뇌 과학 기획특집 - 노벨상 수상한 뇌 과학의 업적

반세기 동안 뇌 과학분야의 주요 노벨생리의학상 업적

1932년 신경세포 간의 연접인 시냅스 개념 탄생

최근 해마에서 위치세포와 내후각피질의 격자세포 발견

19세기에는 신경계는 ‘원형질의 그물망’ 정도로 밖에 인식되지 않았으나 20세기 초에 이르러 뇌과학은 현대적 의미의 학문으로서 체계와 기반이 구축되었다. 노벨 수상자를 중심으로 뇌과학의 발전사를 간략히 살펴본다.

인류 역사상 가장 걸출한 신경해부학자인 카할 (Santiago Ramon y Cajal, 1906년 노벨 생리의학상 수상)과 신경생리학자인 세링톤 (Charles Sherrington, 1932년 노벨 생리의학상 수상)에 의해서 신경독트린(neuron doctrine)이 완성되었으며, 신경세포 간의 연접인 시냅스(synapse) 개념이 탄생하였다. 즉, 신경해부학과 신경생리학이 통합된 것이다.

1920-30년대 뤼이(Otto Loewi)와 데일(Henry Dale)은 신경정보의 화학적 매개자인 아세틸콜린 신경전달물질을 발견하여 신경약리학 분야를 열었으며 이 공로로 이들은 1936년 노벨 생리의학상을 수상하였다. 그 당시 영(John Z. Young)이 오징어의 거대 신경축색에서 활동전위가 유발됨을 발견하고 이때 신경세포막의 저항이 변화되는 것을 측정하여 신경생리학 발전을 도모하였다. 신경축색에서 전위전도 기전을 밝힌 연구는 신경활성의 이온가설로 이어져, 호지킨(Alan L. Hodgkin)과 헉슬리(Andrew F. Huxley)는 전압고정측정방법(voltage clamping recording)을 개발하여 이온가설을 증명해냈으며 에클스(John Eccles)는 신경과 근육의 연접부위인 신근 접합부에서 시냅스 전, 후 전위에 관한 전기생리학적 연구로 뇌과학 발전에 크게 기여하였다. 호지킨, 헉슬리, 에클스 3인은 1963년 노벨 생리의학상 공동 수상하였다.

과거 반세기 동안 뇌과학의 두드러진 발견과 성과에 관해 미국 신경과학회 산하 교육자문위원회가 발표한 논문(Journal of Neuroscience, 2020, 40(1): 101-106)에서 9개의 중요 발견과 제시한 성과외에 김경진 DGIST 석좌교수가 노벨 생리의학상을 수상한 여러 분야의 업적을 분석하여 중요한  6개를 추가해서 15가지의 업적을 게재한다.<편집자 주>

1970년  베르나드 카츠, 1970년 익셀로드,  1970년 폰 오일러,  1981년 스페리,  1981년 위셀,  1981년 후벨

1997년 오가와, 1997년 탱크,  2000년 킬슨,  2000년 그린가드,  2000년  캔델

2003년  맨스필드,  2003년 라우테브르,  2004년  벽,  2004년  엑셀 2014년 모서르, 2014년 오키프, 2017년 영, 2017년 로드바쉬, 2017년 로스바쉬, 2017년 홀

1970. 년. 카츠(Bernard Katz), 폰 오일러(Ulf Svante von Euler) 및 악셀로드(Julius Axelrod) 3인은 신경전달물질의 시냅스 분비에 관련 생화학적 연구로 노벨 생리의학상 수상.
1972. 년. 새로운 개념의 우울증 치료제, 플루오젝틴(Fluoxetine)이 개발되어 대박을 터트림. 이 우울증 치료제는 세로토닌 신경전달물질이 전시냅스에서 분비됐을 때 세로토닌의 재흡수를 억제(SSRI)함으로써 시냅스 틈에서 신경전달물질의 농도를 높여 효율을 증가시킨 약제임.
1977. 년. 질레민(Roger Guillemin)과 샐리(Andrew V. Schally)는 뇌 시상하부에서 뇌하수체를 조절하는 신경호르몬을 최초로 발견한 공로로, 앨로(Rosalyn Yalow)는 펩타이드 호르몬을 정밀 측정기법인 방사면역측정법을 개발한 공로로 3인은 노벨 생리의학상을 수상.

