Conserved and specialized features of thalamocortical wiring revealed by single-cell projection mapping in mouse and marmoset
생쥐와 마모셋의 단일 세포 유전자 발현과 투사 매핑을 결합함으로써, 본 연구는 영장류의 시상피질 회로가 특화된 연결성을 지원하기 위해 증가된 공간적 분리를 나타내면서도, 이산적인 해부학적 경계를 초월하여 피질 표적 위치와 상관관계를 갖는 보존된 분자 구배에 의해 근본적으로 조직되어 있음을 밝혀낸다.
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뇌는 거대한 전선의 네트워크이지만, 연결이 고정되어 있고 하드와이어된 컴퓨터와 달리, 살아있는 뇌는 성장하고 변화하는 역동적인 풍경입니다. 이 복잡성의 중심에는 중앙 중계소 역할을 하는 깊숙한 곳의 달걀 모양 구조물인 시상(thalamus)이 있습니다. 시상은 눈, 귀, 피부로부터 오는 감각 정보를 받아들여 생각과 지각이 형성되는 뇌의 바깥층인 피질(cortex)로 전달합니다. 수십 년 동안 과학자들은 시상을 각각 특정한 직무를 수행하며 서로 명확한 벽으로 구분된 별개의 격리된 방들의 집합체로 보았습니다. 이러한 관점은 만약 뇌가 더 복잡한 정보를 처리해야 한다면, 단순히 새로운 방을 짓거나 기존의 방을 세분화하면 된다는 것을 시사했습니다. 그러나 최근의 관찰은 이 방들 사이의 벽이 상상만큼 견고하지 않을 수 있음을 암시하며, 신호와 세포 유형이 날카로운 도약이 아닌 부드럽고 연속적인 파동처럼 경계를 가로질러 흐른다는 것을 보여주었습니다. 이 중계소가 어떻게 배선되어 있는지 이해하는 것은 쥐에서 인간에 이르기까지 다양한 종들이 자신들을 둘러싼 세상을 처리하기 위해 어떻게 진화해 왔는지에 대한 열쇠를 쥐고 있기 때문에 매우 중요합니다.
한 연구팀은 뇌가 어떻게 질서 있는 배선을 유지하면서 동시에 영장류의 뇌와 같은 복잡한 요구 사항을 처리하기 위해 확장할 수 있는지라는 근본적인 수수께끼를 풀기 위해 나섰습니다. 그들은 상대적으로 작은 뇌를 가진 쥐와, 시각 및 의사결정에 할당된 영역이 훨씬 더 큰 확장판인 작은 원숭이인 마모셋(marmoset)이라는 두 가지 매우 다른 동물을 연구 대상으로 삼았습니다. 과제는 이 두 종의 시상 내 개별 신경 세포들이 피질과 어떻게 연결되는지 확인하는 것이었습니다. 이를 위해 과학자들은 BARseq라고 불리는 강력하고 새로운 기술을 사용했습니다. 단일 신경 세포의 유전적 정체성을 읽어낼 수 있을 뿐만 아니라, 그 세포가 '축삭(axon)'이라고 불리는 길고 가는 꼬리를 정확히 어디로 보내 뇌의 나머지 부분과 연결되는지까지 추적할 수 있는 방법이라고 상상해 보십시오. 연구진은 마모셋의 100만 개 이상의 세포와 쥐의 수천 개 세포에 이 방법을 적용하여, 이 연결들이 어떻게 조직되어 있는지에 대한 상세한 지도를 만들었습니다.
연구 결과, 뇌가 구축되는 방식에는 놀라운 이중성이 있음이 밝혀졌습니다. 한 차원에서 연구진은 시상이 경직되고 격리된 방들의 집합체가 아님을 발견했습니다. 대신, 그들은 세포 내부의 화학적 지침인 유전자 발현과 연결의 목적지가 시상을 가로질러 점진적으로 변화한다는 것을 발견했습니다. 쥐와 마모셋 모두에서, 두 가지 서로 다른 시상 영역의 경계 근처에 있는 세포들은 자신의 영역 깊숙한 곳에 있는 세포들보다 오히려 서로 더 유사한 경우가 많았습니다. 이는 해부학자들이 그어놓은 전통적인 경계가 뇌의 배선에 있어 딱딱한 정지점이 아니라, 연결이 이 경계들을 따라 부드럽고 연속적인 구배(gradient)를 이루며 흐른다는 것을 의미합니다. 이 발견은 뇌가 더 복잡한 작업을 처리하기 위해 완전히 새로운 유형의 세포를 발명하거나 새로운 구조를 구축할 필요가 없음을 시사합니다. 대신, 기존의 연속적인 지도를 단순히 늘리거나 이동시킴으로써 더 큰 피질에 적응할 수 있다는 것입니다.
하지만 이야기는 부드러운 구배에만 국한되지 않습니다. 연구진이 개별 연결을 더 자세히 살펴보았을 때, 두 종 사이의 현저한 차이를 발견했습니다. 쥐의 경우, 이웃한 신경 세포들의 연결은 매우 혼합되어 있었습니다. 즉, 시각 영역으로 신호를 보내는 세포 바로 옆에 운동 영역으로 신호를 보내는 세포가 있을 수 있었습니다. 그러나 마모셋의 경우, 조직은 훨씬 더 정밀했습니다. 마모셋 시상의 이웃한 세포들은 뇌의 동일한 특정 부분으로 신호를 보내는 경향이 있었으며, 이는 더 긴밀하고 점 대 점(point-to-point) 방식의 배치를 만들어냈습니다. 이러한 정밀도의 향상은 마모셋의 개별 뉴런이 쥐의 뉴런에 비해 더 작고 구체적인 피질 영역을 목표로 할 수 있게 해주었습니다. 영장류의 뇌가 확장됨에 따라, 단순히 기존의 배선을 더 크게 만든 것이 아니라, 특정 뇌 기능에 대한 더 미세한 제어를 가능하게 하기 위해 국소적인 연결을 더 선택적이고 조직적으로 정교화한 것으로 보입니다.
또한 연구진은 뇌의 화학 성분과 지리학적 위치를 연결하는 숨겨진 언어를 발견했습니다. 그들은 시상 세포의 유전적 구성이 해당 세포가 피질의 앞-뒤 방향 중 정확히 어디로 신호를 보낼지를 예측할 수 있다는 것을 발견했습니다. 이 관계는 쥐와 마모셋 모두에서 유효했으며, 이는 이것이 수백만 년의 진화를 통해 보존되어 온 뇌 배선의 근본적인 규칙임을 시사합니다. 마모셋의 뇌가 더 크고 복잡함에도 불구하고, 여전히 이 동일한 기초 좌표계에 의존하고 있습니다. 연구는 뇌가 새로운 전문화된 국소 패턴을 고대의 보존된 전역 지도 위에 층층이 쌓아 올림으로써 그 복잡성을 관리한다는 결론을 내립니다. 시상은 경직된 방들의 집합체도 아니고 완전히 유동적인 수프도 아닙니다. 시상은 부드럽고 연속적인 구배가 토대를 제공하고, 그 위에 각 동물의 독특한 정신적 요구를 충족하기 위한 종 특이적 전문화가 구축되는 하나의 풍경입니다.
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