영장류 신경회로를 시각화

뇌는 다양한 종류의 신경 세포가 복잡하게 연결한 신경회로로 구성되어 있습니다. 인간으로 대표되는 영장류의 뇌는 '대뇌피질'로 불리는 신경회로가 특히 잘 발달되어 있습니다. 신경 세포의 수상돌기나 축삭이 놀라울 정도로 복잡한 형태를 하고 있는 것은 19세기 후반에 개발된  Zz염색법에 의해 처음으로 밝혀졌습니다. 그 후, 형태를 조사 수단으로 멀리 떨어진 뇌 부위사이의 신경 연락을 확인할수 있는 '신경추적기술 "과 하나 하나의 신경 세포를 상세하게 확인할 수 있는 '색소주입법" 또한 최근 형광 단백질의 유전자를 도입하는 방법등 다양한 방법이 개발되어 있습니다.

이러한 기술을 사용하여 뇌의 각 부위에 존재하는 신경 세포와 그들이 구성하는 신경 회로에 관한 지식이 100년에 비약적으로 깊어졌습니다만, 아직도 많은 수수께끼가 남아 있습니다. 특히 고급 정신 활동의 기반이라고 생각되는 영장류의 대뇌 피질은 구조적으로도 기능적으로도 위치에 따라 분화의 정도가 현저하고, 각각의 장소에서 어떤 종류의 신경 세포가 존재하고 각각 어떤 모양을 하고 어떻게 서로 연결되어 있는지, 아직 충분한 정보가 제공되지 않습니다.

 

뇌과학연구 전략 추진 프로그램(뇌 프로)는 영장류에서도 사용할 유전자 조작 기술의 개발에 노력하고 왔습니다. 그 성과중 하나가 고 빈도 퇴행성 유전자(highly efficient retrograde gene transfer, HiRet)바이러스 벡터입니다. 공동 연구팀이 퇴행성 바이러스 벡터를 사용하여 영장류 뇌에 형광 단백질 유전자를 도입하여 특정 뇌 부위에 투사하는 신경 세포의 전체상을 시각화하는 것에 도전했습니다. 그러나 기존의 HiRet 바이러스 벡터는 형광 단백질의 발현량이 낮기 때문에 복잡한 신경 섬유의 전체상을 볼 수 없었습니다. 그래서 발현을 증폭하기 위해 TET-Off 시스템을 통합한 새로운 퇴행성 벡터시스템(이후 퇴행성 TET-Off 벡터라고 함)을 구축했습니다. 이 시스템을 이용하여 형광 단백질이 대량으로 만들어져 신경 세포의 미세구조의 관찰이 가능합니다.

 

이렇게 생긴 퇴행성 TET-Off 벡터를 마우스 여러 뇌 부위에 주입하여 대뇌 피질의 신경 세포에 형광 단백질을 만들게 되었습니다. 대뇌 피질은 층상 구조를 가지고 있습니다만, 이번 테스트 한 세 가지 뇌 부위 (그림 2 왼쪽 아래)에 연결 대뇌 피질 신경 세포는 각각 특징적인 신경섬유 패턴을 나타냅니다. 이 패턴은 지금까지의 연구에서 연구 결과와 일치하고 예상대로 퇴행성 효율적으로 신경 세포의 전체를 표지하는 바이러스 벡터가 만들어진 것을 알 수있었습니다.

 

다음이 퇴행성 TET-Off 벡터가 영장류 뇌에서도 사용할 수 있는지 여부를 확인하기 위하여, 신세계 원숭이의 마모 셋에서 실험을 실시했습니다. 비단 원숭이의 대뇌 피질은 마우스보다 크게 대뇌 피질 내부에서 연결분도 복잡해 있습니다. 그림 3과 같이 마모셋 대뇌 피질에 역행 TET-Off 벡터를 주입한 결과, 1cm(세포체의 약1000배) 떨어진 반대쪽 대뇌 피질에서 형광 단백질에 의해 가시화된 신경 세포를 확인할수 있었습니다.

 

지금까지 신경 세포의 형태를 조사하는 방법은 여러 가지가 있었지만, 이번 방법의 특징은 형광 트레이서처럼 특정 뇌 부위에 주입하기 만하면 그 부위에 투사하는 신경 세포군의 전체상을 시각화 할 수 있습니다. 이 방법을 사용하여 영장류 뇌의 신경 세포를 시각화 할 수있었습니다. 앞으로는 주입 방법을 궁리하는 것으로, 영장류 뇌의 신경 회로를 구성하는 다양한 신경 세포의 형태가 밝혀 질 것으로 기대합니다. 또한 높은 수준의 형광 단백질 발현이 가능 해졌다 때문에 신경 세포를 산채로 관찰하는 라이브 영상이 생길 가능성이 있습니다. 영장류뿐만 아니라, 유전자 변형 마우스나 병태 모델의 신경 세포의 형태 변화를 검사하는 방법으로도 유효하다고 생각됩니다.