Re: 뇌의 별(astrocyte)을 봐야 뇌 기능이 보인다!! 이창준 교수

[문형철]

https://link.springer.com/researchers/61776875SN

1년에 논문 10편이상씩 쏟아내는 연구자!!

이창준!!

핵심을 한 문장으로 요약하면:

“뉴런만 보는 것이 아니라

astrocyte(성상교세포), glycosylation(당화), 신경회로, 분자 신호까지 함께 연구하여 뇌 기능을 이해하고,

이를 조절하는 치료기술을 개발한다.”

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1. 전체 연구센터의 큰 그림

이 센터는 Center for Memory and Gloscience (CCS)라는 이름으로 소개되어 있고,

               연구의 중심은 두 가지입니다.

① Cognition — 인지

• 기억
• 학습
• 감각정보 처리
• 의식
• 의사결정 등

② Sociality — 사회성

• 다른 사람/개체를 알아보는 능력
• 공감(empathy)
• 감정 공유
• 사회적 행동
• 개체 식별(social recognition)

그리고 이 두 기능이 어떻게 정신질환과 신경퇴행성 질환에서 무너지는지를 연구합니다.

연구 수준도 매우 다양합니다.

분자 → 세포 → 신경회로 → 동물행동 → 인간 뇌기능

즉, 단순히 뇌 영상만 보는 연구가 아니라 여러 층위를 연결하는 multidisciplinary research입니다.

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2. 특히 중요한 부분: Cognitive Gloscience Group

여기서 상당히 흥미로운 부분이 있습니다.

핵심은 “뉴런만으로 뇌를 설명하지 않는다”는 것입니다.

이 연구팀은 astrocyte(성상교세포)를 적극적으로 연구합니다.

전통적인 신경과학에서는

뉴런 → neurotransmitter → synapse → 행동

이라는 모델이 중심이었습니다.

그런데 이 연구팀은

Astrocyte ↔ neurotransmitter ↔ synapse ↔ neural circuit ↔ behavior

라는 보다 복잡한 모델을 연구합니다.

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3. Astrocyte가 왜 중요한가?

자료에서 아주 직접적으로 다음과 같은 질문을 던집니다.

How do astrocytes regulate brain cognitive function?

즉,

“성상교세포가 어떻게 인지기능을 조절하는가?”

입니다.

성상교세포는 단순한 '뉴런을 지지하는 세포'가 아닙니다.

이 자료에서는 성상교세포가 다음 물질들을 만들고 분비하는 가능성을 연구한다고 합니다.

• Glutamate
• D-serine
• GABA
• BDNF
• H₂O₂

특히 중요한 것은 D-serine과 glutamate입니다.

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4. D-serine → NMDA receptor → synaptic plasticity

여기서 상당히 중요한 신경생물학적 연결이 나옵니다.

성상교세포가 분비하는 D-serine은 NMDA receptor 기능과 관련됩니다.

따라서 개념적으로 보면:

Astrocyte

↓ D-serine / glutamate 등

NMDA receptor

↓

Ca²⁺ signaling

↓

Synaptic plasticity

↓

Learning & memory

즉,

성상교세포가 시냅스의 가소성을 조절함으로써 학습과 기억 같은 인지기능에 영향을 줄 수 있다는 것입니다.

이것은 한의학적 관점에서 보더라도 상당히 흥미로운 연구 포인트입니다.

왜냐하면

“신경세포 자체의 기능”만 조절하는 것이 아니라

신경세포 주변의 미세환경을 조절하여 신경회로의 기능을 바꾼다는 개념이기 때문입니다.

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5. Astrocyte의 “volume”도 연구한다

자료에서 또 하나 중요한 표현이 있습니다.

how astrocytic volume changes can regulate synaptic plasticity

즉,

성상교세포의 부피 변화가 시냅스 가소성을 어떻게 조절하는가

를 연구합니다.

이것은 매우 재미있는 개념입니다.

성상교세포는 물을 많이 포함하는 세포이기 때문에

세포의 swelling / shrinkage가 주변의 extracellular space에 영향을 줄 수 있습니다.

그러면

Astrocyte volume

→ extracellular space 변화

→ neurotransmitter diffusion 변화

→ ion concentration 변화

→ synaptic signaling 변화

→ neural plasticity 변화

라는 연결이 가능합니다.

