Sub-lethal imidacloprid exposure leads to presynaptic and postsynaptic alterations

신경계를 수십억 개의 작은 메신저들이 중요한 패키지를 배달하기 위해 도로를 따라 질주하는 북적이는 도시라고 상상해 보세요. 이 패키지는 화학적 신호이며, "도로"는 뇌세포 사이의 연결인 시냅스입니다. 도시가 계속 돌아가기 위해서 메신저들은 어디에 화물을 내려놓고 어떻게 새로운 주문을 받을지 정확히 알아야 합니다. 때때로 도시는 조금 지저loc해질 수 있으며, 뇌는 건강을 유지하기 위해 이러한 연결을 청소하거나 재건해야 합니다. 이 과정을 신경 가소성이라고 부르며, 이것이 우리가 배우고, 기억하고, 적응하는 방법입니다.

이제 이 도시에 몰래 침입한 수상한 침입자를 상상해 보세요. 이 침입자는 해충이 작물을 먹는 것을 막기 위해 설계된 이미다클로프리드(imidacloprid)라는 유형의 살충제입니다. 하지만 이 물질은 단순히 들판에 머물지 않고 공기, 물, 토양을 통해 우연히 꿀벌이나 작은 흙지렁이 같은 다른 동물들을 방문할 수 있습니다. 과학자들은 아주 적은 양의 비치사적(non-lethal) 성분이 뇌의 "교통 제어"를 방해하여, 메신저들을 혼란스럽게 하고 도로를 손상시킬 수 있다고 우려합니다. 뇌의 배선이 뒤엉키면, 동물들은 먹이를 찾는 법을 잊어버리거나, 길을 잃거나, 단순히 제대로 작동하는 것을 멈출 수도 있습니다. 이 연구는 단순하지만 매우 중요한 질문을 던집니다. 우리가 실제로 자연에서 발견할 수 있는 수준의 아주 적은 양의 이 살충제가, 대상이 아닌 동물들의 뇌 물리적 구조를 변화시키는가?

---

벌의 뇌: 줄어드는 동네

이 질문에 답하기 위해, 연구진은 두 가지 매우 다른 동물, 즉 복잡한 뇌를 가진 숙련된 항해사인 꿀벌과 훨씬 더 단순한 신경계를 가진 아주 작은 흙지렁이(C. elegans)를 관찰하기로 했습니다. 그들은 이 동물들이 "아래 치사량(sub-lethal)"의 이미다클로프리드, 즉 즉각적으로 죽이지는 않지만 여전히 문제를 일으킬 수 있는 양에 노출되었을 때 어떤 일이 일어나는지 보고 싶었습니다.

먼저, 연구진은 꿀벌에게 주목했습니다. 꿀벌은 학습과 기억을 위한 도시의 중앙 도서관과 같은 '머리꽃(mushroom body)'이라는 특별한 부분을 가지고 있습니다. 이 도서관 내부에는 마이크로글로메룰리(microglomeruli)라고 불리는 작은 연결 클러스터들이 있습니다. 여러분은 이 마이크로글로메룰리를 벌의 안테나로부터 들어오는 신호가 뇌의 내부 처리 세포와 만나는 작은 회전교차로라고 생각할 수 있습니다.

과학자들은 어린 벌들을 케이지에서 키우며 설탕물을 먹였습니다. 일부는 일반 설탕물을 받았고(대조군), 다른 일부는 이미다클로프리드가 아주 적은 양 섞인 설탕물을 받았습니다. 농도는 각각 10ppb(parts per billion) 또는 20ppb였습니다. 이 수치는 실제 꽃의 넥타와 꽃가루에서 실제로 발견되는 수준입니다. 7일 후, 그들은 벌의 뇌 내부를 살펴보았습니다.

결과는 명확했습니다. 살충제를 마신 벌들은 이러한 작은 회전교차로를 더 적게 가지고 있었습니다. 구체적으로, 높은 농도(20ppb)를 먹은 그룹은 일반 설탕물을 마시거나 저농도 그룹을 먹은 벌들에 비해 마이크로글로메룰리의 밀도가 유의미하게 낮았습니다. 마치 살충제가 도서관의 가장 중요한 모임 장소들을 잃게 만든 것과 같습니다. 벌들은 죽지 않았고, 마비된 것처럼 보이지도 않았지만, 뇌의 물리적 배선은 변해 있었습니다. 이 연구는 적은 양의 비치사적 용량이라도 이러한 결정적인 연결 지점들을 상실하게 만들 수 있음을 시사합니다.

