이웃집과학자

뇌질환 환자를 수술할 때 대부분은 '뇌심부자극술'을 이용합니다. 뇌심부자극술은 금속 전극을 이용한 전기 자극으로 뇌 활동을 자극하거나 방해하는 시술입니다. 예를 들면 도파민의 분비가 멈춰 발생하는 파킨슨 병의 경우 뇌심부자극술을 통해 신경세포의 신호 전달을 활성화시켜 증상을 완화하죠. 그러나 뇌심부자극술은 금속 전극을 뇌 깊숙이 삽입하는 수술 또한 필요합니다.

이에 초음파를 이용한 뇌자극술이 주목받고 있습니다. 초음파 뇌자극술은 수술이 필요 없고 안전한 덕에 각광받는데요. 하지만 초음파를 통한 신경세포 조절 매커니즘은 아직까지 명확히 규명되지 않았죠.

뇌에 전극을 삽입하는 수술 없이 초음파만으로도 뇌질환을 치료할 수 있는 가능성이 열렸습니다. 기초과학연구원 인지 및 사회성 연구단 인지 교세포과학 그룹 이창준 단장 연구팀은 한국과학기술연구원, 경희대 동서의학대학원과 공동으로 저강도 초음파를 통한 신경세포 조절 메커니즘을 규명했다고 합니다. 연구팀의 논문은 <Current Biology>에 게재됐습니다. 

연구진은 초음파를 통한 신경 세포 조절이 별세포의 기계수용칼슘채널 TRPA1에서 시작된다는 점을 확인했습니다. 여기서 별세포는 뇌에서 가장 많은 수를 차지하는 별 모양의 비신경세포를 말합니다. 기계수용채널은 세포막의 기계적 자극에 활성화되는 채널입니다. 기계수용채널이 칼슘 투과성인 경우 기계수용칼슘채널이라고 부르며 이 채널을 매개로 해 세포 내로 칼슘이 유입됩니다.

연구팀은 별세포에 발현된 기계수용칼슘채널 TRPA1이 초음파로 먼저 활성화돼 별세포 내 칼슘을 증가시키고 이 칼슘이 Best1 채널을 열어 이를 통해 흥분성 신경전달물질인 글루타메이트(glutamate)가 별세포로부터 분비된다는 사실을 밝혔습니다. 시냅스로 분비된 글루타메이트는 신경 세포의 NMDA 수용체에 결합해 신경세포의 활성을 유도하는데요.

연구팀은 초음파 자극을 받은 별세포에서 분비된 글루타메이트가 신경 세포의 활성을 조절하는 기전을 전기생리학, 이미징, 모델마우스의 행동 실험, 모델링 등 여러 가지 실험 기법을 이용해 분자 수준에서 규명하고 이를 동물모델을 이용한 개체 수준까지 증명했습니다. 이를 규명하기 위해 연구팀은 TRPA1이 있는 쥐와 TRPA1이 없는 쥐를 각각 준비한 후 저강도 초음파에 의한 신경세포 발화(neuron firing) 정도를 관찰했습니다. 여기서 신경 세포 발화는 전기 자극 또는 신경전달물질을 통한 두 신경 세포 사이의 신호 전달을 말하죠.

실험 결과 TRPA1가 있는 경우 저강도 초음파에 의해 신경 세포 발화가 증가한 반면, TRPA1가 없으면 신경 세포 발화가 거의 관찰되지 않았습니다. 연구팀은 별세포의 TRPA1이 저강도 초음파 센서 역할을 해 신경 세포 발화가 일어나게 한다는 점을 분자 수준에서 증명했습니다.

추가 실험에서 연구팀은 저강도 초음파 뇌 자극술로 쥐의 꼬리 운동 능력을 개선했습니다. 연구팀은 쥐의 꼬리 움직임을 유도하는 뇌 부분을 저강도 초음파로 자극했는데요. TRPA1이 있는 쥐는 꼬리 움직임이 활발한 반면 TRPA1이 없는 쥐는 꼬리 움직임이 감소했습니다.

연구팀의 연구 결과는 치매, 파킨슨병, 우울증, 만성통증, 뇌전증 등 뇌질환 치료에 적용될 수 있을 것으로 기대됩니다. 제 1저자인 오수진 KIST 선임연구원은 "이번 연구는 저강도 초음파에 의한 신경세포 조절 메커니즘을 분자 수준에서 개체 수준에 이르기까지 전반적으로 규명했다는 데 의의가 있다"고 말했습니다. 연구를 주도한 이창준 단장은 "초음파의 센서 역할을 하는 유전자를 각종 뇌질환 치료에 적용하는 연구와 더불어 초음파유전학(ultrasonogenetics)으로 발전시키는 후속 연구를 할 계획"이라고 밝혔습니다.

##참고자료##

• Soo-Jin Oh, Jung Moo Lee, ; Ultrasonic Neuromodulation via Astrocytic TRPA1(2019)