Classic and novel features of the dentate gyrus vascular niche quantified through 3D vessel reconstruction

뇌 내부에는 포유류의 평생 동안 새로운 신경 세포가 태어나는 작고 특화된 구역들이 있습니다. 성인 신경 발생(adult neurogenesis)이라고 알려진 이 과정은 학습, 기억, 그리고 정서적 건강에 필수적입니다. 생쥐, 그리고 인간에게도 아마 그러할 것으로 보이는, 가장 활발한 이러한 구역 중 하나는 굽어 있는 구조물인 해마에 위치해 있습니다. 이곳의 특정 구역은 줄기세포의 보육원 역할을 하며, 여기서 줄기세포는 분열하고 성장하여 결국 뇌의 복잡한 배선에 합류하는 새로운 뉴런이 됩니다. 이 새로운 세포들이 생존하고 번성하기 위해서는 식물이 비옥한 토양과 물을 필요로 하는 것처럼, 이를 뒷받침하는 환경이 필요합니다. 이 지원 시스템의 핵심적인 부분은 조직 사이를 휘감아 돌며 산소와 영양분을 전달하고 노폐물을 제거하는 미세 혈관 네트워크입니다. 과학자들은 오래전부터 이 혈관들의 배치가 해마의 어느 층에 있느냐에 따라 달라진다는 사실을 알고 있었지만, 수십 년 동안 이러한 패턴에 대한 우리의 이해는 정밀한 측정보다는 주로 대략적인 2차원 스케치와 일반적인 설명에 의존해 왔습니다.

오하이오 주립 대학교의 연구팀은 이제 이러한 대략적인 스케치를 넘어 이 뇌 영역의 혈관에 대한 상세한 3차원 지도를 제작했습니다. 새로운 염료 주입법과 첨단 이미징 기술의 조합을 사용하여, 그들은 뇌의 두꺼운 절편 속에서 전체 혈관 네트워크를 볼 수 있었으며, 이전에는 불가능했던 방식으로 혈관의 실제 모양과 크기를 포착해 냈습니다. 그들의 연구는 이 혈관들이 어떻게 배열되어 있는지에 대한 기존의 믿음 중 일부를 확인해주었지만, 시각적 추측에 기반한 다른 생각들은 뒤집기도 했습니다. 연구 결과, 뇌의 어떤 층은 실제로 혈관이 밀집되어 있는 반면, 다른 층은 놀라울 정도로 희박하며, 혈관의 모양—직선인지 혹은 구불구불한지—이 기존의 가설에 도전하는 방식으로 다양하다는 것이 밝혀졌습니다.

이러한 미세 구조를 명확하게 보기 위해 연구진은 큰 난관을 극복해야 했습니다. 뇌는 조밀한 3차원 물체이지만, 전통적인 현미경은 이미지를 2차원으로 평면화하여 혈관이 얼마나 뒤틀렸는지 또는 실제로 얼마나 두꺼운지와 같은 것을 측정하기 어렵게 만들기 때문입니다. 연구팀은 트라이판 블루(trypan blue)라는 파란색 염료가 포함된 혼합물에 젤라틴과 알부민 단백질을 섞어 혈관을 채우는 방법을 개발했습니다. 이 혼합물을 생쥐의 심장을 통해 펌프질하여 혈관을 채운 뒤, 뇌를 냉각시켜 혈관을 자연스러운 3차원 형태 그대로 고정시켰습니다. 그 후 그들은 뇌의 두꺼운 절편을 만들고 빛을 차단하는 지방 조직을 제거한 뒤, 강력한 현미경을 사용하여 절편의 전체 깊이를 스캔했습니다. 이를 통해 그들은 혈관을 끊어진 파편이 아닌, 빛나는 연속적인 관의 형태로 볼 수 있었습니다.

