김태 강동경희대병원 정신건강의학과 교수는 라디카 바시어 미국 하버드대 교수 연구팀과 함께 광유전학과 미세투석기술을 융합한 광미세투석(opto-dialysis) 탐침을 세계 최초로 개발했다고 14일 밝혔다.

광유전학은 빛에 감응하는 채널로돕신(channelrhodopsin)을 원하는 신경세포에 발현시킨 뒤 빛으로 자극해 세포의 활성을 정밀하게 조절하는 뇌과학 연구방법론이다. 하지만 자극 부위 자체의 뇌화학적 변화는 측정이 불가능해 결과 해석이 어려웠다.

이런 문제점을 극복하기 위해 개발된 광미세투척 탐침은 뇌의 주변부 신경전달물질을 측정할 수 있는 미세투석기술(microdialysis)과 광섬유가 융합돼 신경세포를 자극하는 동시에 뇌화학적 변화를 측정하거나 약물을 투여할 수 있다.

뇌의 각성 상태는 뇌간(brain stem)의 상행성 망상활성계(ascending reticular activating system)와 기저 전뇌(basal forebrain)에 의해 유지된다. 기저 전뇌의 신경세포(뉴런)는 대뇌피질 전체로 자극신호를 보내 각성 상태를 유도한다.
기저 전뇌의 콜린성 세포(아세틸콜린)는 이런 대뇌 활성화의 주역으로 알려졌으며, 최근 기저 전뇌의 콜린성 세포를 활성화하면 각성 상태가 연장된다는 연구결과가 보고되기도 했다.

하지만 반대로 글루타메이트(glutamate)세포나 파브알부민(parvalbumin)세포 같은 비콜린성 세포의 활성화도 각성을 유도하거나, 기저 전뇌 콜린성 뉴런이 주변의 파브알부민 뉴런을 흥분시키며 글루타메이트 뉴런을 억제한다는 연구결과도 나와 정확한 메커니즘은 불투명한 상태였다.

김 교수팀은 광미세투석 탐침으로 광자극 부위에서 직접 아세틸콜린 농도를 측정하고, 아세틸콜린 수용체 차단제를 투여해 기저 전뇌 콜린성 뉴런의 작용을 관찰했다. 그 결과 빛으로 기저 전뇌의 콜린성 세포를 자극하면 기저 전뇌 부위에서 아세틸콜린이 증가하고, 광자극과 동시에 역미세투석(reverse microdialysis)으로 아세틸콜린 차단제를 투여하면 광자극 효과가 없어지는 것으로 나타났다.
이는 기저 전뇌의 콜린성 뉴런이 대뇌의 뉴런을 직접 자극하기보다는 기저 전뇌 내부의 다른 뉴런을 흥분시켜 뇌의 각성 상태를 증진시키는 것을 의미한다.

김 교수는 “광미세투석 탐침은 광자극이 자극 부위 주변의 뉴런에 미치는 영향을 밝히는 데 유용할 것으로 기대한다”며 “뇌기능 규명뿐 아니라 알츠하이머병, 조현증, 자폐증 등 치료의 정밀도를 높이는 데에도 기여할 것”이라고 말했다.

이번 연구는 기존의 광유전학을 한 단계 개선했다는 평가와 함께 ‘저널오브뉴로사이언스(Journal of Neuroscience, IF : 6.344) 2월호에 게재됐다.