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2013년 11월 1일 금요일

뇌세포 안에 미니 컴퓨터 ?



 아직 과학자들은 뇌세포가 어떻게 '생각' 을 하고 복잡한 작업을 처리할 수 있는지 100% 모르고 있습니다. 그럼에도 불구하고 신경 세포와 뇌에 대해서 상당히 많은 연구가 진행된 것도 사실입니다. 그러면서 계속해서 새롭고 흥미로운 연구 결과들이 쏟아져 나오고 있습니다. 노스 캐롤라이나 대학 (University of North Carolina at Chapel Hill) 및 런던 대학 (University of College London) 의 울프슨  연구소 (Wolfson Institute for Biomedical Research) 의 연구자들은 과거 단순히 신경 신호를 수신하는 부위라고 생각했던 수상돌기 (dendrite , 樹狀突起) 가 생각 보다 복잡한 기능을 할 수 있다는 연구 결과를 네이처 (Nature) 에 발표했습니다.


 일단 본론으로 넘어가기에 앞서 잘 모르시는 분들을 위해 간단히 뉴런 (Neuron) 에 대해서 설명드릴 필요가 있을 것 같습니다. 뉴런은 신경계의 기본 단위로 전기/화학적 신경 정보를 전달하고 저장해서 '생각' 이나 반사 등 신경활동을 가능하게 합니다. 각각의 뉴런은 사실 하나의 세포가 기본 단위가 되는데 일단 핵과 세포질이 있는 부위를 신경세포체라고 하며 여기서 길게 뻗어나간 선 같은 부위인 축삭 (Axon) 이 있습니다. 축삭은 신경 신호를 전달하는 역할을 합니다. 그리고 신경세포체 주위로 가지 처럼 뻗어나간 수상 돌기가 존재하는데 주로는 신경 신호를 수신하는 역할을 한다고 생각되어 왔습니다. 그리고 신경 세포와 세포 사이 신호를 주고 받는 장소는 시냅스라고 부릅니다. 






 연구팀이 밝혀낸 것은 과거 다른 축삭에서 오는 신경 정보를 수신하는 역할을 주로 한다고 생각한 수상 돌기 (Dendrite) 가 사실 연산 능력도 가지고 있다는 것 입니다. 연구의 공저자인 스팬서 스미스 노스캐롤리이나 의대 교수 (Spencer Smith, PhD, an assistant professor in the UNC School of Medicine.) 는 '뇌의 연산 능력이 우리가 생각했던 것 보다 더 크다는 사실을 알게 되었다.' 고 언급했습니다. 그에 의하면 단순한 전선이라고 생각했던 것이 사실은 정보를 처리할 수 있는 트랜지스터 였다는 것입니다. 


 연구팀은 이를 밝히기 위해 시각 신호를 실험용 쥐에게 보여주고 이 쥐의 뉴런 한개의 수상 돌기에 피펫을 연결해 전기 신호를 측정했습니다. 세포 한개의 크기를 생각하면 정말 놀라운 일입니다. 



(한개의 뉴런 수상 돌기에 피펫 (pipette)  이 연결된 모습. 위에 보이는 굵은 주사침 같은 부위가 그것임. This is a dendrite, the branch-like structure of a single neuron in the brain. The bright object from the top is a pipette attached to a dendrite in the brain of a mouse. The pipette allows researchers to measure electrical activity, such as a dendritic spike, the bright spot in the middle of the image. Credit: Spencer Smith)   


 실제로 연구팀이 이 작은 수상돌기 하나에 피펫을 연결시켜 전기 신호를 관측하기 까지 엄청난 어려움이 있었다고 합니다. 살아 있는 세포하나를 분리한게 아니라 살아있는 쥐의 머리에 있는 뇌세포에 피펫을 연결시킨 것이기 때문입니다. 즉 in vitro 가 아니라 in vivo 로 테스트를 한 셈인데 어떻게 가능했는지가 진짜 신기한 연구라고 하겠습니다. 


 아무튼 이렇게 측정한 전기 신호 데이터를 바탕으로 연구팀은 수상 돌기가 스스로 정보를 처리하는 기능을 할 수 있을 지 모른다고 주장했습니다. 물론 이 주장은 앞으로 과학계의 검증을 받아야 할 가설이긴 하지만 실제로 그렇다면 뉴런 하나하나가 우리의 상상 이상으로 복잡하다는 이야기가 될 수 있습니다. 이미 수십 nm 단위까지 작아진 트랜지스터도 못하는 일을 하는 우리의 뇌를 생각해보면 왠지 그럴 듯한 내용인 것 같습니다. 


 참고  


Journal Reference:

  1. Spencer L. Smith, Ikuko T. Smith, Tiago Branco, Michael Hausser. Dendritic spikes enhance stimulus selectivity in cortical neurons in vivo. Nature, 2013; DOI:10.1038/nature12600







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