벌레의 세계: 고장 난 배달 시스템

다음으로, 팀은 선충류를 살펴보았습니다. 이 벌레들은 토양 속에 살기 때문에 작물에서 씻겨 내려온 살충제에 노출됩니다. 벌과 달리, 연구진은 시냅스 내부에서 정확히 어떤 일이 일어나고 있는지 보기 위해 특수한 "야광" 벌레를 사용할 수 있었습니다. 그들은 두 종류의 유전자 변형 벌레를 사용했습니다:

1. 시냅스 후(Postsynaptic) 벌레: 신호를 받는 쪽(신호를 잡는 부분)에 형광 표식이 있습니다.
2. 시냅스 전(Presynaptic) 벌ules: 신호를 보내는 쪽(신호를 방출하는 부분)에 표식이 있습니다.

벌레들은 땅속 환경과 유사한 조건의 토양을 포함한 플레이트에서 0, 1, 또는 10 마이크로그램/밀리리터의 이미다클로프리드와 함께 길러졌습니다. 3일(72시간) 후, 과학자들은 벌레들의 신경 고리(그들의 작은 뇌 중심부)에서 빛의 밝기를 측정했습니다.

여기서 발견된 결과는 놀라웠습니다. 살충제에 노출된 벌레들의 경우, 두 종류의 벌레 모두에서 빛이 희미해졌습니다.

• "받는" 쪽의 표식이 있는 벌레들은 빛이 덜 나타났는데, 이는 신호를 잡기 위한 수용체가 적어졌음을 의미합니다.
• "보내는" 쪽의 표식이 있는 벌레들 또한 빛이 덜 나타났는데, 이는 신호를 보내기 위한 운반체가 적어졌음을 의미합니다.

이것은 매우 중요한 일인데, 왜냐하면 이미다클로프리드는 신경 세포의 "받는" 쪽에 결합하는 것으로 알려져 있기 때문입니다. 과학자들은 "받는" 쪽이 망가지면 "보내는" 쪽도 변한다는 것을 발견했습니다. 이것은 마치 동네의 우편함이 막히면, 결국 편지를 배달할 곳이 없기 때문에 우편 배달원들이 나타나지 않는 것과 같습니다. 이 연구는 손상이 받는 쪽에서 시작되어 보내는 쪽까지 영향을 미치는 역방향으로 파급된다는 것을 시사합니다.

이것이 의미하는 바

이 논문은 이 동물들이 죽어가고 있다거나 뇌가 완전히 파괴되었다고 주장하는 것이 아닙니다. 실제로 연구진은 벌과 벌레가 이 용량으로 인해 죽지 않았음을 확인했으며, 벌레들은 여전히 움직일 수 있었습니다(비록 일부는 다르게 움직였지만). 그러나 그들의 신경계의 물리적 구조는 변형되었습니다.

주요 핵심은 현장에서 유의미한 용량의 이미다클로프리드, 즉 자연계에 실제로 존재하는 양이 동물의 뇌 구조를 변화시키기에 충분하다는 것입니다. 벌의 경우 학습 센터의 수를 줄였고, 벌레의 경우 신호 송신자와 수신자 모두를 감소시켰습니다. 저자들은 이것이 살충제가 시스템을 과부하시켜, 뇌가 방어 기제로써 연결을 "가지치기"하거나 제거하도록 유도하며, 이것이 오히려 해가 되는 결과를 초래한다고 제안합니다.

이 연구가 이 화학 물질이 정확히 어떻게 이러한 변화를 유발하는지 입증하지는 못하지만(뇌가 능동적으로 연결을 제거하는 것인지 아니면 단순히 퇴화하는 것인지에 대해서는 약간의 미스터리가 남아 있습니다), "비치사적"이라는 라벨이 오해의 소지가 있을 수 있음을 강력하게 시사합니다. 동물이 독으로부터 살아남았다고 해서 그 뇌가 정상적으로 기능하고 있다는 뜻은 아닙니다. 배선이 해지고 있으며, 복잡한 항해나 토양 건강에 의존하는 동물들에게 그것은 곧 닥칠 문제가 될 수 있습니다.