신경세포가 다음 신경세포로 신호를 전달하려면 '시냅스소낭'(신경전달물질을 담고 있는 0.04 마이크로미터 크기의 작은 주머니로 시냅스전말단에 존재)에서 신경전달물질을 분비해야 하는데, 이 과정에 대한 신(新) 모델이 노벨상 수상자와 국내 연구진에 의해 공동으로 규명됐다.
특히, 이 연구성과는 신경전달물질 분비신호 세기의 변화인 '단기시냅스 가소성'을 이해하는 중요한 계기를 마련한 것으로, 향후 뇌신경회로 분석 및 뇌에서의 정보처리 방식에 대한 이해를 도움으로써 뉴로컴퓨팅 분야 발전에 크게 기여할 전망이다.
27일 미래창조과학부에 따르면 서울대의대 이석호·호원경 교수연구팀(생리학교실)이 독일막스플랑크연구소 네어(Neher) 교수('91년 노벨생리의학상 수상)와 공동 수행한 이 연구는 미래부와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 선도연구센터지원사업 등의 지원으로 수행됐다.
연구팀에 의하면 신경세포가 흥분하면 세포막의 이온통로가 열리면서 칼슘이온이 세포 안으로 유입되는데, 이 칼슘이온이 다음 신경세포를 자극하기 위한 시냅스소낭 안의 신경전달물질 분비의 스위치가 된다.
신경세포 내 시냅스소낭 중에는 다음 신경세포로 신호가 즉각 전달되도록 이온통로 근처에서 칼슘이온에 빠르게 반응하는 '준비된 즉각 분비 시냅스소낭(RRP, readily releasible pool)'이 존재한다. 하지만 이러한 RRP는 세포내 전체 시냅스소낭 풀 가운데 1∼5%에 불과해 신호가 계속 이어질 경우 고갈되기 쉽다.
따라서 RRP의 고갈을 보완하기 위해 이온통로에서 멀리 있던 시냅스소낭들이 이온통로 가까이로 이동한다는 사실을 지난해 이 교수 연구팀이 밝혀 미국립과학원회보(PNAS)에 게재된 바 있다.
하지만 예비군 시냅스소낭을 RRP 소낭으로 만들기 위한 준비과정인 '이온통로와의 거리 좁히기'와 칼슘이온에 대한 반응속도 즉, '칼슘민감도 높이기' 간의 상관관계는 알지 못했다. 연구팀은 고갈된 RRP 소낭을 대체하기 위해 멀리 있던 시냅스소낭들이 이온통로와의 거리를 좁히는 과정과 칼슘민감도를 높이는 과정이 순차적으로 일어나는 별개의 과정임을 알아냈다.
우선 멀리 있던 시냅스소낭들이 평균 0.06초 이내의 빠른 속도로 이온통로 가까이로 이동한 뒤, 3.6초에 걸쳐 칼슘민감도를 서서히 높이면서 즉각 분비를 위한 준비를 통해 RRP로 바뀜을 밝혀냈다.
신경신호전달의 스위치 같은 시냅스소낭 분비과정의 최종단계를 실험적으로 규명함으로써 뇌에서의 정보처리 기전 이해 등에 크게 기여할 것으로 전망된다.
이 교수는 "신경전달에 관여하는 시냅스소낭 분비에 대한 표준모델을 제시함으로써 향후 단기시냅스 가소성 연구와 응용분야인 뉴로컴퓨팅 연구에 광범위한 영향을 끼칠 것"이라고 강조했다.
