IBS 연구진, 소뇌 별세포가 운동 협응 능력을 높이는 원리 규명
기초과학연구원(IBS) 기억 및 교세포 연구단 인지 및 교세포과학 그룹 이창준 단장과 홍성호 연구위원 연구팀은 별모양의 비신경세포 ‘별세포(astrocyte)’가 소뇌에서 복잡하고 정교한 움직임을 가능케 하는 메커니즘을 규명했다.
10일 IBS에 따르면 인공지능(AI) 기반 데이터 분석·계산 모델링·신경과학 실험을 결합한 최초의 다학제적 별세포 연구로, 파킨슨 등 운동장애 치료뿐 아니라 로봇·피지컬 AI·인공신경망 분야에 확장 적용될 것이라는 기대다.
소뇌에는 뇌 전체 신경세포의 70% 이상이 모여 있으며 그중 대부분은 과립세포(cerebellar granule cell)다. 소뇌 과립세포는 억제성 신경신호 전달물질 가바(GABA)에 의해 지속적으로 억제(tonic inhibition)됨으로써 활성이 조절되고 정보를 안정적으로 처리한다.
연구진은 먼저 어린 생쥐(3~4주령)와 성체 생쥐(8~12주령)의 소뇌 과립세포를 비교·분석한 결과, 어린 생쥐에서는 억제성 신경세포가 방출한 가바가 지속적 억제를 주로 담당했다. 반면 성장 이후에는 별세포가 ‘베스트로핀-1(Bestrophin-1)’이란 통로를 통해 가바를 직접 공급하며 억제를 주도했다. 즉 지속적 억제가 어린 시기에는 신경세포 중심이었다면, 성장 과정에서 신경세포-비신경세포(별세포) 공동 운영 체제로 변화하는 것이다.
특히 성체에서는 세포 외부의 가바를 다시 내부로 회수하는 가바 수송체(GATs)의 활성이 증가하면서, 세포 외 공간에 가바를 지속 공급하는 별세포의 기여가 두드러지는 한편 신경세포 유래 가바의 영향은 줄었다.
연구진은 이러한 변화가 신경회로 기능에 미치는 영향을 살펴보기 위해 약 100만 개의 신경세포를 포함하는 ‘대규모 소뇌 신경회로 계산 모델’을 구축했다. 시뮬레이션 결과 지속적 억제 조절의 중심축이 신경세포에서 별세포로 전환되면서 각 부위의 움직임을 담당하는 과립세포 간 간섭을 줄여, 이들 세포가 보다 독립적으로 정보를 처리할 수 있게 됨을 확인했다. 별세포가 소뇌 과립세포의 지속적 억제를 주도할수록 여러 신체 부위의 움직임을 유연하게 조합할 수 있는 운동 협응 능력이 형성되는 것이다.
나아가 ‘딥러닝 기반 3차원 행동 분석 시스템(AVATAR 3D)’을 활용해 실제 생쥐의 미세한 움직임 변화를 정량 분석했다. 정상 성체 생쥐에서는 사지 움직임이 독립적이고 자유로워 다양한 움직임 조합이 관찰됐던 반면, 어린 생쥐와 베스트로핀-1 유전자가 결손된 성체 생쥐에서는 움직임 다양성이 현저히 감소했다. 소뇌 별세포의 억제 조절이 운동 협응 능력 성숙의 핵심임을 세포 수준을 넘어 동물 실험에서도 검증한 것이다.
이창준 단장은 “이번 연구는 기존의 신경세포 중심으로만 이해돼 온 뇌 발달 과정에서 신경세포와 별세포의 상호작용 중요성을 새롭게 밝혀낸 성과”라며, “발달성 및 퇴행성 운동 조절 장애 연구뿐 아니라 뇌 원리 기반의 로봇·피지컬 AI의 운동 제어 기술 개발에도 널리 활용되리라 기대한다”고 전했다.
이번 연구 결과는 네이처 자매지 ‘실험분자의학(Experimental & Molecular Medicine, IF 12.8)’에 2월 18일 온라인 게재됐다.
jiany@fnnews.com 연지안 기자
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