근육에서 기억까지: 새로운 연구에서 신체의 단서를 사용하여 뇌의 신호를 이해합니다.

우리의 이두근과 뇌세포는 이전에 생각했던 것보다 더 많은 공통점을 가지고 있을 수 있습니다.

리핀코트-슈워츠 연구실이 이끄는 새로운 연구에 따르면 근육을 수축시키는 분자 신호를 전파하는 데 책임이 있는 세포 내 구조와 유사한 네트워크가 학습과 기억을 촉진하는 뇌 신호를 전달하는 데도 책임이 있는 것으로 나타났습니다.

"아인슈타인은 뇌를 사용할 때 근육을 사용하는 것과 같다고 말했고, 그런 면에서 여기에는 어떤 유사점이 있습니다." Janelia Senior Group Leader Jennifer Lippincott-Schwartz가 말했습니다. "두 경우 모두 동일한 기계가 작동하지만 판독값은 다릅니다."

뇌 세포와 근육 세포 사이의 가능한 연결에 대한 첫 번째 단서는 Janelia 과학자들이 세포 내부에 있는 막질 시트와 주름으로 많은 세포 기능에 필수적인 소포체, 또는 ER에 대해 이상한 점을 발견했을 때 나왔습니다.

리핀코트-슈워츠 연구실의 연구 과학자 로레나 베네데티는 ​​포유류 신경 세포의 ER 표면을 따라 고해상도로 분자를 추적하던 중, 분자들이 뇌 세포의 가지처럼 뻗어 있는 부분인 수상돌기 전체 길이를 따라 반복적인 사다리 모양의 패턴을 그리는 것을 발견했습니다.

거의 같은 시기에, 수석 그룹 리더인 스테판 잘펠트는 리핀코트-슈워츠에게 파리 뇌의 신경 세포에 대한 고해상도 3D 전자 현미경 이미지를 알려주었는데, 이 ER에서도 규칙적으로 간격을 둔 횡단 구조를 형성하고 있었습니다.

응급실은 보통 거대하고 역동적인 그물처럼 보이기 때문에 리핀코트-슈워츠가 그 구조물을 보자마자 연구실에서 그 용도를 알아내야겠다고 생각했습니다.

"과학에서 구조는 기능입니다." Janelia의 4D 세포 생리학 연구 분야를 이끄는 Lippincott-Schwartz가 말했습니다. "이것은 우리가 전체 수상돌기에서 보고 있는 특이하고 아름다운 구조입니다. 그래서 우리는 그것이 중요한 기능을 가지고 있을 것이라는 느낌이 들었습니다."

베네데티가 이끄는 연구자들은 유사한 사다리 모양의 ER 구조를 가진 것으로 알려진 신체의 다른 유일한 부위인 근육 조직을 살펴보는 것으로 시작했습니다. 근육 세포에서 ER과 세포막(세포의 외막)은 주기적인 접촉 부위에서 만나며, 이 배열은 junctophilin이라는 분자에 의해 제어됩니다.

연구자들은 고해상도 이미징을 사용하여 수상돌기가 ER과 세포막 사이의 접촉 부위를 제어하는 ​​일종의 junctophilin을 포함하고 있다는 것을 발견했습니다. 나아가 연구팀은 근육 세포의 접촉 부위(칼슘이 근육 수축을 주도하는 곳)에서 칼슘 방출을 제어하는 ​​동일한 분자 기계가 수상돌기 접촉 부위(칼슘이 신경 신호를 조절하는 곳)에도 존재한다는 것을 발견했습니다.

이러한 단서 때문에 연구자들은 수상돌기 접촉 부위의 분자 기계가 세포가 통신하는 데 사용하는 칼슘 신호를 전달하는 데도 중요할 것이라는 직감을 가졌습니다. 그들은 수상돌기를 따라 있는 접촉 부위가 전신기의 중계기처럼 작용하여 장거리에 걸쳐 신호를 수신, 증폭, 전파할 수 있다고 의심했습니다. 뉴런에서 이는 수상돌기의 특정 부위에서 수신된 신호가 수백 마이크로미터 떨어진 세포체로 어떻게 전달되는지 설명할 수 있습니다.

"그 정보가 어떻게 장거리를 이동하고 칼슘 신호가 어떻게 구체적으로 증폭되는지는 알려지지 않았습니다."라고 베네데티는 ​​말합니다. "우리는 ER이 그 역할을 할 수 있다고 생각했고, 이러한 규칙적으로 분포된 접촉 부위는 공간적, 시간적으로 국소화된 증폭기입니다. 즉, 이 칼슘 신호를 수신하고, 이 칼슘 신호를 국소적으로 증폭하고, 이 칼슘 신호를 먼 거리로 전달할 수 있습니다."

연구자들은 이 과정이 신경 신호가 전압 개폐 이온 채널 단백질을 통해 칼슘이 수상돌기로 들어가게 할 때 시작된다는 것을 발견했습니다. 이 단백질은 접촉 부위에 위치합니다. 이 초기 칼슘 신호는 빠르게 사라지지만 접촉 부위의 ER에서 추가 칼슘이 방출되도록 합니다.

접촉 부위에서 칼슘이 유입되면 CaMKII라는 키나아제가 끌려 활성화되는데, CaMKII는 기억에 중요한 것으로 알려진 단백질입니다. CaMKII는 세포막의 생화학적 특성을 변화시켜 세포막을 통과하는 신호의 강도를 변화시킵니다.

이 과정은 수상돌기를 따라 접촉 부위에서 세포체까지 계속되며, 뉴런은 여기서 다른 뉴런과 어떻게 소통할지 결정합니다.

새로운 연구에서는 뇌 세포 내 신호 전달에 대한 새로운 메커니즘이 밝혀졌으며, 신경 세포 내 신호가 어떻게 신경 세포 내에서 장거리를 이동하고, 이를 통해 수상돌기의 특정 부위에서 수신된 정보가 뇌에서 처리될 수 있는지에 대한 신경 과학의 의문에 답하는 데 도움이 되었습니다.

또한 시냅스 가소성의 근저에 있는 분자적 메커니즘, 즉 학습과 기억을 가능하게 하는 신경 연결의 강화 또는 약화에 대한 빛을 비춥니다. 분자 수준에서 이 과정을 파악하면 뇌가 정상적으로 작동하는 방식과 알츠하이머병과 같이 이러한 과정이 잘못되는 질병에 대한 이해가 높아질 수 있습니다.

"우리는 세포 하부 조직 수준에서 작동하는 구조, 아름다운 구조가 칼슘 신호 전달과 관련하여 전체 신경계가 작동하는 방식에 큰 영향을 미친다는 것을 보여주고 있습니다." Lippincott-Schwartz가 말했습니다. "이것은 과학을 하는 동안 아름다운 구조를 보면 완전히 새로운 세계로 인도할 수 있다는 것을 보여주는 좋은 예입니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/02/250207152716.htm