연구실탐방 서울대학교유전공학연구소신경회로연구실 (Neural Circuit Lab) 김성연 서울대학교자연과학대학생물물리및화학생물학과 / 유전공학연구소 sungyonkim@snu.ac.kr 연구실개요 뇌신경회로의구조와기능, 활동패턴을연구하기위한각종유전학적기술이최근급속히개발되면서신경과학, 특히신경회로연구분야는혁명기를맞이하고있다. 이들기술이다양한모델동물에적용되어활발하게신경회로가연구됨으로써지각, 인지, 학습과기억등전통적으로심리학에서다루어지던뇌의근본적인기능에대한과학적이해에새로운지평이열리고있다. 여러가지뇌기능중감정 (emotion) 은매우흥미로우면서도잘연구되어있지않은기능으로, 매일우리가경험하고표현하듯감정은내적으로성찰해보았을때에는그뜻이너무나자명하지만, 객관적으로정의내리기가어려워과학적으로연구하기에는매우까다로운연구주제이다. 감정은개체내 외부의자극에의해유도되는내적상태로정의할수있으며, 기능적으로는상황에대한개체의본능적인판단이라고할수있다. 감정은인지, 사고, 행 동및신체의생리학적상태에강하게영향을미치고, 감정의부적절한조절은여러신경및정신질환으로연결된다. 지난수백년간많은과학자들이다양한감정을연구했지만, 어떻게뇌신경회로의작용으로감정이만들어지고조절되는지에대한근본적이고중요한질문들은미제로남아있다. 예를들어, 어떻게여러경로를통해들어오는감각정보들이불안 (anxiety) 과같은, 하나의일관된감정상태를만들어낼까? 어느뇌부위들이이과정에서중요한역할을하고, 어떤정보가그부위들간에전달될까? 불안해지면나타나는여러심리적 생리적변화들은어떤기작으로일어날까? 불안과공포 (fear) 처럼유사한감정들사이에는어떠한공통점이있으며이들이구분되는원리는무엇일까? 이들신경회로가제대로작동하지않을경우어떻게우울증 (depression), 불안장애 (anxiety disorders), 조울증 (bipolar disorder) 등의감정질환 (affective disorder) 으로이어질까? 이와같은근본적인질문에답하기위해, 본연구진은 01 분자세포생물학뉴스레터
MOLECULAR AND CELLULAR BIOLOGY NEWSLETTER 다양한최신신경회로분석기술을개발및응용하여불안, 공포, 스트레스등서로다르지만밀접하게관련되어있는감정상태들을연구한다. 본연구책임자는광유전학 (optogenetics) 과조직투명화기술 (CLARITY 등 ) 이개발된곳에서박사과정및박사후연구를수행하며각종신경회로연구기술을개발하고감정의신경회로망연구에적용한바있다. 이를확장및발전시켜본연구실에서는광유전학, 조직투명화, 염색, 팽창등가공기술 (CLARITY, SWITCH, stochastic electrotransport 등 ), ex vivo 및 in vivo 전기생리학 (electrophysiology), 마우스행동실험및생리학적측정, 약리학적방법, 초소형현미경및광섬유광도측정법 (fiber photometry) 을이용한 in vivo 칼슘이미징실험및엔지니어링된바이러스벡터등을총동원하여불안, 공포, 스트레스및이와관련된감정상태들을이해하는데핵심적인질문들을던지고해결하고자한다. 이를통해우리뇌에서감정이어떻게처리되는지완전히이해하고, 감정질환등뇌질환의새로운치료법을개발하는데기여하는것이연구의궁극적목표이다. 중독, 호흡장애등부작용이심하다. 이후유사약물이계속개발되었으나, 효율성과부작용을유의미하게개선한약물은없어 ( 비단불안장애뿐아니라정신질환전반에걸쳐획기적인치료제의개발이전무했다.) 지난 50년간은정신질환치료제개발에있어침체기로평가된다. 이는신경회로를이해하지못한채뇌지역과회로의구분없이세포내분자나이온채널및수용체등에서표적을찾기위해집중했기때문으로, 이러한한계를극복하기위하여불안을조절하는신경회로의구조및기능을이해하고회로수준에서의병태생리를밝혀내는것이시급하다고여러학자들이천명한바있다. 