따라서 세포의 물리적 상태 자체가 신경정보 처리에 영향을 줄 수 있다는 것입니다.

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6. Reactive astrocyte와 신경퇴행성 질환

또 하나 중요한 부분입니다.

자료에서는 reactive astrocytes가

• Alzheimer's disease
• Parkinson's disease
• Huntington's disease

같은 신경퇴행성 질환을 어떻게 일으키거나 악화시키는지를 연구한다고 합니다.

즉,

정상 astrocyte

신경세포 보호
대사 지원
시냅스 조절
neurotransmitter 조절

↓

Reactive astrocyte

염증성 신호
산화스트레스
신경회로 변화
신경세포 손상

↓

Neurodegeneration

이라는 방향을 연구하는 것입니다.

그래서 연구팀의 궁극적인 목표 중 하나가

astrocyte의 기능을 조절하는 약물 후보를 찾는 것

입니다.

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7. 두 번째로 매우 중요한 연구: 초음파로 뇌를 조절한다

자료에는 다음 내용도 나옵니다.

developing ultrasonic technologies for non-invasive neuromodulation

즉,

초음파를 이용하여 뇌를 비침습적으로 조절

하려는 연구입니다.

현재 뇌를 조절하는 방법에는

• 전기자극
• 자기자극
• 광자극
• 약물
• 수술적 stimulation

등이 있는데, 초음파는 깊은 뇌 영역을 비교적 비침습적으로 자극할 가능성 때문에 연구가 활발합니다.

그런데 이 연구팀은 단순히

에서 끝내지 않습니다.

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8. 초음파가 세포에서 어떻게 감지되는가?

자료의 질문은 훨씬 더 구체적입니다.

즉,

초음파 → ion channel / transporter → 세포신호

로 어떻게 변환되는지를 연구합니다.

이것을 mechanotransduction이라고 생각하면 이해하기 쉽습니다.

Ultrasound

↓ mechanical force

Membrane / mechanosensitive proteins

↓

Ion channel opening

↓

Ca²⁺ 및 기타 ion signaling

↓

Cellular signaling

↓

Neural activity

↓

Behavior / cognition

이 연구가 성공하면 초음파를 단순한 물리적 자극이 아니라 특정 분자와 세포를 선택적으로 조절하는 neuromodulation 도구로 발전시킬 수 있습니다.

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9. Social Neuroscience Group

두 번째 그룹은 사회적 행동과 공감을 연구합니다.

핵심 질문은:

입니다.

이를 연구하기 위해 동물에서 observational fear model을 사용합니다.

예를 들어 한 동물이 다른 동물이 공포 반응을 보이는 것을 관찰했을 때,

자신도 공포와 관련된 행동을 보이는지를 측정합니다.

이것을 이용해서

관찰자

→ 다른 개체의 감정/상태를 감지

→ 자신의 brain network에서 affective response 발생

→ 행동 변화

라는 회로를 연구합니다.

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10. 공감(empathy)의 신경회로

자료에서는 특히

이라는 개념을 사용합니다.

쉽게 말하면,

“다른 사람/동물의 감정 상태가 나의 감정 상태에도 영향을 미치는 현상”

입니다.

그리고 정상적인 공감과 병적인 공감 반응의 차이를 뇌회로 수준에서 찾으려고 합니다.

궁극적으로는 이것을

• autism
• depression
• schizophrenia

등의 정신질환과 연결하려고 합니다.

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11. Social recognition — “저 개체는 누구인가?”

또 하나 흥미로운 연구가 있습니다.

뇌가 사회적 상호작용 중에

라는 것을 어떻게 인식하는지를 연구합니다.

이를 위해

• two-photon calcium imaging
• miniscope imaging
• Neuropixels recording
• 정량적 행동분석

등을 사용합니다.

즉,

특정 개체를 만남

↓

어떤 뉴런들이 활성화되는가?

↓

그 뉴런의 활동 패턴이 어떻게 달라지는가?

↓

“개체 A”와 “개체 B”를 뇌가 어떻게 구별하는가?

를 연구하는 것입니다.

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12. 제가 보기에는 이 자료에서 가장 독특한 부분: Glycosylation

Social Neuroscience Group에서 상당히 새로운 방향으로 제시하는 것이

glycosylation

입니다.

자료에서는

를 연구한다고 합니다.

