀이 개발한 뉴로픽셀(Neuropixel) 프로브가 신경 세포 활동을 기록하는 데 사용됐다.
Nature Communications 저널에 게재한 논문에서 연구원들은 포유류와 조류의 시각 시스템에 공통적인 기본 원리를 설명했다.
두 가지 뇌 구조는 시각 자극 처리에 중요한다. 일차 대뇌 피질의 시각 피질과 중뇌의 구조인 상구체다. 시각과 시각 정보의 처리는 매우 복잡한 과정을 수반한다. 간단히 말해서 시각 피질은 일반적인 시각 지각을 담당하는 반면, 진화적으로 오래된 중뇌의 구조는 시각 안내 반사 행동을 담당한다.
시각 피질 내 시각 처리와 관련된 메커니즘과 원리는 잘 알려져 있다. Jens Kremkow 박사가 이끄는 연구원 팀이 수행한 작업은 이 분야 지식에 기여했다. 이와 달리 시각 정보가 중뇌 상구체에서 처리되는 방식에 대한 세부 사항은 정보가 부족하다.
눈의 망막 내부에 있는 감각 세포인 망막 신경절 세포는 외부 시각 자극에 반응하여 받은 정보를 뇌로 보낸다. 직접적인 신호 전달 경로는 망막 신경 세포가 수신한 시각 정보도 중뇌에 도달하도록 한다. 연구 책임자 Kremkow 박사는 “지금까지 크게 알려지지 않은 것은 망막의 신경 세포와 중뇌의 신경 세포가 기능적 수준에서 연결되는 방식이다. 중뇌 상구체의 뉴런이 시냅스 입력을 유사하게 처리하는 방식에 대한 지식 부족 “이라며 “이 정보는 중뇌 처리와 관련된 메커니즘을 이해하는 데 중요하다”고 말한다.
지금까지 살아있는 유기체에서 시냅스로 연결된 망막 및 중뇌 뉴런의 활동을 측정하는 것은 불가능했다. 가장 최근의 연구를 위해 연구팀은 뉴로픽셀 프로브로 알려진 혁신적인 고밀도 전극으로 얻은 측정값을 기반으로 한 방법을 개발했다.
Neuropixels 프로브는 좁은 생크를 따라 약 1,000개의 기록 사이트가 있는 작은 선형 전극 어레이다. 뇌에 있는 뉴런의 전기적 활동을 동시에 기록하기 위한 384개의 전극으로 구성됐다.
연구원들은 이제 이 새로운 기술을 사용하여 생쥐(상구체)와 새(시신경 구조)의 관련 중뇌 구조를 결정했다. 두 뇌 구조는 공통의 진화적 기원을 가지고 있으며 두 동물 그룹 모두에서 망막 입력 신호의 시각적 처리에 중요한 역할을 한다. 그들의 작업은 연구원들을 놀라운 발견으로 이끌었다.
세계 최초로 Kremkow 박사의 팀은 망막의 신경 세포와 중뇌의 시냅스로 연결된 표적 뉴런의 활동을 동시에 포착할 수 있었다.
Kremkow 박사는 “일반적으로 이러한 유형의 전기생리학적 기록은 뉴런의 세포체인 체세포에서 발생하는 활동 전위의 전기 신호를 측정한다”라며 “그러나 기록에서 우리는 정상적인 활동 전위와 다른 모양의 신호를 발견했다. 우리는 이 현상의 원인을 계속 조사했으며 중뇌의 입력 신호가 ‘축삭 돌기 내에서 전파되는 활동 전위에 의해 유발됨’을 발견했다. 연구 결과는 새로운 전자 어레이 기술이 신경 신호를 전달하는 신경 세포 돌출부인 축삭 돌기에서 나오는 전기 신호를 기록하는 데 사용될 수 있음을 시사한다. 이것은 완전히 새로운 발견”이라고 설명한다.
지금까지 눈과 중뇌 사이의 기능적 배선은 알려지지 않은 양으로 남아 있었다. 연구자들은 단일 세포 수준에서 중뇌의 망막 신경절 세포로부터의 입력의 공간적 구성이 원래의 망막 입력의 매우 정확한 표현을 구성한다는 것을 보여줄 수 있었다.
“중뇌의 구조는 망막 구조의 거의 일대일 사본을 효과적으로 제공한다. 또 다른 새로운 발견은 중뇌의 뉴런이 망막 신경절 세포로부터 매우 강력하고 특정한 시냅스 입력을 받지만 소수의 이러한 감각 뉴런에서만 수신된다는 것이다. 이러한 신경 경로는 눈 망막 및 중뇌의 해당 영역 사이의 매우 구조적이고 기능적인 연결을 가능하게 한다”고 Kremkow는 강조했다.
연구는 외상이나 종양으로 인해 시각 피질에 지속적인 손상을 입은 개인의 실명에 대한 이해를 향상시킬 것이다. 의식적 지각이 불가능한 이들 개인은 시각적 정보를 처리하는 잔여 능력을 보유, 이는 중뇌와 연결된 것으로 보이는 자극, 윤곽, 움직임 및 색상에 대한 직관적 인식을 초래한다.