동면하는 땅다람쥐의 뇌가 뇌졸중 치료에 새로운 희망을 줄 수 있다

새로운 연구에 따르면 동면 중인 땅다람쥐는 겨울에 유사한 "뇌 손상"을 경험한 후 깨어날 때 뇌 전체의 빠른 회복을 달성할 수 있는 것으로 나타났습니다. 이 놀라운 신경가소성은 뇌졸중 후 인간의 회복에 대한 새로운 아이디어를 제공할 것으로 기대됩니다. 관련 결과는 미국신경과학학회지 JNeurosci에 게재됐다. 위의 발견은 동면 중 다람쥐의 일차 시각 피질의 신경 구조 변화가 가역적이라는 것을 처음으로 확인시켜줍니다.

논문의 저자이자 미국 국립 안과 연구소(National Eye Institute)의 과학자인 Hendrikje Nienborg는 다람쥐 뇌(해마, 체감각 피질 및 시상 포함)의 촉각 처리 영역에 대한 이전 연구에서 유사한 신경 가소성 메커니즘이 존재함을 시사했으며, 따라서 팀은 동일한 "재형성" 과정이 시각 정보 처리를 담당하는 뇌 영역에서도 일어날 수 있다고 추측했습니다. 이번 실험에서 연구팀은 서로 다른 단계에서 두 유형의 뉴런 구조 변화를 비교하기 위해 동면 상태(깊은 동면 기간)와 12~24시간의 짧은 각성 기간에 중점을 두었습니다.

토종 다람쥐가 동면에 들어가면 체온이 크게 떨어지고 심박수가 분당 몇 회 정도로 떨어지며 신진 대사가 크게 느려지고 호흡이 거의 감지되지 않으며 마치 동물 전체가 "비행 모드"로 전환된 것처럼 뇌 활동이 극도로 조용해집니다. 신경학적 관점에서 볼 때, 이 상태는 인간 뇌졸중 환자의 뇌와 유사합니다. 뇌 세포는 산소와 영양분의 공급이 크게 감소하지만, 중요한 차이점은 다람쥐의 뇌 세포는 최대 절전 모드가 끝난 후 정상적인 기능을 재개할 수 있다는 것입니다. 연구자들은 장기간의 저온 및 낮은 산소 공급으로 인해 다람쥐가 "전혈로 부활"하는 방법을 이해하면 뇌졸중과 같은 신경 손상 질환 후 인간의 회복에 중요한 단서를 제공하고 뇌졸중 연구에서 "신체 자체 메커니즘을 사용하여 손상된 뉴런을 복구"하는 "성배" 목표 탐색을 촉진할 것으로 기대합니다.

특정 실험에서 과학자들은 동면 중인 땅다람쥐의 뇌를 해부하고 깊은 동면과 각성 간격 동안 두 가지 유형의 뉴런의 서로 다른 반응을 관찰했습니다. 한 유형의 뉴런은 깊은 동면 중에 상당한 구조적 변화를 겪었으며, 이러한 변화는 다람쥐가 깨어난 지 약 90분 후에 동면 전 상태로 크게 돌아갔다는 사실이 밝혀졌습니다. 더욱 놀랍게도, 연구자들이 6개월 후 재평가했을 때, 다람쥐가 동면한 적이 있는지 신경 구조로부터 구별하는 것이 거의 불가능했습니다. 이전 연구에서는 또한 동면 중인 다람쥐가 "작은 유비퀴틴 유사 변형 단백질"(SUMO)의 결합 수준을 크게 증가시키는 것으로 나타났습니다. 이 과정을 SUMOylation이라고 하며 뇌 세포가 손상되지 않도록 보호하는 것으로 생각됩니다.

"우리는 이러한 구조적 변화가 뉴런이 서로 통신하는 방식에 영향을 미치고 뇌졸중과 같은 상태 이후의 학습 능력 및 회복과 밀접한 관련이 있다는 것을 이미 알고 있습니다."라고 Nienborg는 말했습니다. 그녀는 동면 중인 동물에서 이러한 빠르고 가역적인 뇌 구조 변화 메커니즘을 보는 것이 흥미롭다고 지적했습니다. 일단 그 분자적, 기능적 기초가 명확해지면 미래에 인간의 성인 뇌에 유사한 메커니즘을 "빌려" 뇌졸중 회복과 같은 중요한 단계에서 더 "가소성"으로 만들 수 있는 기회가 있을 수 있기 때문입니다.

전 세계적으로 뇌졸중은 현재 사망 원인 3위이자 장기적인 장애의 중요한 원인입니다. 이러한 뇌졸중의 약 80%는 허혈성 뇌졸중으로, 혈전이 혈류를 차단하여 뇌 조직이 충분한 산소를 얻지 못하게 하고 세포 사멸을 유발합니다. 뇌졸중 후 인간의 회복은 주로 새로운 신경 연결의 확립과 기존 신경 네트워크의 재구성에 달려 있습니다. 이 과정은 환자가 삼키기, 언어 및 걷기와 같은 주요 기능을 점차적으로 회복하는 데 도움이 됩니다. Nienborg는 이번 연구가 동면 중인 다람쥐 뉴런의 구체적인 구조적 변화 경로를 추가로 밝혀냄에 따라 과학계도 다음에 어떤 방향에 집중해야 할지 더 나은 아이디어를 갖게 될 것이라고 말했습니다.

"우리는 이미 다양한 뇌 영역이 시각 정보 처리를 어떻게 지원하는지에 대해 상당히 깊이 이해하고 있습니다."라고 그녀는 말했습니다. "따라서 땅다람쥐 뇌의 동면과 각성 중 시각 시스템의 기능적 변화를 계속해서 탐구하는 것이 다음 단계의 중요한 연구 단계가 될 것 같습니다." 이 연구는 JNeurosci에 공식적으로 게재되었으며 동료 검토와 사실 확인을 거쳐 동면 동물을 모델로 삼은 미래 신경 복구 연구의 기반을 마련했습니다.