허원도 KAIST 생명과학과 교수(왼쪽)와 이상규 기초과학연구원 박사 [KAIST 제공]

우리 뇌 속에는 약 860억개의 신경세포와 신경세포 간 신호를 주고받아 우리의 인지, 감정, 기억 등과 같은 다양한 뇌 기능을 조절하도록 돕는 600조개에 달하는 시냅스가 존재한다. 노화나 알츠하이머병 같은 질병 상황에서 시냅스는 감소하는 것으로 알려져, 시냅스에 관한 연구가 주목받고 있지만 아직 시냅스의 구조 변화를 실시간으로 관찰하는 데에는 한계가 있었다.

KAIST(카이스트)는 허원도 생명과학과 교수 연구팀이 권형배 존스홉킨스 의대 교수 연구팀, 이상규 기초과학연구원(IBS) 인지 및 사회성 연구단 박사 연구팀과 공동 연구를 통해 세계 최초로 시냅스의 형성·소멸·변화를 실시간으로 관찰할 수 있는 기술 개발에 성공했다고 9일 밝혔다.

허 교수 연구팀은 형광 단백질(ddFP)을 시냅스와 결합시켜 신경세포 간의 시냅스 연결 과정을 실시간으로 관찰할 수 있는 기술을 개발했다. 이 기술을 시냅스(Synapse)와 스냅샷 (Snapshot)을 조합한 시냅샷(SynapShot)이라고 이름 지었고 기존에는 구현하기 어려웠던 시냅스 형성과 소멸, 역동적인 변화 과정을 실시간으로 추적하고 관찰하는 데 성공했다.

허 교수 연구팀은 이 박사 연구팀과 공동 연구를 통해 초록과 빨강 형광을 띠는 시냅샷을 디자인해 두 개의 서로 다른 신경세포와 연결된 시냅스를 쉽게 구별하여 관찰할 수 있었다. 또 빛으로 분자의 기능을 조절할 수 있는 광유전학 기술과 융합, 신경세포의 특정 기능을 빛으로 조절함과 동시에 시냅스의 변화를 관찰하는 데 성공했다.

개발한 시냅샷은 권 교수 연구팀과 공동연구를 통해 살아있는 생쥐에게 시각적 구별 훈련과 운동·마취 등 여러 상황을 유도하고 각 과정에서 시냅스의 변화를 실시간으로 관찰해 각각의 시냅스가 상당히 빠르고 역동적으로 변화될 수 있음을 보였다. 이는 살아있는 포유류의 시냅스 변화를 세계 최초로 관찰한 것이다.

허 교수는 “시냅샷 기술로 과거에는 구현하기 어려웠던 시냅스의 빠르고 역동적인 형성과 변화를 직접 관찰할 수 있는 가능성을 열었다”며 “이 기술은 뇌과학 연구분야의 연구방법론에 혁신을 가져올 것으로 예상된다. 뇌 과학의 미래를 밝히는 중요한 역할을 할 것으로도 기대된다”고 했다.

이번 연구 성과는 8일 국제학술지 ‘네이처 메소드’ 온라인판에 게재됐다.

구본혁 기자