컴퓨터 소프트웨어를 사용하여 연구진은 발견 가능한 모든 혈관을 추적하고, 혈관이 차지하는 공간, 길이, 분지(branching) 빈도, 그리고 직선인지 혹은 구불구불한지 등의 특정 특징을 측정했습니다. 그들은 뇌 영역을 자연적인 층으로 나누고 각 층의 혈관을 비교했습니다. 그들의 첫 번째 발견 중 하나는 과학자들이 오랫동안 의심해 온 바를 확인해 준 것이었습니다. 즉, 새로운 뉴런이 태어나는 층은 실제로 혈관이 매우 풍부한 반면, 성숙한 신경 세포가 가득 찬 층은 혈관이 훨씬 적다는 것입니다. 이는 새로운 세포에는 많은 지원이 필요한 반면, 빽빽한 성숙 세포들은 혈관이 지나갈 공간을 거의 남겨두지 않기 때문에 타당한 결과입니다.

하지만 이 연구는 몇 가지 오해를 바로잡았습니다. 수년 동안 과학자들은 줄기세포 구역의 혈관이 마치 격자처럼 독특하게 곧고 질서 정연하다고 설명해 왔습니다. 새로운 3차원 데이터는 이 혈관들이 실제로 곧기는 하지만, 그것이 유일하게 곧은 것은 아니며 근처의 다른 층에 있는 혈관들도 똑같이 곧다는 것을 보여주었습니다. 진짜 특징적인 곳은 다른 어디보다도 혈관이 훨씬 더 뒤틀리고 구불구불한 다른 층이었습니다. 이 층은 세포체 자체가 아니라 긴 신경 세포의 가지들로 채워져 있으며, 연구진은 혈관의 구불구불한 경로가 이 많은 가지들에 충분한 영양분을 공급하기 위해 그 곁을 지키는 데 필요할 수 있다고 제안합니다.

연구팀은 또한 이 영역에서 혈관의 너비를 처음으로 측정했습니다. 그들은 성숙한 세포들이 밀집된 층을 통과하는 혈관들이 다른 층보다 눈에 띄게 가늘다는 것을 발견했습니다. 이는 빽빽하게 들어찬 세포들이 혈관을 압박하여 크기를 작게 만들기 때문인 것으로 보입니다. 마찬가지로, 그들은 혈관이 갈라지는 횟수도 측정했습니다. 그들은 가장 구불구불한 층이 가장 많은 분지점을 가지고 있으며, 더 곧은 층들은 분지가 적다는 것을 발견했습니다. 이는 각 층에서 사용 가능한 물리적 공간이 혈관의 배열뿐만 아니라 혈관이 어떻게 성장하고 연결되는지까지 결정한다는 것을 시사합니다.

모호한 설명을 확고한 수치로 바꿈으로써, 이 연구는 향후 연구를 위한 견고한 토대를 제공합니다. 이는 과학자들에게 이 부분의 뇌에서 건강한 혈관 네트워크가 어떤 모습인지에 대한 명확한 기준선을 제공합니다. 만약 연구자들이 알츠하이머와 같은 질병이나 부상이 새로운 세포를 생성하는 뇌의 능력에 어떤 영향을 미치는지 이해하고자 한다면, 이제 그들은 혈관 네트워크가 어떻게 변했는지 측정할 수 있는 정밀한 방법을 갖게 된 것입니다. 여기에 사용된 방법은 비교적 간단하며 많은 실험실에서 사용할 수 있는 도구들에 의존하므로, 다른 과학자들이 훨씬 더 상세하게 뇌의 '배관 시스템'을 연구하기 위해 이 접근 방식을 쉽게 채택할 수 있습니다. 궁극적으로, 이러한 혈관의 정확한 구조를 이해하는 것은 뇌가 어떻게 스스로의 재생을 지원하는지를 설명하는 데 도움을 주며, 우리가 언젠가 이 중요한 시스템을 어떻게 수리하거나 보호할 수 있을지에 대한 더 명확한 전망을 제공합니다.