D2-MSNs in the nucleus accumbens core are the primary factor limiting forced treadmill running

많은 이들에게 운동이라는 개념은 신체의 움직이고자 하는 욕구와 노력에 저항하는 정신 사이의 투쟁입니다. 어떤 이들은 순수한 즐거움을 위해 달리기도 하지만, 다른 이들은 단지 해야만 한다는 느낌 때문에 트레드밀 위에 서 있기도 하며, 이는 종종 진정으로 탈진하기 전에 포기하게 만드는 두려움으로 이어집니다. 과학자들은 뇌에 보상 체계, 즉 어떤 행동이 즐거운지 혹은 불쾌한지를 결정하는 세포 네트워크가 있다는 사실을 오랫동안 알고 있었지만, 활동이 강제되고 불쾌할 때 사람에게 멈추라고 명령하는 정확한 기제는 미스터리로 남아 있었습니다. 이 질문은 신체적 건강과 신경과학의 접점에 놓여 있으며, 왜 뇌가 근육이 더 나아갈 수 있음에도 불구하고 움직임을 차단하는 문지기 역할을 하는지를 탐구합니다.

동창대학교(East China Normal University)와 상하이 정신건강센터의 연구팀은 이제 이 문지기 역할을 하는 것으로 보이는 특정 신경 회로를 밝혀냈습니다. 쥐를 대상으로 트레드밀 실험을 진행한 결과, 이들은 뇌의 심부 영역인 측좌핵(nucleus accumbens)에 있는 특정 세포 그룹이 신체에 정지 신호를 보내는 책임을 지고 있다는 것을 발견했습니다. 이 영역은 동기 부여와 감정을 처리하는 것으로 알려져 있지만, 연구진은 영역 전체가 중요한 것이 아니라 그 안의 특정 하위 영역과 특정 유형의 세포가 중요하다는 것을 발견했습니다. 쥐들이 강제로 달리게 되었을 때, 이 세포들은 과활성화되어 동물에게 포기하라는 강력한 신호를 보냈습니다.

이 과정이 어떻게 작동하는지 이해하기 위해, 과학자들은 먼저 쥐들이 2주 동안 트레드밀에서 강제로 달리게 되었을 때 뇌 내부에서 어떤 일이 일어나는지 관찰해야 했습니다. 그들은 이 쥐들을 움직이지 않고 가만히 서 있는 트레드밀 위의 다른 쥐들과 비교했습니다. 활성화된 뇌세포를 밝혀내는 기술을 사용하여, 연구진은 강제로 달리게 된 쥐들이 D2-중형 가시 신경세포(D2-medium spiny neuron)라고 불리는 특정 유형의 뉴런에서 유의미한 활동 증가를 보인다는 것을 관찰했습니다. 이 세포들은 동기 부여의 중심지인 측좌핵에서 발견되지만, 연구진은 중요한 점을 포착했습니다. 즉, 활동이 전체 허브에서 균일하게 나타나는 것이 아니라, '코어(core)'라고 알려진 작은 구역에 집중되어 있었으며, 인접한 '쉘(shell)' 구역에서는 변화가 훨씬 적었다는 것입니다. 이는 코어가 강제된 운동의 불쾌함을 처리하는 구체적인 지점임을 시사했습니다.

연구팀은 이 활성화된 세포들이 어떻게 행동하는지 더 깊이 조사했습니다. 그들은 쥐의 뇌 조직을 아주 작게 절편으로 만들어 코어에 있는 D2-중형 가시 신경세포의 전기 신호를 측정했습니다. 그 결과, 2주간의 강제 달리기 후 이 뉴เรียน들은 훨씬 더 흥분하기 쉬운 상태가 되었습니다. 이들은 전기적 스파이크를 더 빈번하게 발생시켰고, 뇌의 다른 부분으로부터 더 강한 흥분성 신호를 받았습니다. 반면, 쉘 영역에 있는 동일한 유형의 뉴런은 이러한 변화를 보이지 않았습니다. 이는 강제된 운동이 코어 내 세포들의 배선과 민감도를 물리적으로 변화시켜, 활동의 스트레스에 더 민감하게 만들었음을 나타냅니다.

이 특정 세포들이 실제로 쥐를 멈추게 하는 원인인지 증명하기 위해, 연구진은 정교한 실험을 수행했습니다. 그들은 화학유전학(chemogenetics) 기법을 사용하여 코어에 있는 이 D2-중형 가시 신경세포의 활동만을 일시적으로 끄는 방식을 사용했습니다. 연구진은 쥐의 뇌에 바이러스를 주입하여 간단한 약물 주입만으로 이 세포들을 끌 수 있게 했습니다. 최대 지구력 테스트 전에 쥐들에게 약물을 투여했을 때, 결과는 놀라웠습니다. 이 "정지 신호"를 꺼버린 쥐들은 대조군 쥐들에 비해 탈진하기 전까지 훨씬 더 긴 거리와 시간을 달릴 수 있었습니다. 약물은 쥐들을 더 빠르거나 강하게 만든 것이 아니라, 단순히 그들에게 그만두라고 말하는 내부 브레이크를 제거했을 뿐이었습니다.

연구진은 약물 자체나 주입 과정이 개선의 원인이 아닌지 확인하기 위해 추가 검증을 거쳤습니다. 무해한 주입을 받은 쥐들을 대상으로 동일한 테스트를 실시했으나, 그 쥐들에게서는 달리기 능력의 변화가 나타나지 않았습니다. 이를 통해 연장된 지구력이 코어 내 특정 뉴런을 억제한 결과임을 확증했습니다. 이 연구는 정상적인 상황에서 동물이 불쾌한 일을 강요받을 때, 측좌핵 코어의 이 뉴런들이 과도하게 활성화된다는 것을 시사합니다. 이들은 스트레스와 즐거움의 결여를 중단의 이유로 해석하는 중앙 브레이크 역할을 하며, 이는 신체의 과도한 노력을 방지하기도 하지만 동시에 운동을 포기하게 만듭니다.

이 발견은 뇌가 자발적인 운동과 강제된 운동을 처리하는 방식 사이의 근본적인 차이를 강조합니다. 사람이나 동물이 스스로 움직임을 선택할 때, 뇌의 보상 체계는 그 행동을 장려합니다. 그러나 움직임이 강제될 때, 특히 측좌핵 코어의 이 D2-중형 가시 신경세포와 관련된 다른 경로가 주도권을 잡습니다. 이들은 혐오감을 명령으로 변환하여 멈추게 합니다. 이 연구는 인간의 운동 지속 문제를 해결했다거나, 사람들이 달리기를 좋아하게 만드는 간단한 알약을 제안하는 것이 아닙니다. 다만, 왜 강제된 운동이 지속하기 그토록 힘들게 느껴지는지에 대한 명확한 생물학적 설명을 제공합니다. 이는 지속성을 제한하는 특정 신경 기제를 식별함으로써, 특히 건강상의 이유로 운동을 강요받지만 지속할 내부 동기가 부족한 사람들을 돕기 위한 향후 연구의 새로운 목표를 제시합니다.