(The image taken at the CFcryo-EM (Core Facility for cryo-Electron Microscopy) captures the moment during which a vesicle (arrow) fuses with the cell membrane. By superimposing several electron microscopy images – a process known as electron tomography – it is possible to see how many vesicles are waiting at the end of a nerve cell to release their biochemical messengers into the synaptic cleft. This space between two nerve cells can be seen as a double line in the image. Credit: Jana Kroll, Charité / Max Delbrück Center)
뉴런의 핵심 부위는 말단인 시냅스 (synapse)입니다. 시냅스를 통해 신경 전달 물질이 나오고 다음 뉴런에게 정보를 전달하는 과정을 통해 뇌에서 정보가 처리됩니다. AI에서 적용되는 인공신경망 역시 이 구조를 모방한 것입니다. 과학자들은 시냅스에서 어떤 신경 전달 물질이 나오는지 잘 알고 있습니다. 이 신경 관련 물질들은 신경 말단에 있는 작은 주머니인 소포체 (vesicle)에 담겨 있다가 방출됩니다. 하지만 실제로 이 과정을 직접 현미경으로 본 사람은 없었습니다. 너무 작은 공간에서 밀리초 단위로 일어나는 일이기 때문입니다.
베를린 샤리테 의대 (Charité–Universitätsmedizin Berlin)의 크리스티안 로젠문트 (Christian Rosenmund) 교수 연구팀의 자나 크롤 박사 (Dr. Jana Kroll)는 쥐의 뉴런을 이용해 최초로 신경세포에서 시냅스 소포(synaptic vesicle)가 세포막과 융합해 신경전달물질을 방출하는 순간을, 극저온 전자현미경으로 직접 포착하는 데 성공했습니다.
연구팀은 빛을 이용해 뉴런이 작동하도록 만든 옵토제네틱스 (optogenetics) 기술을 이용해 뉴런이 빛 자극 후 시냅스 소포를 세포막과 융합하게 만들었습니다. 그리고 그 순간 1-2 밀리초 이내에 신경 세포를 영하 180도로 얼려 보존했습니다. 이렇게 세포 활동을 중단 시킨 후 CFcryo-EM (Core Facility for cryo-Electron Microscopy)라는 최신 전자 현미경 기술을 이용해 세포막에 융합되어 신경 전달 물질을 시냅스 사이 공간으로 방출하는 시냅스 소포의 모습을 확인했습니다.
시냅스 소포는 사진에서 화살표로 표시된 것처럼 세포막과 융합되어 내부 물질을 방출하는데, 이번 연구에서는 융합 중인 소포가 다른 소포와 미세 필라멘트 구조로 연결되어 있다는 사실을 확인했습니다. 쉽게 말해 하나의 소포가 막과 융합되는 순간 이미 다음 소포가 방출 준비 상태에 있는 것입니다. 덕분에 신경 세포가 밀리 세컨드 좀 더 오랬동안 신호를 지속적으로 전달할 수 있는 것으로 보입니다.
연구팀은 이 새로운 기술이 앞으로 인간 뇌의 작동 기전을 연구하는 것만이 아니라 질병 연구에서도 도움을 줄 것으로 기대하고 있습니다. 예를 들어 뇌전증(간질)이나 기타 시냅스 질환 환자에서 소포 융합에 관여하는 단백질의 유전자 변이가 자주 발견되는데, 이 과정에 문제가 있음을 시사하는 결과입니다. 따라서 이 질병 연구 모델에서 연구팀의 방법이 더 구체적으로 질병의 발병 기전이나 치료제의 효과를 밝혀내는데 도움을 줄지도 모릅니다.
아무튼 나노미터 크기 소포체를 바로 얼려서 그 작은 시냅스 말단에서 전자 현미경으로 확인하는 기술 자체가 놀랍습니다.
참고
https://medicalxpress.com/news/2025-12-synapses-action-images-capture-real.html
Jana Kroll et al, Dynamic nanoscale architecture of synaptic vesicle fusion in mouse hippocampal neurons, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-67291-6
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