1981. 년. 스페리(Roger W. Sperry)는 대뇌 반구의 기능적 분화에 관한 연구의 선구자이며 인간의 오른쪽 뇌와 왼쪽 뇌를 연결하는 뇌량의 중요성을 규명한 공로로, 후벨(David H. Hubel)과 위셀(Torsten N. Wiesel)은 시각정보 처리, 대뇌 시각피질의 생리학적 연구의 근본적인 틀을 제공한 공로로 3인은 노벨 생리의학상을 수상.
1986. 년. 레비-몬탈시니(Rita Levi-Montalcini)와 코헨(Stanley Cohen)은 신경성장인((NGF)를 성공적으로 분리한 공적으로 노벨 생리의학상 수상.
1986. 년. 브레너(Sydney Brenner)는 예쁜꼬마선충(C. elegans) 모델에서 뇌지도(뇌코넥톰) 연구결과를 최초로 발표함. 브레너는 단순한 신경계를 가진 예쁜꼬마선충 모델 도입과 선구자적 신경발생 연구를 수행했으며 호비츠(H. Robert Horvitz)와 설스턴(John E. Sulston)는 세포사멸 (programmed cell death)를 최초로 발견한 공로로 3인은 2002년 노벨 생리의학상을 수상.

1991. 년. 네어(Erwin Neher)와 자크만(Bert Sakmann)은 단일이온채널의 활성을 측정할 수 있는 독창적인 패치고정측정기법 (patch clamping recording)을 개발한 공로로 노벨 생리의학상을 수상.
1997. 년. 오가와(Saiji Ogawa)와 탱크(David Tank)는 대사에 따른 산소농도 의존성 BOLD 지표를 활용하여 기능적 자기공명장치(fMRI)를 최초로 개발하여 뇌영상연구에 새로운 시대를 열었음. 고등인지과학의 발달은 양전자방출단층촬영기(PET), 자기공명영상장치(MRI)와 같은 영상기법의 발달과 꽤를 같이 하는데 뇌영상장치를 개발한 공로로 라우테브르(Paul C. Lauterbur)와 맨스필드(Peter Mansfield)는 2003년 노벨 생리의학상을 수상.
1997. 년. 첸(Roger Y. Tsein)은 녹색형광단백질(green fluorescence protein, GFP)의 유전자 조작을 통한 칼슘 측정기법을 개발하여 기존의 전기생리학적 기법이 아닌 형광영상기법에 의한 신경생리연구에 새로운 지평을 열었다. 녹색형광단백질을 최초로 발견한 시모무라(Osamu Shimomura), GFP 유전자를 리포터로 활용한 연구를 개시한 살피(Martin Chalfie)와 더불어 첸은 2008년 노벨 화학상을 수상
2000. 년. 칼슨(Arvid Carlsson), 그린가드(Paul Greengard), 캔델(Eric Kandel) 3인은 신경전달물질의 수용체 활성 후 생화학적 신호전달기구를 규명한 공로로 노벨 생리의학상 수상. 칼슨은 퇴행성뇌질환인 파킨스씨병의 병인이 도파민의 결핍에 의한다는 사실을 밝힌 선구자적인 업적을 이루었으며 항정신분열증, 항우울증 등 신경정신질환의 치료를 위한 신약개발에도 크게 기여하였다. 그린가드는 도파민이 막수용체와 결합한 후 일련의 신호전달과정을 거쳐 도파민조절단백질(DARPP-32)의 인산화 기전을 규명하였으며, 캔델은 바다달팽이 군소(Aplysia) 실험모델에서 학습과 기억의 분자세포생물학적 기전을 규명한 선구자임.
2003. 년. 1980년대에 들어오면서 분자생물학의 발전에 힘입어 수많은 이온채널과 수용체의 유전자 구조가 규명되었다. 맥키낸(Roderick MacKinnon)은 칼륨(K+) 이온채널의 구조생물학적 특성을 규명하여 3차원에서 포타슘 이온이 세포막의 이온채널을 어떻게 통과하는지를 규명하였으며, 아그리(Peter Agre)는 H2O 채널을 규명한 공로로 2003년 노벨 화학상을 수상.
2004. 년. 액셀(Richard Axel)과 벅(Linda Buck)은 냄새를 유발하는 물질의 후각계의 후각수용체의 유전자군을 발견한 공로로 노벨 생리의학상을 수상.
2013. 년. 미국 정부와 의회는 BRAIN 이니셔티브라는 대형연구개발사업을 개시했으며 궁극적으로 인간 대뇌의 기능적 코넥톰 뇌지도를 구축하려는 목표임. * BRAIN은 대뇌를 의미하나 이 경우 약자로서 고도의 혁신적인 뇌연구기법을 개발하여 뇌연구(Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies)를 수행함을 의미함.
2014. 년. 오키프(John O’Keefe), 모서르 부부(May-Britt Moser, Edvard Moser) 3인은 공간정보를 처리하는 해마에서 위치세포(place cell)와 내후각피질에서 격자세포(grid cell)를 발견한 공로로 노벨 생리의학상 수상.
2017. 년. 홀(Jeffrey C. Hall), 로스바쉬(Michael Rosbash), 영(Michael W. Young) 3인은 일주기 리듬의 분자 기전을 규명한 공로로 노벨 생리의학상을 수상.