정신질환의원인과치료법을신경회로에서찾으려는것은최근학계및제약업계의큰흐름으로, 이는 2005년광유전학, 2013년 CLARITY 등최근빠르게발전하고있는신경회로분야의신기술덕분에최근에야비로소가능해지고있다. 지난수십년간사람에서의 fmri 이미징연구와동물에서의손상 (lesion) 및약리학연구등을통해편도체 (amygdala) 와확장된편도체 (extended amygdala) 등이불 연구배경및내용 1. 확장된편도체및각종피질하영역의불안, 공포및스트레스조절기전연구 불안, 공포및스트레스는위협에대응하여각성, 긴장등다양한행동적, 생리적, 심리적반응을유도하는부정적인감정의상태이다. 각기다르면서도밀접하게연관된이들감정은불확실한환경에서의생존을돕는중요한기능을하지만, 그강도나지속기간이정상범위를넘어서면심한정신적고통과신체적장애를초래하고, 불안장애로발전할수있다. 불안장애는현재전세계적으로가장흔한정신질환으로 ( 미국 28%, 유럽 14%; 한국 8.7%) 막대한사회, 경제적비용을초래하고있다 ( 미국의경우연간 420억달러 ). 그러나불안, 공포및스트레스의신경회로수준에서의정확한처리기작및불안장애의발병원인은거의알려져있지않고, 불안장애에대해 1950년대에개발되어현재까지도널리처방되는벤조다이아제핀 (benzodiazepine) 계열약물등기존치료제들은효과가일관적이지않거나 그림 1. 확장된편도체의구조 연구실탐방 2016 6 02
연구실 탐방 안, 공포 및 스트레스를 조절하는 핵심적 뇌부위로 확립되 2000년도를 전후하여, 기존의 간접 증거들을 종합하여, 기 었다. 확장된 편도체는 편도체의 중심핵(central nucleus, 저외측편도체(basolateral amygdala; BLA)가 환경 정보를 CeA)에서 분계선조침대핵(bed nucleus of the stria 받아들여 처리한 후 확장된 편도체 내의 CeA와 BNST로 정 terminalis, BNST)까지 이어진 여러 뇌 부위를 통틀어 이르 보를 보내 각각 공포와 불안을 조절한다는 이분적법 모델이 는 말인데, 이 부위들은 세포의 모양과 종류(cell type), 신 주류 가설로 제시되었다. 특히 기존의 연구 결과에 기반하여 경화학적 조성, 다른 뇌부위와의 연결(connectivity)과 발생 이들 BLA-CeA와 BLA-BNST회로가 공포와 불안을 증가 학적 기원이 유사하다(그림 1). 특히 확장된 편도체는 그 기 시키는 것으로 생각되었다. CeA와 BNST는 위험 회피 행동, 능이 정상적 불안과 공포뿐 아니라 및 병적인 불안과 공포에 심박수, 호흡 속도 등 불안 및 공포의 여러 요소를 조절하 도 영향을 미치는 것으로 밝혀져 왔고, 여러 스트레스를 조 는 중뇌, 뇌간 및 시상하부 등의 공통된 하위 지역으로 투사 절하는 부위와 연결되어 있어서, 앞서 제기한 질문들을 신 (project)하는, 확장된 편도체의 주요 출력부(output)로 추 경회로망 수준에서 해결하기 위한 매우 좋은 출발점이 된 정되는 뇌지역이다. 다. 기존의 연구는 확장된 편도체의 극히 복잡한 내 외부 최근 본 연구책임자는 광유전학과 함께 행동실험, in (intrinsic/extrinsic) 회로들과 수많은 신경화학물질들의 존 vivo 및 ex vivo 전기생리학 등을 통합적으로 이용하여, 재(gamma-aminobutyric acid(gaba), corticotropin- BLA-CeA회로와 BLA-BNST회로가 둘 다 불안을 조절할 releasing hormone(crh), neurotensin(nt), 수 있다는 것을 보여 이분법적인 단순한 모델이 틀림을 보 enkephalin(enk), dynorphin(dyn) 등)를 밝혀냈지만, 그 이고, 놀랍게도 이들 회로가 불안을 증가시키는 대신 반대 들이 실제 행동하는 쥐에서 언제 활성화되며 각 신경회로 로 감소시킨다는 것을 밝혀내었다(Tye*, Prakash*, Kim* 가 정확히 어떤 기능을 하는지는 거의 알려진 바가 없었다. et al., Nature 2011; Kim et al., Nature 2013). 뿐만 그림 2. 기존의 불안 회로 모델과 본 연구책임자의 연구로 새롭게 정립된 불안 회로 모델 03 분자세포생물학 뉴스레터
