뇌 속 자명종 신경회로 발견

KAIST 김대수 교수, KIST 김정진 박사와 공동연구로 새로운 뇌 각성 신경회로 규명

잠 자는 동안에도 동물이 위험을 감지하기 위해 불침번을 서는 뇌신경회로를 발견

인간의 수면장애 및 의식장애에 대한 이해를 증진할 것으로 기대

KAIST 뇌인지과학과 김대수 교수

사람들은 자연적인 수면/각성 주기와 독립적으로 기상하기 위해 알람을 사용한다. 동물들은 포식자에게 접근 등 잠자는 동안 소리에 반응할 수 있는 방어 메커니즘으로 잠재적인 위험을 대비한다. 깊은 잠인 비렘수면 (Non-REM) 중 대부분의 신경들은 외부감각자극에 반응이 무뎌져 수면을 촉진하므로 어떻게 동물과 사람이 수면 중에 소리자극에 반응할 수 있는지 알려지지 않았다.

KAIST 생명과학과 김대수 교수 연구팀은 한국과학기술연구원(KIST) 김정진 박사팀과 공동연구를 통해 배내측 시상핵이 깊은 수면 중에 소리에 대해 반응하여 뇌를 각성시킨다는 사실을 규명하였다. 연구진은 청각신경이 뇌간을 통하여 배내측 시상핵과 연결된는 것을 밝혔다.

수면은 뇌의 활동을 정비하고 건강을 유지하는 매우 중요한 생리작용이다. 잠을 자는 동안 감각신경의 작용이 차단되므로 주변의 위험을 감지하는 능력이 감소하게 된다. 그러나 많은 동물은 잠자는 동안에도 포식자의 접근을 감지하고 반응한다. 과학자들은 동물이 깊은 잠과 낮은 잠을 번갈아 자면서 언제 있을지 모를 위험에 대비한다고 생각했다.

KAIST 김대수 교수 연구팀은 깊은 잠을 자는 동안에도 동물이 소리에 반응하는 신경회로가 있다는 사실을 발견했다. 깨어 있을 때는 청각 시상핵 (Medial geniculate thalamus)이 소리에 반응하지만 깊은 잠 즉 비 램수면 (Non-REM) 동안에는 배내측 시상핵(Mediodorsal thalamus)이 소리에 반응해 뇌를 깨운다는 사실을 밝혔다.

연구 결과 쥐가 깊은 잠에 빠졌을 때 청각 시상핵 신경도 잠을 자고 있었지만 배내측 시상핵 신경은 깨어 있어 소리를 들려주자 곧바로 반응했다. 또한 배내측 시상핵을 억제하면 소리를 들려줘도 쥐가 잠에서 깨어나지 못했으며 배내측 시상핵을 자극하면 소리 없이도 쥐가 수초 이내에 잠에서 깨어나는 것을 관찰할 수 있었다.

이것은 수면상태와 각성상태가 서로 다른 신경회로를 통해 청각신호를 전달 할 수 있다는 최초의 연구로서 국제 학술지 ‘커런트 바이올로지 (Current Biology)’에 2월 7일자로 보고됐으며 (https://www.nature.com/articles/d41586-023-00354-0) 국제학술지 네이처에 하이라이트 되었다. (https://www.nature.com/articles/d41586-023-00354-0)

김대수 교수는 “이번 연구를 통해 수면 질환 등 다양한 뇌 질환에서 보이는 각성 및 감각장애에 대한 이해를 증진하고 향후 감각을 조절할 수 있는 디지털 헬스케어 개발 등 다양한 분야로 활용이 가능하다”라고 설명했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단 중견연구재단 과제로 지원됐다.

전통적으로 소리신호는 청각신경에서 청각시상으로 전파되지만 깊은 수면 동안에는 청각신경이 뇌간신경을 통해 배내측시상으로 소리신_

소리자극에 반응하는 GRIK4 배내측 신경. 소리자극이 주어진 시점을 기준으로 GRIK4 배내측 신경의 활성도가 증가하면서 _

연구 모식도

□ 연구개요

연구 배경

배내측 시상핵 (Mediodorsal thalamus) 은 대뇌로 신호를 보내어 각성을 유도하는 역할을 수행한다. 의식을 찾지 못하는 일부 환자들에게서 배내측 시상핵의 손상이 관찰된다. 배내측 시상핵이 각성 및 의식조절에 중요한 역할을 한다는 사실을 알 수 있으나 어떻게 배내측 시상핵이 뇌를 깨우는지에 대한 구체적인 정보는 없었다.

2. 연구 내용

광유전학적 기법으로 빛을 배내측 시상핵에 조사하면 이들 신경을 흥분시킬 수 있는데, 수면 중에 빛을 조사하면 쥐가 깨어나는 것을 관찰했다. 반대로 배내측 시상핵을 억제하면 소리자극에도 쥐가 깨어나지 않았다. 연구진은 배내측 시상핵 중에서도 GRICK4 라 명명된 신경이 이와같은 작용을 한다는 사실 또한 규명하였다. 종합하면 깨어 있을 때는 청각 시상핵이 소리에 주로 반응하지만 깨어 있을 때에는 배내측 시상핵의 GRICK4 신경이 소리에 반응하는 새로운 원리를 밝힌 셈이다.

결론적으로 수면 중에도 감각신호를 전달하는 신경이 뇌 속에 존재하여 수면 중에도 소리에 반응하여 포식자의 접근 등의 위험에 대비하는 데 기여한다.

3. 기대 효과

본 연구는 수면질환 등 다양한 뇌질환에서 보이는 각성 및 감각장애에 대한 이해를 증진하며 이와 관련된 치료기법 개발에도 단서를 줄 수 있다. 각성이 과도한 질환의 경우 배내측 시상핵을 흥분을 낮추는 방법이 필요하고 각성이 낮은 경우는 배내측 시상핵을 자극하는 방안이 필요하다. 특히 감각자극을 통해 각성을 조절할 수 있는 길을 밝혀 디지털 헬스케어 분야에도 적용될 수 있을 것으로 사료된다.

□ 용어 설명

배내측 시상핵 (Mediodorsal thalamus)

배내측 시상핵은 감각 정보의 중계 센터 역할을 하는 시상핵의 일부 구조입니다. 배내측 시상핵은 정중 시상은 인지 및 감정 처리와 관련된 많은 주요 기능 즉, 주의력, 작업 기억, 그리고 의사 결정에 역할을 한다고 알려져 있다.

최근의 연구는 배내측시상이 다양한 정신적, 신경학적 장애의 치료를 위한 중요한 표적이 될 수 있다고 제안했다. 예를 들어, 우울증과 불안 장애의 병태 생리학에 관련되어 있으며, 몇몇 연구들은 배내측 시상핵의 자극으로 이러한 질병들을 치료할 수 있다고 있다고 제안한다.

배내측 시상핵은 인지, 감정, 그리고 수면과 관련된 많은 기능들에서 핵심적인 역할을 하며 다양한 정신 및 신경 질환의 근본적인 이해뿐만 아니라 이러한 조건에 대한 새로운 치료법의 개발을 위한 중요한 표적이 된다.

□ 인적사항

김대수 교수 이력사항

○ 소 속 : KAIST 뇌인지과학과

○ 1998, POSTECH 박사

○ 1998-1999, SUNY Downstate HSCB Postdoc.

○ 1999-2001, POSTECH Postdoc.

○ 2001-2004, KIST 선임연구원