Developmental trajectories organize the assembly of valence circuits in the central amygdala
본 연구는 Sema3a와 같은 특정 세마포린 패밀리 신호에 의해 유도되는 뚜렷한 초기 발달 궤적이 편도 중앙핵 내의 가치 특이적 회로 조립을 조직하며, 이를 통해 분자 프로그램과 섭식 및 혐오 행동 기능 사이를 연결한다는 것을 입증한다.
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모든 생명체는 세상의 새로운 감각이 다가가야 할 것인지 아니면 도망쳐야 할 것인지를 종종 순식간에 결정해야 합니다. 단맛은 에너지와 안전을 알리는 신호인 반면, 쓴맛은 독이 있음을 경고합니다. 이러한 결정은 무작위로 일어나는 것이 아니라 뇌의 회로 속에 이미 내장되어 있습니다. 포유류의 경우, 뇌 깊숙한 곳에 위치한 아몬드 모양의 작은 구조물인 중앙 편도체가 이러한 선택을 위한 명령 센터 역할을 합니다. 이곳은 감각 정보를 받아들이고 우리가 보상을 향해 나아가거나 위협으로부터 멀어지도록 유도하는 신경 경로를 조직하는 데 도움을 줍니다. 수십 년 동안 과학자들은 이 영역의 다양한 세포 유형을 지도화하고, 어떤 세포는 긍정적인 감정에, 다른 세포는 부정적인 감정을 담당한다는 것을 이해해 왔습니다. 그러나 근본적인 미스터리가 남아 있었습니다. 바로 뇌가 어떻게 처음에 이러한 뚜렷한 회로를 구축하느냐는 것입니다. 우리가 먹거나 마시게 만드는 세포들이 나중에 스스로를 분류하는 혼합된 집단에서 시작되는 것일까요, 아니면 생명의 시작부터부터 특정한 역할을 하도록 운명 지어진 것일까요?
막스 플랑크 생물 지능 연구소(Max Planck Institute for Biological Intelligence)의 연구팀은 개별 뇌 세포의 생애를 추적함으로써 이제 이 질문에 답했습니다. 그들은 뇌가 일반적인 세포 풀을 분류함으로써 정서 회로를 구축하는 것이 아니라는 사실을 발견했습니다. 대신, '식욕(appetitive)'을 유발하는 세포(보상을 향해 나아가게 하는 세포)와 '혐오(aversive)'를 유발하는 세포(위험으로부터 멀어지게 하는 하는 세포)는 태어난 직후 거의 즉시 서로 분리됩니다. 이 두 그룹은 발달 중인 배아의 서로 다른 구역에서 기원하며 완전히 별개의 성장 경로를 따릅니다. 연구진은 이러한 초기 분리가 단순히 위치의 문제가 아니라, 각 그룹에게 어떻게 스스로를 배선할지를 알려주는 분자적 지침서라는 것을 발견했습니다. 구체적으로, 세포들은 세마포린(semaphorins)이라 불리는 일련의 유도 분자들을 사용하여 연결을 구축합니다. 건설팀이 집을 짓기 위해 올바른 파이프와 전선을 배치하는 특정 설계도를 사용하는 것처럼, 이 발달 중인 뇌 세포들은 '보상' 회로가 올바른 정보원과 연결되고 '위험' 회로가 자신의 정보원과 연결되도록 하기 위해 이러한 분자적 신호를 사용합니다.
이 숨겨진 역사를 밝혀내기 위해 과학자들은 배아 초기 단계부터 성체에 이르기까지 다양한 발달 단계에 있는 생쥐의 중앙 편도를 관찰했습니다. 그들은 수천 개의 개별 세포의 유전 코드를 동시에 읽어내는 강력한 기술을 사용하여, 시간이 흐름에 따라 이 세포들이 어떻게 변하는지에 대한 상세한 지도를 만들었습니다. 세포의 유전적 서명을 추적함으로써, 그들은 '보상' 뉴런이 되는 경로와 '공포' 뉴런이 되는 경로가 배아 발생 15일째 즈음에 매우 일찍 갈라진다는 것을 확인할 수 있었습니다. 한 그룹의 세포는 외측 신경절 구역(lateral ganglionic eminence)이라고 알려진 영역에서 왔고, 다른 그룹은 미측 신경절 구역(caudal ganglionic eminence)에서 왔습니다. 이 두 영역은 배아 내의 서로 다른 건설 현장과 같으며, 각 현장에서 태어난 세포들은 서로 다른 직무를 수행하도록 미리 프로그래밍되어 있습니다. 연구진은 이 두 그룹이 결코 섞이지 않는다는 점을 확인했습니다. 동일한 부모 세포로부터 태어난 단일 세포 가계는 보상 뉴런과 공포 뉴राण을 동시에 만들어낼 수 없습니다. 그들은 분리된 혈통으로 태어납니다.
