뇌 신경세포 실시간 관측 센서 개발

한국과학기술연구원(KIST)는 뇌과학연구소 기능커넥토믹스연구단 브래들리 베이커(Bradley J. Baker)박사 연구팀과 빛을 통해 빠른 뇌 활동을 실시간으로 측정할 수 있는 바이오 센서 ‘봉우리’를 개발했다고 8일 밝혔다.

뇌의 신경계는 자극이 가해지면 전압 변화가 일어나는데, 이러한 전기적 활동을 통해 정보를 전달한다. 개발된 단백질은 현재까지 개발된 단백질 센서 중 가장 빠른 반응속도를 보였을 뿐 아니라 뇌의 다양한 영역에서 신경활동 변화를 동시에 관찰하는 것이 가능해 뇌 연구의 새 지평을 열었다. 이번 연구는 신경과학 분야의 권위있는 학술지인 ‘Journal of Neuroscience’에 7일 게재됐다.

신경세포는 전기적 자극 혹은 신경전달물질에 의해 세포막의 이온 투과도가 변하고, 이때 전압의 +극과 -극이 뒤바뀌는 역전현상이 일어난다. 이러한 현상을 활동전위(Action Potentials)라 부르는데, 하나의 활동전위는 1 에서 2 밀리초(1000분의 1초)로 빠르게 일어난다. 활동 전위는 냄새, 소리, 운동 등 뇌를 통해 일어나는 모든 반응을 전달하는 매개체가 되기 때문에 활동전위를 파악하는 것은 뇌 연구에 필수적이다.

연구팀은 활동전위와 같은 뇌의 전기적 활동을 광학적 신호로 바꾸기 위해 유전적으로 변형된 형광단백질 전압센서를 제작했다. 2011년 미래창조과학부의 세계적 수준의 연구센터(World Class Institute, WCI)사업의 유치 과학자로 KIST에서 오게 된 브래들리 베이커 박사는 개발한 센서의 이름을 순우리말 ‘봉우리, Bongwoori’로 정했다. 센서를 통해 측정된 광학적 신호가 마치 산봉우리 모양으로 보이기 때문이다.

봉우리를 사용하면 뇌에서 일어나는 신호전달 상황을 한 눈에 실시간으로 볼 수 있어 뇌가 실제로 기능할 때의 모습을 전체적으로 지도화 할 수 있게 된다. 뿐만 아니라 봉우리를 뇌에서 행동조절과 관련된 지역에서 발현시킬 경우 정상 뇌와 질병상태의 뇌의 차이를 관찰할 수 있게 된다.

브래들리 박사는 “본 연구로 하나의 신경회로 또는 수천개의 신경회로를 한눈에 실시간으로 볼 수 있게 됐고 전에 볼 수 없었던 기능적 뇌활성지도를 제작 할 수 있게 됐다”며 “머지않은 미래에는 정상과 비정상인 뇌의 변화를 확인할 수 있게 될 것이고, 이를 통해 질병의 근본적인 원인을 파악하여, 자폐증과 같은 뇌질환의 원인규명 및 치료제 개발에도 이용될 수 있을 것으로 예상된다”고 밝혔다.

한편 이번 연구는 미래창조과학부 WCI 사업과 KIST 주요사업에서 지원했다.