나이가 들어감에 따라 뇌는 행동적, 신체적 그리고 환경적 변화에 적응하는 능력인 가소성(plasticity)을 잃어간다. 이러한 변화는 인지기능에 부정적인 영향을 줄 수 있다. 하지만 특정 단일 유전자를 조작함으로써 노화된 뇌의 가소성을 회복할 수 있다는 새로운 연구가 발표되었다.

미국 및 일본의 공동연구팀이 진행한 이 연구결과에 따르면 나이든 쥐의 뇌에서 Arc 유전자를 과다발현시켰을 때 시각피질(visual cortex)의 가소성이 어린 쥐와 유사한 상태로 회복되었다고 한다. 제1저자인 Utah 대학교 Department of Neurobiology and Anatomy의 Jason Shepherd 박사는 성인 뇌에서 단 하나의 유전자를 조작함으로써 뇌의 가소성을 강화시킬 수 있다는 것은 매우 놀라운 결과라고 강조하였다. 이 연구는 최근 Proceedings of the National Academy of Sciences 에 게재되었다.

과거에는 뇌의 변화가 소아기에 중단되며 성인 초기에 그 구조가 돌처럼 굳어진다고 생각했던 때가 있었다. 그러나 지난 50여년에 걸쳐 과학자들은 이것이 사실이 아니며, 연구를 통해 일생 전반에 걸쳐 뇌가 변화한다는 사실을 알게 되었다. 뇌는 뉴런 간의 기존 연결을 변화시키고 새로운 연결을 형성함으로써 새로운 행동, 새로운 경험 및 새로운 정보의 습득에 적응할 수 있다. 이러한 과정을 신경가소성(neuroplasticity) 또는 뇌 가소성(brain plasticity)이라고 한다.

그러나 뇌 가소성은 나이가 들어감에 따라 점차 감소하게 되고 이는 학습과 기억에 해로울 수 있다. 만약 뇌 가소성이 회복되어 기능적인 능력(functional capacity)이 증가된다면? 아래의 연구에서는 언젠가 뇌 기능이 회복될 수도 있다는 가능성을 제안한다.


■ Arc 유전자와 뇌 가소성
뇌가 일생 전반에 걸쳐 변화될 수 있는 능력이 있음에도 불구하고 이전 연구들에 따르면 뇌의 발달과정 중 가소성의 “결정적인 창(critical windows)”이 있다고 한다. 즉 소아기에 경험을 기반으로 신경경로가 형성될 때의 결정적인 시간대가 있다는 것이다. 그렇다면 뇌 가소성에 관여하는 “critical windows”는 어떤 메커니즘으로 조절되는 것일까? 이러한 창은 확장될 수 있는 것인가?

Shepherd 박사 연구팀의 이전 연구에 따르면 Arc 유전자가 결핍된 쥐에서 시각 정보를 처리하는 뇌 영역인 시각피질이 새로운 경험에 적응할 수 없었음을 보고하였다. 특히 Arc 결핍 쥐의 시각피질에서 뉴런의 전기생리학적 활성은 한쪽 눈의 시력 상실에 반응하여 변화되지 않았다. 반면 Arc 유전자를 가지고 있는 정상 쥐의 경우에는 시력 상실에 적응하는 모습을 보였다.

연구진은 Arc 유전자가 시각피질의 critical windows를 여는 데에 어떠한 역할을 하는지, 만약 역할을 담당한다면 유전자 조작으로 critical windows을 다시 열 수 있는지를 알아보고자 하였다.

Shepherd 박사는 대뇌피질의 가소성에서 Arc 유전자가 중요한 역할을 하는 것으로 여겨졌으므로 이 유전자의 발현이 “결정적 시기(critical period)”를 조절하는 데 있어 핵심적일 것이라고 가정했다고 하면서, 특히 해마의 시냅스 가소성에서 Arc 유전자의 역할은 잘 알려져 있으며 기억 유지에도 중요하다고 말했다.


■ 나이든 쥐에서 뇌 가소성 회복돼
Shepherd 박사 연구팀은 Arc 유전자의 발현이 높은 나이든 쥐에서 시각피질의 가소성을 쥐가 죽을 때까지 전반적으로 모니터링 하였다. 그 결과 이들 쥐의 시각피질 또한 어린 대조군 쥐와 마찬가지로 시각 변화에 적응하였으며, 이를 통해 어린 쥐에서와 같이 나이든 쥐에서도 Arc 단백질의 지속적인 공급을 통해 뇌에서 가소성의 critical windows가 연장될 수 있음을 확인하였다.

다음으로 연구진은 바이러스를 이용하여 시각피질의 critical windows이 닫힌 나이든 쥐에게 Arc 유전자를 전달하였다. 그 결과 시각피질의 가소성이 젊은 쥐의 상태와 같이 회복되었다. 즉 나이든 쥐들은 어린 쥐가 시각 변화에 적응하는 것과 같은 방식으로 시각적인 변화에 적응하였다.

Shepherd 박사는 가소성의 critical period를 조절하기 위해 Arc 유전자가 주요 타겟이 될 것으로 가설을 세웠지만 단 한 개의 유전자가 이와 같이 강력한 영향을 미칠 수 있다는 것에 놀랐다고 말했다.

이 연구는 쥐의 시각피질에 미치는 Arc 유전자의 영향에만 초점을 맞췄기 때문에 이 유전자가 뇌의 다른 영역의 가소성도 회복시킬 수 있는 지는 알 수 없다. 그러나 Shepherd 박사는 이에 대한 향후 연구계획을 밝히면서, 위와 같은 감각 장애의 예 외에도 성인에서 뇌의 가소성을 강화시킬 수 있는 방법을 발견하게 된다면 이를 통해 외상성 뇌손상과 뇌졸중으로부터의 환자를 회복시키는 데 사용될 수 있다고 말했다. 또한 이는 노화로 인한 인지기능 저하도 예방할 수 있다고 밝혔다.


출처: MedicalNewsToday