신경세포, 냄새 어떻게 구분하나?

[최농부]

신경세포, 냄새 어떻게 구분하나?

KISTI 미리안『글로벌동향브리핑』 2010-05-06

다른 냄새를 빠르게 구별해 내는 것은 신경 자극을 차단하는 뇌의 특정 시냅스에 달려있다. 하이델베르그(Heidelberg) 의과대학 해부 생물학 연구소(Institute of Anatomy and Cell Biology)의 토마스 쿠너(Thomas kuner) 교수 팀의 연구자들과 맥스 플랑크 의학 연구소(Max Planck Institute for Medical Research)의 앤드레아스 샤퍼(Andreas Schafer) 박사는 유전적 조작이 없는 쥐보다 후각 중심의 특정 수용기가 결실된 쥐가 비슷한 냄새를 더 빨리 구별할 수 있다는 것을 발견하였다. 이러한 행동 양상은 인접한 신경 세포들 사이에서 억제 루프의 직접적 영향을 받은 결과이다.

외측억제(lateral inhibition)란 하나의 뉴런 활동이 이웃한 뉴런들의 활동에 의해 감소되는 현상을 지칭하는 용어이다. 명도 대비는 외측억제에 의해 나타나는 현상의 한 예라 할 수 있다. 즉, 두 지점에서 강도가 다른 빛이 들어와서 두 개의 수용기에 각기 강하고, 약한 자극을 인가하게 되면, 이 두 가지의 다른 신경 흥분이 중간 세포들을 거쳐 통합되면서 강한 쪽은 증폭시키고 약한 쪽은 오히려 감소시켜 두 쪽의 신호 차이를 크게 만드는 작용을 일컫는다. 따라서 강도가 다른 신경 흥분이 인접해 있으면 강한 쪽이 약한 쪽을 억압한다고 하여 이를 외측억제라고 한다.

할단K. 하틀린(Haldan K. Hartline), 조지 월드(George Wald), 그리고 래그날 그래니트(Ragnar Granit)는 43년 전, 시각에 대한 ‘외측억제(lateral inhibition)’ 활성화 원리를 발견하여 노벨 상의 영광을 얻었다. 하이델베르그 연구진은 외측억제의 동일한 메커니즘을 후각 시스템에 최초로 적용하였다. 분자 단위에서 행동 수준에 이르기까지 메커니즘이 적용될 수 있음을 확인한 것으로 본 연구 결과는 미국 신경학 의학 저널 뉴론(Neuron)에 게재되었다. 코의 점막에 있는 후각 세포의 수용기는 냄새를 감지하며 신경 신호를 작동시킨다. 후각 전구(olfactory bulb)로 알려진 뇌의 한 부분에서 이들 신호들은 처리된다. 신경 세포 네트워크 내에서, 입력 신호는 특정 전기적 패턴으로 전환되며, 이 전기적 패턴은 뇌 피질과 뇌의 다른 영역으로 전송되어 후각을 인식하게 한다.

특정 지역에 있는 억제 유전자 루프는 더 정확한 냄새 인식을 가능하게 한다. 쿠너 교수와 동료 연구진은 후각 자극의 신경 전달 과정이 실험 동물들의 행동에 어떻게 직접적으로 영향을 미치는 지에 대해 처음으로 밝혔다. “우리는 후각 전구에서의 정보 처리 과정을 매우 구체적으로 조종했고, 유전적 조작에 따른 효과를 반응 시간에 기초하여 측정했다. 동물 실험을 통해 특정 지역에 있는 억제 루프로 인해 비슷한 냄새의 조합을 더 빠르게 구별할 수 있음을 상당히 높은 신뢰성을 가지고 입증할 수 있었다. ”라고 코너 교수는 설명했다. 중간신경(interneurons)을 통한 억제 작용은 필터와 같은 역할을 하며, 강한 자극은 더욱 증폭시키고 또한 약한 자극은 더 약화시킨다. 이 과정은 필수적인 정보를 보다 쉽게 인식할 수 있게 만든다. 실험 동물들은 냄새에 반응하는 시간을 50 ms 이하로 보였다. 다양한 냄새를 학습하는데 걸리는 시간과 그들의 기억력은 영향을 받지 않았고, 간단한 냄새 인식 또한 별로 차이가 없었다.

바이러스성 유전자 연락선을 통해 젊은 쥐의 후각 전구 신경 세포 내에서 직접적으로 특정 효소, 크리(cre) 재조합효소(recombinase)를 전달한다는 것을 연구진은 밝혔다. 일반적으로 알려진 이들 효소들의 후각 인식 위치를 이용하여 쥐들의 게놈에서 특정 유전자 체절을 제거하였다. 이 작용에 의해 쥐는 중간신경 분분에 수용기를 잃게 된다. 이러한 표적 신경의 조작으로 억제 루프를 특별히 활성화 시킬 수 있다. 일반적인 ‘녹-아웃(knock-out)’ 모델을 사용하면, 유전자는 몸 전체가 비활성화되고, 순차적으로 발생하던 선택적 행동은 나타나지 않게 된다. 세심하게 잘 구성된 실험에서 쥐들은 몇 가지 향으로 된 단순한 냄새에서부터 복잡한 냄새를 인식하기 위한 학습을 하게 되고, 이미징 과정과 해부학적인 기술을 도입하여 전기 생리학적 방법으로 측정하면, 분자 단위의 변화에 대한 행동 영향의 관계를 정립할 수 있었다.

1. 출처: Science Daily (May 3, 2010)
2. 그림설명: 쥐의 후각 전구에 있는 유전적으로 조작된 알갱이 모양의 세포들. 면역 조직 화학 염색법에 의해 알갱이의 모양의 세포들의 핵은 붉은색으로 마크되고 있다. 녹색 또는 노란색(화살표)으로 전이된 바이러스성 유전자를 통한 추가적인 단백질을 표현하는 세포들. 바이러스에 의해 표현된 크레(cre) 재조합효소(recombinase)는 유전자 조작된 쥐에서 매우 특징적인 유전적 물질로 조정될 수 있다. 지금 보여지는 경우에서는, 알갱이 모양 세포의 많은 부분에서 특정 글루타민산염 수용기가 제거되었다. 이렇게 하여, 후각 전구 세포 생산량의 억제 유전자는 증가하게 되고, 냄새들은 더욱 차이를 내게 된다. (출처: 하이델베르그 의과 대학 병원, 해부 생물학 연구소)
3. 원문 정보: Nixon M. Abraham, Veronica Egger, Derya R. Shimshek, Robert Renden, Izumi Fukunaga, Rolf Sprengel, Peter H. Seeburg, Matthias Klugmann, Troy W. Margrie, Andreas T. Schaefer. Synaptic Inhibition in the Olfactory Bulb Accelerates Odor Discrimination in Mice. Neuron, 2010; 65 (3): 399 DOI: 10.1016/j.neuron.2010.01.009

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출처 : http://www.sciencedaily.com/releases/2010/04/100428121449.htm