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시냅스 : 가소성, 기억, 밀도변화
신경세포 : 세포종류
경시변화 : 인간의 노화
- 나이에 따른 감각의 변화
- 신경세포 시넵스 변화
시냅스 관련 주요 질문
기존의 시냅스 생성, 유지 및 소멸 등의 시냅스 가소성에 관한 연구는 대부분 생화학 및 전기생리학적인 현상에 근거한 연구였다. 그러나 최근 여러 첨단 신경세포생물학적 연구보고에 의하면 신경전달활동에 의해 시냅스에 다양한 형태학적인 변화가 일어나며, 구조 변화의속도 또한 우리가 생각하는 것보다 훨씬 빠르다는 것(~30분)이 알려지게 되었다.
시냅스의 구조적인 가소성(structural plasticity)과 관련지어 다음의 네 가지 질문을 생각해 볼 수 있다.
1. 시냅스를 이루는 단백질(building block)은 무엇인가?
2. 시냅스 단백질이 어떻게 서로 연결되어 거대한 시냅스 구조를 이룰까?
3. 시냅스의 생성 및 소멸은 어떻게 조절될까?
4. 시냅스의 생성 및 소멸은 정상적인 뇌기능 및 다양한 뇌질환과 어떻게 연관되어 있을까?
Postsynaptic density (PSD)
놀랍게도 현대 신경과학은 위의 첫 질문(시냅스 구성물질)에 대해서조차 아직 확실한 해답을 제시하고 있지 못한 형편이다. 시냅스는 지름이 약 0.5-1.0 마이크론 정도 되는데, 이는 약 10000-100000개 정도의 단백질이 수용될 수 있는 축구경기장 규모이다(단백질 하나가 한 사람 정도의 크기를 가지고 있다고 가정하면). 이와 관련해서 최근 관심이 집중되고 있는 것이 anchoring/scaffold protein 또는 postsynaptic density(PSD) protein이라 불리는일련의 단백질들이다. PSD단백질들은 댜양한 기능을 수행하고 있는데 (그림 5), anchoring protein으로서 이들은 생체막단백질들의 cytoplasmic region과 상호작용하여 생체막단백질들이 시냅스에서 표류하지 않고 고정배치 되는 것을 도와준다. 또한 이들은 scaffold protein으로서 수용체와 downstream signaling molecule을 연결(physical and functional coupling)해준다. Anchoring/scaffold protein들은 또한 서로 연결되어 그물망과 같이 얽혀 있는 시냅스의 기본 골격을 형성하리라 생각된다. 흥미롭게도 이러한 시냅스 형성(synaptogenesis) 및 해체는 신경세포끼리의 접촉 및 신경전달활동(synaptic activity)에 의해 역동적으로 또 빠른 속도로 변화하는 것이 밝혀졌다.
인간의 뇌에는 약 1천억 개의 뉴런이 존재하는데 뉴런 1개당 수천 개의 시냅스를 형성한다. 따라서 뇌에 있는 총 시냅스의 수는 1014 ~1015개나 된다. 뇌에는 이렇게 수많은 시냅스로 이루어진 다양한 신경회로망(신경망)이 복잡한 그물처럼 형성되어있다. 이런 신경망의 패턴들은 뇌의 특수한 기능을 만든다. 학습을 하면신경망을 구성하는 시냅스에 일정한 물질적, 구조적 변화가 일어난다. 따라서 기억 정보가 저장되는 특별한 곳이 있는 것이 아니라 정보가 처리되는 바로 그 신경망이 기억이 저장되는 장소가 된다.
학습에 의해 시냅스에 일정한 변화가 생기는 것을‘시냅스 가소성’이라고 부른다. 가소성(plasticity)이란 자극에 의해 변화할 수 있는 유연성을말한다. 이런 변화 중 시냅스 촉진과 시냅스 강화가 가장 많이 연구된 시냅스 가소성 모델이다. 시냅스 촉진은 바다달팽이 군소(Aplysia) 연구를 통해 밝혀졌다. 우리나라 남해와 동해 연안의 얕은 바다에서 자주 볼 수있는 군소는 지금까지 알려진 생명체 중 가장 큰 신경세포를 갖고 있다.군소의 신경계를 이용한 학습과 기억 연구는 30여 년 전부터 컬럼비아 대학의 에릭 칸델(Eric Kandel) 교수를 주축으로 꾸준히 진행되어 왔으며, 그는 이 업적으로 2000년에 노벨 생리의학상을 수상했다.