그 후 연구는 다음 단계에 주목했습니다. 만약 세포들이 다르게 태어난다면, 그들은 어떤 전선에 연결되어야 하는지 어떻게 알 수 있을까요? 연구팀은 이 배선을 안내하는 분자적 지침을 찾기 위해 수천 개의 유전자를 스크리닝했습니다. 그들은 세포들이 연결을 구축하기 위해 특정 세마포린 유도 분자들을 사용한다는 것을 발견했습니다. '보상' 뉴런에서 특정 세마포린은 맛과 음식에 대한 정보를 전달하는 뇌의 다른 부분으로부터 올바른 신호를 끌어당기는 신호등 역할을 합니다. 이것이 사실인지 테스트하기 위해, 연구진은 보상 뉴런에서 이러한 특정 유도 분자들이 결핍된 생쥐를 만들었습니다. 이러한 분자적 신호등이 없으면 보상 뉴런이 정보원과 제대로 연결되지 못했습니다. 이 생쥐들은 여전히 먹고 마실 수는 있었지만, 단맛을 느낄 때 평소만큼 강하게 즐거움을 등록하지 못했습니다. 설탕이 든 용액과 물 사이에서 선택을 해야 할 때, 이 생쥐들은 설탕물이 보상이라는 것을 배우는 데 훨씬 더 오랜 시간이 걸렸습니다. 그들이 단맛을 느끼는 능력을 잃은 것은 아니었지만, 뇌에 "이것은 좋다"라고 알려주는 회로가 비효율적으로 배선되었습니다.
결정적으로, 연구진은 이 배선 문제가 보상 뉴런으로 들어오는 연결에 국한된 문제임을 보여주었습니다. 이 뉴런들로부터 뇌의 다른 부분으로 나가는 연결은 대체로 온전하게 유지되었습니다. 이는 초기 발달 지침이 특히 회로의 입력 측을 조립하도록 설계되어, 올바른 정보가 적재적도에 도달하도록 보장한다는 것을 시사합니다. 또한 연구팀은 인간의 뇌를 조사하여 동일한 패턴이 존재함을 발견했습니다. 인간의 중앙 편도는 보상과 공포 회로를 분리하기 위해 동일한 발달 논리를 따르고 동일한 분자 가이드를 사용하는 유사한 세포 그룹을 포함하고 있습니다. 이는 우리가 좋은 것을 사랑하고 나쁜 것을 피하도록 배우는 청사진이 포유류의 뇌에 존재하는 고대적이고 보존된 특징임을 나타냅니다.
이 연구 결과는 뇌의 정서 회로가 세포가 태어난 후에 일어나는 일반적인 분류 과정을 통해 구축된다는 아이디어에 도전합니다. 대신, 뇌는 초기 전문화 전략을 사용하는 것으로 보입니다. 세포의 정체성, 즉 그것이 음식을 찾도록 도울 것인지 아니면 위험으로부터 도망치도록 도울 것인지는 어디에서 태어나는지와 그 세포가 처음부터 따르는 특정 유전 프로그램에 의해 결정됩니다. 이 프로그램에는 올바른 연결을 구축하기 위한 지침이 포함되어 있어, 뇌의 정서적 지도가 정밀하게 조립되도록 보장합니다. 이러한 초기 단계를 이해함으로써, 과학자들은 우리 정서 생활의 근본적인 구조가 어떻게 구축되는지, 그리고 이 초기 배선 과정의 오류가 나중에 보상이나 공포를 처리하는 데 어떤 어려움으로 이어질 수 있는지 이해하기 시작할 수 있습니다. 이 연구는 몇몇 발달 중인 세포의 단순하고 초기적인 결정으로부터 어떻게 복잡한 행동 체계가 출현하는지에 대한 명확한 그림을 제공합니다.
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