영화 ‘인셉션’처럼 타인의 기억을 읽고 이를 조작해 행동까지 제어할 수 있는 시대가 현실이 될 수 있는 가능성이 열렸다.
대구경북과학기술원(DGIST·디지스트)은 뇌과학과 현정호 교수가 미국 존스홉킨스 의과대학 연구팀과 진행한 공동 연구를 통해 특정 신경세포 및 회로와 특정 행동과의 인과관계를 검증할 수 있는 툴을 개발했다고 30일 밝혔다.
캘라이트(Cal-Light)는 빛과 칼슘을 동시에 이용해 원하는 때에만 빛을 켜고 끔으로써 활성화된 신경세포만을 시각화하거나 활성을 조절할 수 있는 기술이다. Cal-Light 기술이 효율적으로 구동되기 위해서는 특정 행동에 따라 활성화된 신경세포를 표지(Labeling)해야 한다. 또 특정 세포의 활성을 제어할 수 있는 스위치도 필요하다. 하지만 기존의 Cal-Light 기술은 활동전압에 비의존적인 칼슘신호 때문에 특정 신경세포가 표지될 수 있는 등 정확도가 다소 떨어질 수 있다는 단점이 존재했다.
이에 현정호 교수 연구진은 신경세포의 활동전압에 의해 촉발된 세포내 칼슘 상승을 빛을 이용해 선택적으로 유전자 발현으로 전환하는 세포체에 표적을 맞춘 시스템(ST-Cal-Light)을 개발했다. 이는 세포체에서 발생하는 활동전압에만 더욱 의존적인 표지가 가능하므로 기존 캘라이트 기술 대비 훨씬 좋은 효율로 표지가 가능한 기술이다.
기존 Cal-Light 기술을 업그레이드한 이 기술은 단백질이 세포체에 집중되므로 칼슘과 빛에 대한 반응성이 증가해 특정행동에 관여하는 신경세포들을 기존 대비 더 높은 시공간해상도로 표지가 가능하다. 이로 인해 ST-Cal-Light을 이용해 뇌전증 등의 신경과적인 뇌질환 역시 전임상 단계에서 치료가 가능하다는 것을 실험동물을 이용하여 규명했다.
현정호 교수 연구진은 세포체 표적 Cal-Light 유전자를 조건부로 삽입(knock-in)한 유전자조작 쥐를 제작함으로써 살아있는 동물에서 신경세포 표지와 조절을 통해 특정 신경세포 및 신경회로와 특정 행동과의 인과관계를 검증할 수 있게 됐다. 특정행동에 관여하는 신경세포를 정확히 표지하고 조절할 수 있는 이 기술을 통해 기존에 연구하기 어려웠던 특정 신경세포 앙상블과 행동 사이의 연결고리를 찾는 핵심 기술로 활용될 수 있을 전망이다.
현정호 교수는 “이번 연구결과는 특정 신경세포의 활성을 제어할 수 있는 스위치를 이용해 감정·행동을 조작함으로써 즐거웠던 기억을 주입할 수도 있고 잃어버린 기억을 복원시키는 것도 가능하다는 것을 시사하는 것”이라며 “우울증이나 알츠하이머병의 새로운 치료법 개발의 전략을 제시할 수도 있을 것으로 예상된다”고 말했다.
한편 이번 연구는 디지스트 뇌과학과 현정호 교수가 제1저자로, 존스홉킨스 의과대학의 권형배 교수가 교신저자로 참여했다. 연구결과는 저명 학술지(Nature Communications)에 2022년 12월 13일자로 온라인 게재됐다. 과학기술정보통신부의 디지스트 기본사업 ‘그랜드챌린지연구혁신프로젝트(P-CoE)’의 지원을 받아 수행됐다.
대구=최일영 기자 mc102@kmib.co.kr
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