DGIST, 초격차 뇌공학 기술로 뇌 속 도파민의 생리학적 법칙 밝혀

DGIST(총장 이건우) 뇌과학과 이광 교수팀이 뇌신경 신호와 선조체의 도파민 신호 사이의 상관관계를 새롭게 밝혀냈다.

우리의 뇌는 1초 미만의 짧은 시간 안에 빠른 신경 신호처리가 필요하다. 그중 도파민이 뇌신경 신호에 가장 강력한 영향을 미치는 것으로 알려져 있었으나, 연구팀이 새롭게 개발한 ‘광신경칩 기반의 다중 뇌신호 모니터링 기술’을 활용해 확인한 결과, 생리적 범위 안의 화학적 도파민 신호 변화는 전기적 뇌신경 신호처리에 영향을 미치지 않는 것을 발견했다.

일반적으로 도파민 신호는 학습, 운동, 동기부여, 의사 결정 등에 중요한 역할을 하며, 파킨슨병, 중독, 우울증 등 여러 질환과 관련성이 있는 화학적 신경조절물질인 것으로 알려져 있다.

DGIST 이광 교수팀은 도파민 신호와 뇌신경 신호처리 그리고 관련 질환의 관련성을 분석하기 위해 UCLA의 Masmanidis 교수팀과 전기적·화학적 뇌신경 신호를 동시에 기록할 수 있는 ‘광신경칩 기반의 다중 뇌신호 모니터링 기술’을 개발했다.

해당 기술을 통해 인위적으로 조작된 선조체의 도파민 신호가 뉴런들의 활동전위 변화를 유도하는지 확인하고, 기계학습을 통해 재검증을 실시했다.

연구팀은 광유전학 기술을 사용해 도파민 뉴런의 활동을 조절하면서 ‘복측 선조체’의 도파민과 신경 활동을 동시에 관찰했다. 먼저, 뇌신경 신호처리 중 도파민이 분비되지 않도록 조절해서 관찰한 결과 뉴런의 활동에서 특이점이 발견되지 않았다.

일반 생리적 범위(음식 섭취 등)의 도파민을 분비했을 때도 뉴런의 활동에는 작거나, 일관적이지 않은 모습만 관찰됐다. 그러나, 인위적으로 일반 생리적 범위의 5배 이상 도파민을 분비했을 때에는 뇌신경 신호처리에 큰 영향을 미쳤다. 이는 기존 학설로 알려진 내용과 다르게 특정 뇌신경 신호처리에 있어서 일반적인 도파민 신호보다 다른 인자의 영향이 있을 수 있음을 의미한다. 

DGIST 이광 교수는 “이번 연구는 음식 보상 정도의 도파민 신호가 선조체의 신경 활동을 빠르게 형성하는 데 미미한 역할을 한다는 것을 최초로 증명했다. 이는 1초 미만의 척도에서는 선조체의 신경 활동이 도파민보다 다른 외부 신경 입력에 영향을 받을 가능성을 암시한다”며 “도파민의 장기적인 기여도를 포함해 시간과 연관된 도파민의 정교한 생리학적 법칙을 규명하기 위해 후속 연구를 수행할 예정이다”고 전했다.

한편, 이번 연구 성과는 ‘네이처 뉴로사이언스(Nature Neuroscience)’에 7월 온라인 게재됐다.