MOLECULAR AND CELLULAR BIOLOGY NEWSLETTER 아니라 BNST의여러하위핵들중타원핵 (oval nucleus; ovbnst) 과앞등쪽핵 (anterodorsal BNST; adbnst) 이각각불안을증가및감소시키고, adbnst에서중뇌와시상하부, 뇌교의여러핵으로분기하는 (diverging) 회로가불안상태의여러요소 ( 위험회피행동, 호흡속도, 선호도등 ) 를개별적으로조절할수있는것을규명하였다 ( 그림 2). 이와같은연구는확장된편도체에대한이해를넓혔고, BNST를불안상태의여러요소들을조절하는핵심적인허브로확립하였다. 본연구실에서는이결과를바탕으로불안, 공포, 스트레스의메커니즘과그들의상호작용이확장된편도체에서정확히어떻게일어나는지알아내기위하여확장된편도체회로의세부구조와기능을계속하여연구하고있다. 본연구책임자의연구를예로들었듯이, 최신신경회로분석기술을이용하면감정이처리되는기작을상세히밝혀낼수있다. 세련된회로연구를통해최근전세계의신경과학자들이불안, 공포, 스트레스등이처리되는핵심적인신경회로를뇌여러부위에서찾아내고있는데, 이는편도체와확장된편도체를넘어서서, 복측해마 (ventral hippocampus), 내측전전두엽 (medial prefrontal cortex) 과같이전통적으로잘알려진지역뿐아니라뇌실주위시상핵 (periventricular thalamus), 상구 (superior colliculus) 와같이잘알려지지않은지역을아우르고있다. 이는특정부위가불안, 공포, 스트레스와같은상태를도맡아서처리한다기보다, 서로연결된신경회로망에서의동적인 (dynamic) 신호전달이감정상태의조절에필수적이라는방향으로패러다임의변화를이끌고있다. 이에따라본연구실에서도피질하영역의다양한뇌부위가불안, 공포및스트레스를조절하는데중요한역할을한다고보고기존에잘연구되지않은각종신경회로를표적하여그구조와기능을체계적으로밝혀내는연구를진행중으로, 최근매우흥미로운여러예비결과들을얻고있다. 이들신경회로요소가어떻게상호작용하여하나의일관된감정상태를만들어내고, 어떻게여러가지감정상태들이서로를조절하는지를밝히는것은앞으로도전해야할재미난숙제이다. 본연구실에서는이와같은노력을통해, 궁극적으로인간이느끼는고차원적이고복잡한감정이우리뇌에서어떻게나타나는지과학적으로이해하고자한다. 2. 조직투명화및염색등조직가공기술의개발과신경회로망에대한응용 한편광유전학등의기술을이용하여특정신경회로의기능을결정하고자한다면, 먼저 특정 신경회로를해부학적으로규정 (define) 하고표적하여야한다. 개별요소들이어떻게조직되고구성되어신경회로를이루고있는지를모르면서그기능을결정할수는없는일이기때문에, 위에서설명한기능연구와함께구조연구를동시에진행해야우리뇌가어떻게정신작용을만들어내는지이해할수있다. 그러나현재우리는뇌전체의신경회로망에대한완전한해부학적지식은커녕, 몇개의신경회로조차도 3차원뇌조직상에서상세하고정확하게매핑 (mapping) 할수있는기술조차없다. 특정신경회로를구조적으로정확히규정하자면, 신경회로내각각의뉴런들에서나오는모든투사패턴을완벽히추적하고, 수천갈래로나뉜각투사의중간혹은말단에서다음뉴런의어느위치로어떤종류의시냅스가맺어지는지를종합적으로파악해야한다. 