생명과학과 한진희 교수 연구팀이 같은 경험을 다시 할 때, 원래 존재하던 기억 뉴런이 새로운 뉴런으로 교체됨을 규명했다. 이번 연구는 살아있는 생쥐의 뇌에서 뉴런을 표지하고, 추적·관찰할 수 있는 최첨단 신경 생물학 기술을 이용한 연구이다.

    기억과 정신 질환은 밀접한 관계이다. 충격적인 경험을 통해 형성된 기억은 외상 후 스트레스 장애를 일으킬 수 있다. 반면, 퇴행성 뇌질환에서는 기억 상실을 막아야 하는데, 이렇게 기억을 없애거나 상실을 막기 위해서는 뇌에서 특정 기억을 저장하는 뉴런을 표지하고, 이 기능을 선택적으로 제어할 수 있는 기술이 개발되어야 한다. 이번 연구는 이와 같은 미래의 기억 제어 기술 개발에 도움을 줄 것이다.

기억이 저장되는 방법

    어떤 경험이 일어날 때, 뇌의 많은 뉴런 중에서 단지 일부만이 활성화되고, 물리적·화학적 변화가 일어나 기억이 저장된다고 알려져 있다. 기억을 저장하는 뉴런들을 엔그램 세포라 하고, 이 뉴런들에 기억 흔적(memory trace)이 존재한다고 알려져 있다. 만약 같은 경험을 다시 하더라도 그 상황이 조금씩은 다르기 때문에 같은 뉴런에 기억이 계속 더해지는 방식으로 업데이트 될 것이라 생각해왔다. 하지만 본 연구에서는 기억을 저장하는 뉴런을 교체함으로써 업데이트가 이루어짐을 보여주어 기존의 패러다임을 획기적으로 전환시켰다.

실험은 어떻게 진행되었나

    극초기유전자(immediate early gene, IEGs)는 학습에 의해 활성화되는 뉴런에서 빠르게 발현이 유도되는데, 이 중 Arc라는 뉴런이 있다. Arc는 기억 공고화와 시냅스 가소성*에 필수적인 유전자로, Arc_CreERT2라는 형질 전환 마우스에 4-OHT라는 약물을 이용하면 뇌에서 Arc가 활성화되는 뉴런을 선택적으로 표지할 수 있다. 이를 이용하여 Arc 뉴런을 광유전학단백질인 채널로돕신 또는 할로로돕신으로 표지하고 후에 빛을 이용해서 표지된 Arc 뉴런을 자극하거나 억제할 수 있다. 학습할 때 표지했던 Arc 뉴런을 억제하면 기억 리콜이 억제됨을 통해 Arc 뉴런이 기억을 저장하고 있는 뉴런임을 알 수 있다.

실험 결과는

    연구팀은 생쥐 뇌 편도체** 영역에서 기억 저장 세포를 표지하고 조절하는 기법을 사용해 경험이 반복됐을 때, 같은 기억이 전혀 다른 세포들을 통해 다시 저장됨을 발견했다. 즉, 반복 학습된 기억이 처음 형성된 기억 엔그램을 억제하는 동안에도 정상적으로 발현됨을 보였다. 반복 학습 후 기존 엔그램에서 시냅스 가소성이 감소했는데, 이를 통해 경험이 반복되면 기존 기억 엔그램이 기억 회로상에서 연결이 약해져 기억 발현에 관여하지 않음을 알 수 있다. 또한, 반복 학습된 공포 기억이 다음 학습 때 활성화된 편도체 뉴런들에 새로 저장됨을 보였다. 

    나아가, 기존 기억 엔그램을 광유전학 기법으로 자극한 결과, 반복 학습된 공포 반응이 나타났다. 기존 기억 엔그램이 연결이 약해졌음에도 불구하고 기억 정보를 여전히 가지고 있는 ‘휴면 엔그램(silent engram)’으로 존재함을 확인하였다. 이 뉴런은 기억에 관여하지는 않으나, 이 뉴런에 여전히 기억의 흔적이 남아있음을 보였다. 이 뉴런이 존재하는 이유와 어떤 역할을 하는지는 아직 알려지지 않았다. 

    한 교수는 “뉴런이 교체된다는 것이 이전 경험에 대한 기억은 없어지고 가장 최근 경험으로 대체되는 것인지에 대한 연구를 진행하고 있다”고 전했다. 나아가, “반복에 의해 기억이 강화된다는 것이 과거와 현재의 경험이 서로 연결되는 매커니즘이 존재한다는 것을 시사하는데, 뉴런이 교체될 때 이것이 어떻게 가능한지 규명하고자 한다”며 향후 계획을 밝혔다. 마지막으로 한 교수는 뉴런이 어떻게 교체되는지에 대한 메커니즘을 규명하는 연구를 수행하고 있다고 한다. 
 

시냅스 가소성*
시냅스의 구조와 기능이 지속적으로 변화하는 능력

편도체**
감정을 조절하고, 공포 및 불안에 대한 학습 및 기억에 중요한 역할을 하는 대뇌변연계에 존재하는 아몬드 모양의 뇌 부위