Sequential maturation of supramammillary glutamatergic/GABAergic co-transmission onto adult-born dentate granule cells

뇌는 정적인 기관이 아닙니다. 뇌는 어린 시절이 지난 후에도 계속해서 성장하고 변화하는 풍경과 같습니다. 기억 형성에 필수적인 해마라고 불리는 작지만 중요한 영역에서는 평생 동안 새로운 신경 세포가 태어납니다. 이 신생 세포들은 유용한 뇌 네트워크의 구성원이 되기 위해 긴 길을 여행해야 합니다. 이들은 단순하고 고립된 단위로 시작하여, 기존 회로와 점진적으로 연결되어 기존의 이웃 세포들처럼 신호를 주고받는 법을 배워야 합니다. 이러한 통합 과정은 섬세하고 정밀합니다. 만약 새로운 세포가 너무 일찍 혹은 잘못된 신호와 연결된다면, 제대로 기능할 수 없습니다. 과학자들은 이 신생 세포들이 먼저 성장을 돕는 특정 유형의 화학적 신호를 받은 다음, 나중에 뇌의 나머지 부분과 소통할 수 있게 해주는 다른 유형의 신호를 받는다는 사실을 오래전부터 알고 있었습니다. 하지만 이러한 연결이 어떻게 형성되는지, 그리고 한 유형의 신호에서 다른 유형으로 전환되는 것을 무엇이 촉발하는지에 대한 정확한 단계는 미스터리로 남아 있었습니다.

최근 연구자들은 뇌의 깊은 부분인 상유두핵(supramammillary nucleus)과 해마의 이 신생 세포들을 연결하는 특정 경로에 주목했습니다. 이 연결은 독특한데, 상유두핵의 신경 세포들은 흥분시키는 신호와 억제하는 신호라는 두 가지 서로 다른 화학적 전달 물질을 동시에 방출하는 것으로 알려져 있기 때문입니다. 이러한 이중 방출 시스템은 완전히 성숙한 뇌 세포에서는 잘 알려져 있지만, 신생 세포에서는 어떻게 발달하는지는 아무도 알지 못했습니다. 이를 알아내기 위해 과학자 팀은 생쥐의 뇌를 연구하며, 생후 몇 주 된 신생 신경 세포에 초점을 맞추었습니다. 그들은 빛과 유전적 도구를 결로 상유두핵에서 오는 특정 신경 섬유를 자극하고 신생 세포가 어떻게 반응하는지 관찰했습니다.

연구팀은 이러한 연결의 발달이 엄격하고 단계적인 시간표를 따른다는 것을 발견했습니다. 가장 초기 단계인 신생 세포가 생후 12주 되었을 때는 상유두핵으로부터 오는 신호가 오직 억제제로만 작용합니다. 세포는 자신을 진정시키는 화학적 전달 물질에는 반응하지만, 흥분 신호를 받는 징후는 보이지 않습니다. 연구진은 이 초기 단계의 세포들이 성숙한 세포들에 비해 물리적으로 더 작고 가지 구조가 더 단순하다는 것을 발견했습니다. 신생 세포가 더 성장하여 약 34주령에 도달하면 상황이 변합니다. 이보다 더 나이 든 신생 세포의 상당 부분이 억제 신호와 흥분 신호를 동시에 받기 시작합니다. 이 세포들은 물리적으로 더 복잡해졌으며, 더 길고 많은 가지를 가진 수지상 돌기를 가졌고, 전기적으로 더 활발해지는 징후를 보였습니다.

왜 이런 변화가 일어나는지 이해하기 위해 과학자들은 연결의 물리적 구조를 면밀히 조사했습니다. 그들은 상유두핵에서 오는 신경 말단이 매우 젊고 미성숙한 세포와 접촉할 때조차 이미 두 가지 화학적 전달 물질을 모두 방출할 수 있는 기제를 갖추고 있다는 것을 발견했습니다. 문제는 보내는 쪽이 아니었습니다. 대신, 받는 쪽의 연결이 불완전했습니다. 젊은 세포들은 흥분 신호를 감지하는 데 필요한 수용체가 부족했는데, 이는 신호가 전달되고 있음에도 불구하고 그러했습니다. 마치 전화선은 연결되어 있지만 수신기가 아직 설치되지 않은 집에 전화를 거는 것과 같았습니다. 신생 세포가 성숙함에 따라 이 수용체들이 나타났고, 비로소 세포가 메시지의 흥분적인 부분을 들을 수 있게 되었습니다.

이 연구는 경험이 이 과정을 가속화하는 데 강력한 역할을 한다는 것도 밝혀냈습니다. 연구진이 장난감, 터널, 달리기 바퀴가 가득한 풍요로운 환경에 생쥐를 배치했을 때, 신생 세포는 더 빨리 성숙했습니다. 표준 사육장에 있던 생쥐들에 비해 두 가지 신호를 모두 받을 수 있는 능력을 갖춘 세포의 비율이 훨씬 높았습니다. 과학자들은 이것이 단순히 세포가 일반적인 의미에서 더 성장했기 때문이 아니라, 상유두핵으로부터 오는 특정 연결이 예정보다 앞서 성숙했기 때문임을 확인했습니다. 그들은 또한 화학적 방법을 사용하여 상유두핵 뉴런의 활동을 인위적으로 높임으로써 이를 추가로 테스트했습니다. 이 인위적인 활동 증가는 동일한 결과를 낳았는데, 즉 더 많은 신생 세포가 빠르게 이중 신호를 받을 수 있는 능력을 갖추게 되었습니다. 반대로, 이 뉴런들의 활동을 줄였을 때는 과정이 느려지지 않았는데, 이는 추가적인 활동이 도움은 되지만 기본적인 과정은 스스로 일어날 수 있음을 시사합니다.

이러한 발견은 뇌가 복잡한 이중 목적의 연결을 특정 순서에 따라 구축한다는 것을 시사합니다. 그것은 단순한 억제성 연결로 시작하여 신생 세포가 생존하고 성장하도록 돕습니다. 세포가 충분한 물리적 구조와 적절한 수용체를 발달시키고 나면, 흥분성 연결이 켜지면서 세포가 뇌의 회로에 완전히 참여할 수 있게 됩니다. 이 전환은 자동적인 것이 아닙니다. 이는 뇌 자체의 활동에 의해 추진됩니다. 경험이나 신경 활동을 통해 뇌가 더 많이 참여할수록, 이 새로운 세포들은 기능을 수행하는 데 필요한 전체 범위의 신호를 듣는 법을 더 빨리 배웁니다. 이 연구는 뇌가 새로운 부분을 기존 네트워크에 어떻게 통합하는지에 대한 명확한 그림을 제공하며, 이러한 연결의 타이밍이 건강한 기억과 학습에 있어 매우 중요하다는 것을 보여줍니다.