소뇌가 공포기억을 조절하는 신경회로 규명
연구 필요성
○ 공포와 불안은 내·외부 위협자극에 의해 유발되는 감정이며, 인간을 포함한 동물의 생존을 위해 필요한 필수적 감정이다. 공포와 불안에 대한 기존 연구들은 편도체(amygdala)를 공포-불안 정서반응의 중심 영역으로 규명하였다. 그러나 최근 많은 연구들은 편도체뿐 아니라 뇌의 다른 영역들 또한 공포-불안 반응에 필요하다는 것이 인식되고 있다.
○ 소뇌는 균형 잡기, 걷기와 같은 운동 조절 능력에 필수적인 뇌 영역으로 주로 인식되어 왔으나, 또한 공포 학습, 보상 학습과 같은 비운동성 기능에도 역할을 하는 것으로 알려져 있으며 소뇌의 손상은 PTSD나 자폐증과도 연관되어 있다. 그러나 소뇌가 어느 뇌 영역과 어떻게 상호작용하고 어떠한 원리로 비운동성 기능을 수행하는 지에 대해서는 명확히 규명된 바가 없다. 본 연구진은 소뇌의 출력 정보가 공포 조건화 학습을 위해 어떤 뇌 영역과 상호작용하여, 어떤 원리로 기능을 수행하는지 규명하고자 연구를 진행하였다.
연구성과/기대효과
○ 소뇌에서 뇌간의 외측 팔곁핵(parabrachial nucleus)으로 연결된 신경회로의 활성이 공포 기억 재생에 필수적임을 새롭게 밝혔다.
○ 회로의 작동 원리로 소뇌-뇌간 사이의 시냅스에서 공포 학습 의존적으로 시냅스 가소성이 나타나는 것을 관찰하고, 그것이 얼어붙기와 같은 행동 수준의 공포 반응까지 영향을 미치는 것을 확인한 것에 의미가 있다. 이는 편도체 중심의 공포-불안 정서 기능을 넘어서 전체 뇌 수준의 공포-불안 정서 기능을 이해하는데 기여한다.
○ 불안장애, 외상 후 스트레스 장애(PTSD) 등과 같은 비정상적 공포-불안 정서처리가 야기하는 장애를 이해하고, 구체적인 치료 표적을 제공하는데 기여할 것으로 기대한다.
○ 본 연구는 2023년 3월 22일 Cell Reports 지에 온라인으로 발표되었다.
○ 본 연구는 한국연구재단 뇌기능 규명 및 조절기술 개발사업, 선도연구센터(MRC), 개인기초연구사업(중견연구)의 지원을 통해 진행되었다.
□ 연구의 필요성
o 공포와 불안은 내·외부 위협자극에 의해 유발되는 감정이며, 인간을 포함한 동물의 생존을 위해 필요한 필수적인 감정이다. 공포와 불안에 대한 뇌과학적 연구는 오랫동안 진행되어 왔으며, 편도체(amygdala)가 공포-불안 정서반응의 중심 영역으로 알려져 있다. 그러나 최근의 연구결과들은 편도체 뿐만 아니라 뇌의 많은 영역이 공포-불안 정서 반응에 필요하다는 것을 제시하고 있다.
o 소뇌는 균형 잡기, 걷기와 같은 운동 조절 능력에 필수적인 뇌 영역으로 인식되어 왔으나, 공포 학습, 보상 학습, 사회적 행동과 같은 비운동성 기능에도 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 그러나 소뇌가 어느 뇌 영역과 어떻게 상호작용하고 어떠한 원리로 비운동성 기능을 수행하는 지에 대해서는 명확히 규명된 바가 없다. 본 연구진은 소뇌가 공포 조건화 학습과 기억 재생을 위해 어떤 뇌 영역과 상호작용하여, 어떤 원리로 기능을 수행하는지 규명하고자 연구를 진행하였다.
□ 연구내용
o 전기생리학(electrophysiology), 광유전학(optogenetics), 면역조직화학(immunohistochemistry), 파이버포토메트리(fiber photometry) 기술 등을 종합적으로 이용하여 연구를 진행하였다. 본 연구는 소뇌 핵-외측 팔곁핵 신경회로가 공포 학습과 기억에 필수적인 역할을 담당하며, 이는 소뇌 핵-팔곁핵 사이의 시냅스 강화가 동반되어 나타나는 현상임을 규명하였다.
o 광유전학적 방법을 통해 공포 조건화를 위한 학습과 기억 인출 각 단계에서 외측 팔곁핵으로 투사하는 소뇌 핵 신경세포를 억제하여, 소뇌 핵의 신경세포 활성이 필요한 시점을 확인하였다. 또한 공포 학습 후에는 소뇌 핵 신경세포를 활성화하는 것 만으로 공포 반응을 유도할 수 있음을 확인하였다.
o 살아있는 동물에서의 신경세포 활성을 관찰할 수 있는 파이버포토메트리 기술을 이용하여 소뇌 핵에 연결된 외측 팔곁핵 신경세포가 공포 조건화 학습 및 공포 기억 인출 동안 어떤 활성을 나타내는지 관찰하였다.
□ 연구결과
o 전기생리학과 광유전학적 방법을 결합한 실험 접근을 통해 소뇌 핵-외측 팔곁핵 신경회로 시냅스가 단일시냅스와 흥분성 신경전달물질인 글루타메이트의 전달을 매개하고 있음을 확인하였고, 해당 시냅스가 청각 조건 자극을 이용한 공포 조건화를 학습한 생쥐에서 강화되어 있음을 확인하였다.
o 신경세포의 활성을 조절하는 광유전학적 방법을 통해 소뇌 핵-외측 팔곁핵 신경회로가 공포 조건화 학습과 기억 인출에 필요하다는 것을 확인했으며, 공포 조건화 학습에 의해 강화된 소뇌 핵-외측 팔곁핵 신경회로의 활성화는 그 자체로 공포 반응을 유도할 수 있음을 확인하였다.
o 본 연구 결과는 2023년 3월 22일 Cell Reports 지에 온라인으로 발표되었으며 한국연구재단 뇌기능 규명 및 조절기술 개발사업, 선도연구센터(MRC), 개인기초연구사업(중견연구)의 지원을 통해 진행되었다.
(그림 1) 공포 조건화 학습을 위한 소뇌 핵-외측 팔곁핵 신경회로의 구성 및 시냅스 가소성 관찰 및 기능적 역할 규명
소뇌 핵-외측 팔곁핵 신경회로는 글루타메이트를 신경전달물질로 매개하는 단일시냅스로 구성되어 있으며, 조건 자극을 포함하는 공포 조건화 학습에 의해 시냅스 강화가 나타난다. 외측 팔곁핵에 투사하는 소뇌 핵 신경세포에 공포 조건화 학습 또는 기억 인출 동안 광유전학적 억제를 시행했을 때 공포 기억이 감소하는 것을 관찰하였고, 공포 조건화 학습을 시행한 생쥐의 외측 팔곁핵 투사 소뇌 핵을 활성화했을 때 공포 반응이 유도되는 것을 관찰하였다.
그림설명 및 그림제공: 서울대학교 이용석 교수
생명과학 서울대학교 (2023-03-27)