군소의 피부에 있는 호흡관을 자극하면 아가미가 수축한다. 이 반응은 피부에 연결된 감각뉴런의 정보가 아가미 수축을 담당하는 운동뉴런으로 전달되어 일어나는 것이다. 그런데 군소의 꼬리나 머리 피부에 이보다 센 자극을 가하면 아가미가 더 많이 수축한다. 센 자극을 주면 감각뉴런에 영향을 주는 새로운 촉진뉴런이 활성화되기 때문이다. 촉진뉴런은 세로토닌이라는 물질을 분비해 기존 신경망의 시냅스를 자극한다. 그 결과 감각뉴런에서 신경전달물질이 더 많이 분비되어 운동뉴런으로 신경전달이 효과적으로 일어나 최종적으로 아가미 근육이 더 활발히 수축하는 것이다. 하지만 이렇게 일어난 수축 반응은 길어야 몇 시간을 지탱하지 못한다. 곧촉진뉴런에 의한 현상은 단기기억만 설명할 수 있는 것이다.
학습 내용을 기억하는 기간이 긴지 짧은지는 학습의 강도에 달려 있다. 군소에 동일한 자극을 반복적, 습관적으로 가하면 이 자극은 장기기억화한다. 군소의 피부에 자극을 5회 이상 반복하면 이 정보는 일시적으로 촉진뉴런을 활성화시키는 단계를 넘어 감각뉴런의 핵 속으로까지 전달된다. 이렇게 전달된 신호는 뉴런의 핵 속에 있는 다양한 기억 관련 유전자를 발현시킨다. 그러면 장기기억에 관여하는 단백질과 신경전달물질이 만들어지고, 이들이 감각뉴런의 시냅스를 강화시켜 자극 정보를 오래 기억하게한다.
기억 연구의 또 다른 모델인 시냅스 강화는 전기신호가 시냅스에 충분히 전달되어 시냅스의 강도가 향상되는 현상이다. 이때는 글루타메이트수용체의 일종인 NMDA수용체가 중요한 구실을 한다. MDA수용체에 NMDA가 결합한 뒤 열린 통로로 칼슘이온이 들어와 다양한 효소를 활성화시켜 시냅스를 강화시킨다. 이런 현상은 서술 기억에 중요한 해마나 감정 또는 공포 기억에 관여하는 편도체를 비롯해 다양한 대뇌피질의 신경망에서 관찰된다. 칼슘 통과 능력이 우수한 NMDA수용체의 유전자를 이식받은 쥐는 다른 쥐에 비해 똑똑해진다는 연구 결과가 보고된 바 있다. 반대로 시냅스 강화에 관여하는 효소의 유전자를 제거하면 학습 능력이떨어진 쥐가 탄생하기도 했다.
시냅스 촉진이나 강화 현상이 일어나면 기존에 있던 시냅스에서 신경전달물질이 더 많이 분비되거나, 신경전달물질과 결합하는 수용체 수가많아진다. 그러면 정보를 더 오래 기억할 수 있게 된다. 또한 오랫동안 반복적인 학습을 하면 시냅스 수가 많아진다는 사실도 알려져 있다. 시냅스가 많아지면 전체 뉴런의 부피가 증가한다. 따라서 일부분이 확장되는 것 같이 뇌 구조가 변한다. 실제로 원숭이에게 특정한 학습을 반복적으로 시켰더니 뇌의 일부가 미세한 정도로 확장되었다. 인간의 뇌에서도 이와 비슷한 연구 결과가 발표된 바 있다. 새로운 사실을 배울 때마다 뇌의 미세한 구조가 조금씩 변하고, 이런 과정이 오랜 시간에 걸쳐 축적되면서 자아개발이 이루어진다. 즉, 인간은 일생 동안 신장과 체중 같은 외형적 변화 뿐만 아니라 경험과 학습을 통한 뇌의 변화도 겪는 것이다.