즉,

단백질과 지질에 붙어 있는 당(glycan)이 사회적 행동을 어떻게 조절하는가

를 연구하는 것입니다.

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13. Glycosylation을 쉽게 설명하면

단백질이 만들어졌다고 해서 그것으로 기능이 완성되는 것은 아닙니다.

단백질에 다양한 chemical modification이 일어납니다.

그중 하나가

Glycosylation

입니다.

즉,

Protein + carbohydrate/glycan

→ 단백질의 구조·안정성·위치·상호작용 등이 변화

할 수 있습니다.

따라서

유전자 → 단백질

만으로 끝나는 것이 아니라

유전자 → 단백질 → glycosylation → 기능

이라는 층이 존재합니다.

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14. 이것을 뇌에 적용하는 것입니다

이 연구팀은

glycan-modifying enzyme

을 조절하는 유전자변형 mouse를 만들고,

뇌에 존재하는 glycan 구조를 mapping한다고 합니다.

그러면 궁극적으로

Glycosylation

↓

synaptic / cellular signaling

↓

neural circuit

↓

social behavior

라는 연결을 밝히려는 것입니다.

그리고 이것이

• autism
• depression
• schizophrenia

같은 질환의 새로운 진단 및 치료법으로 연결될 가능성을 탐색합니다.

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15. Molecular Neuroimaging Group

세 번째 그룹은 더욱 미세한 수준으로 내려갑니다.

핵심은:

입니다.

이를 위해

Genetically encoded fluorescent biosensor

를 사용합니다.

예를 들어 특정 단백질의 활성도가 증가하면 형광이 변하도록 유전적으로 설계할 수 있습니다.

그러면 살아 있는 뇌에서

특정 molecule의 activity

를 실시간으로 관찰할 수 있습니다.

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16. Optogenetics

또 하나 핵심 기술이

Optogenetics

입니다.

쉽게 말하면

특정 신경세포 또는 특정 분자를 빛으로 조절하는 기술

입니다.

따라서

빛

↓

특정 genetically engineered protein

↓

ion channel 활성화/억제

↓

특정 neuron 활성 변화

↓

brain circuit 변화

↓

behavior 변화

를 볼 수 있습니다.

이 기술의 장점은 공간적·시간적 선택성이 매우 높다는 것입니다.

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17. 이 연구센터의 전체 전략을 그림으로 표현하면

제가 이 자료를 구조화하면 다음과 같습니다.

BRAIN │ ┌──────────┴──────────┐ ↓ ↓ COGNITION SOCIALITY │ │ ↓ ↓ Astrocyte Empathy Synapse Social recognition Neural circuit Glycosylation │ │ └──────────┬──────────┘ ↓ BRAIN FUNCTION │ ↓ ┌─────────────────────┐ │ Neurological disease │ │ Psychiatric disease │ └─────────────────────┘ │ ↓ Molecular mechanisms │ ↓ New therapeutic targets │ ┌─────────┴─────────┐ ↓ ↓ Drug Ultrasound neuromodulation

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18. 이 자료에서 특히 주목할 5가지

제가 선생님 관점에서 읽는다면 다음 5개 키워드를 가장 중요하게 보겠습니다.

연구핵심 질문

Astrocyte	뉴런 주변의 성상교세포가 뇌 기능을 어떻게 조절하는가?
D-serine / Glutamate	Astrocyte가 synaptic plasticity를 어떻게 조절하는가?
Ultrasound neuromodulation	물리적 초음파가 어떻게 분자·세포 신호로 변환되는가?
Glycosylation	단백질·지질의 당화가 사회적 행동을 어떻게 조절하는가?
Optogenetics / biosensor	살아 있는 뇌에서 특정 분자와 회로를 실시간으로 관찰·조절할 수 있는가?

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그리고 가장 큰 흐름

이 연구의 방향은 과거의

에서 한 단계 더 내려갑니다.

현재는

를 묻고 있습니다.

특히 이 자료에서는 astrocyte와 glycosylation을 강조하고 있다는 점이 상당히 중요합니다.

즉, 뇌질환을 ‘뉴런의 문제’로만 보지 않고, glia–neuron interaction, extracellular environment, molecular modification, neural circuit을 하나의 연속적인 시스템으로 보려는 연구라고 이해하면 가장 정확합니다.