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수술 없이 빛으로 세포 내 칼슘 조절… 공간 기억 능력 높인다

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빛을 머리에 비춰 공간 기억 능력을 향상시키는 기술이 나왔다. 수술 없이도 외부에서 두피 위로 손전등 강도의 빛만을 쏘면 치매나 알츠하이머 등을 앓는 환자의 인지 능력을 개선시킬 수 있을 것으로 보인다.

기초과학연구원(IBS)은 허원도 인지 및 사회성 연구단 사회성 뇌과학 그룹 초빙연구위원, 신희섭 단장, 이상규 연구위원 연구팀이 뇌 신경세포 내 칼슘 농도를 조절하는 비침습 기술을 개발했다고 21일 밝혔다.

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쥐 머리에 청색 빛을 비춰주면 쬐어주면 세포 내부의 칼슘이 증가하고, 이는 c-Fos 단백질발현으로 이어진다. /기초과학연구원 제공

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칼슘은 세포 기능에 중요한 물질로 세포 이동, 분열, 유전자 발현, 신경 전달 물질 분비, 항상성 유지 등에 관여한다. 세포 내 칼슘 양이 부족해지면 인지장애, 심장부정맥 등 다양한 질환으로 이어진다.

연구팀은 이번 연구에서 빛에 대한 민감도를 55배 증가한 ‘몬스팀원(monster OptoSTIM1, monSTIM1)’ 광유전학 기술을 개발했다. 쥐 머리에 청색 빛을 쬐어주자 광수용체 단백질 여러 개가 결합되고, 이 합성 단백질이 세포의 칼슘 통로를 열어 칼슘량을 높이는 원리다.

기존에도 빛으로 세포 내 칼슘 농도를 증가시키는 기술이 있었으나, 빛을 쏘기 위한 광섬유를 몸 속으로 집어 넣어야 한다는 점에서 시술 환자의 피해가 발생했다. 광섬유를 삽입하면 머리뼈, 생체 조직 손상 및 면역력 약화 등 부작용이 나타날 수 있다.

연구팀은 대조군과 실험군 쥐를 각각 준비한 뒤, 실험군 쥐에 몬스팀원 기술을 적용했다. 그 후, 공포감이 느껴지는 공간에 쥐를 놓았더니, 실험군 쥐가 대조군 쥐에 비해 공포감을 더 많이 느끼는 것을 관찰했다.

특히 이번 연구는 머리뼈 근처 뇌 피질뿐만 아니라 뇌 깊숙하게 위치한 해마와 시상에 위치한 뇌신경세포 내에서도 칼슘 농도가 증가한다는 사실도 확인됐다. 향후 수술 없이도 칼슘의 역할이나 칼슘에 의한 신경행동적인 변화를 규명하는 연구에 활용할 수 있는 결과다.

허원도 교수는"이 기술을 이용하면 빛만으로 뇌를 손상시키지 않고 비침습적으로 세포 내 칼슘 신호를 쉽게 조절할 수 있다"며 "뇌세포 칼슘 연구, 뇌인지 과학 연구 등에 다양하게 적용되길 바란다"고 말했다.

한편 이번 연구결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 11.88)’ 1월 10일자 온라인판에 실렸다.

김태환 기자(topen@chosunbiz.com)

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