하지만뉴런에서사방으로뻗어나오는수천갈래의축삭돌기들은대개매우가늘고 ( 지름 1 μm 이하 ) 긴데다가 ( 흔히수 mm에서 cm길이 ), 다음뉴런과맺는시냅스는그크기가매우작기때문에 ( 약 20 nm), 이목표를이루기위해서는수 mm에서 cm에달하는범위의뇌조직에서얇은투사를추적하고시냅스를결정할수있는조직가공, 표지 / 염색및이미징기술이필요하다. 조직을얇게잘라수많은박편을만들고각각의박편을일일이염색및이미징하는기존의조직학적방법으로는이러한야심찬목표를설정하는것자체가불가능하다고여겨졌지만, 최근눈부시게발전하는조직가공및이미징기술들은점차이와같은목표를달성가능한것으로생각하게끔하고있다. 특히최근급부상하고있는조직및장기전체를투명화, 염색및이미징하는기술은신경과학을넘어서서모든의 생명과학분야의학자들에게넓은범위에걸쳐고해상도로고용량의생분자및구조정보를추출할수있다는가능성을보여주고있다 ( 본연구책임자가게재한 2016년 3 월한국분자 세포생물학회웹진의 최근연구소식 참고 ). 이는구체적으로, 이기술이계속발전하면연구자들이하나의조직샘플에서, 수 mm에서 cm미터범위에걸쳐, 빛의회절한계혹은이미징기술에의한해상도한계내에서, 수백에서수천가지이상의분자정보를추출할수있을것이 연구실탐방 2016 6 04
연구실 탐방 라는 비전이다. 본 연구책임자는 대표적인 조직 투명화 기 reconstitution across synaptic partners)기술을 개발 및 술인 CLARITY기술의 개발에 참여하고, 확률적 전기수송 발전시키고 있는데, 이는 광학 현미경으로도 시냅스의 유무 (stochastic electrotransport)이라는 새로운 조직 투명화 와 위치 정보를 결정할 수 있게 해 주는 기술이다. 따라서 및 염색 기술을 개발한 바 있다(Chung, Wallace, Kim et mgrasp는 본 연구진의 조직 가공 기술과 상보적인 역할 al., Nature 2013, Kim et al., PNAS 2015) (그림 3). 이 을 하며 강력한 시너지 효과를 낼 수 있어, 현재 본 연구진은 를 이용하면 각각의 뉴런들의 축삭돌기를 모두 추적하여 3 KIST연구진과 활발히 공동연구를 진행하며 광학 현미경으 차원 투사 패턴을 알아낼 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구 로 넓은 범위에 걸쳐 3차원 투사 패턴 및 시냅스 위치와 종 실에서는 조직 투명화 및 염색 기술을 개발하고 응용한 경 류를 정확히 결정할 수 있는 차세대 신경회로 구조 결정 기 험을 바탕으로, 더욱 나은 조직 가공 기술을 개발하고 이를 술을 개발 중이다. 뇌조직에 응용하여 특정 불안, 공포 및 스트레스를 처리하 는 데 중요한 역할을 하는 신경회로의 구조를 완전히 분석 향후 연구 전망 하고자 한다. 한편, 광학 현미경으로는 해상도 한계 때문에 시냅스를 정 확히 볼 수 없어, 조직 투명화 기술 등으로 조직을 처리하 본 연구책임자는 감정이 어떻게 처리되는지 완전히 이해 더라도 뉴런들 간의 연결성을 결정하기 어렵다. 여기에 대 하고자 한다. 완벽히 이해한다는 건 무엇일지, 가능하기는 한 해법으로 한국과학기술연구원(KIST) 기능커넥토믹스연 한지는 현재 시점에서 정확히 정의하기는 어려우나, 최소한 구단 김진현 단장 연구진이 mgrasp(mammalian GFP 감정이 처리되는 뇌 신경회로의 구조와 기능을 포괄적이면 그림 3. 본 연구진이 보유 및 개발중인 조직 투명화, 염색, 이미징, 분석 등의 가공 기술 05 분자세포생물학 뉴스레터
MOLECULAR AND CELLULAR BIOLOGY NEWSLETTER 그림 4. 본연구진의연구추진체계 서도, 매우자세하게파악하는것이선결조건일것이다. 이를위해본연구진은먼저연구하고자하는특정감정과관련된뇌지역과회로요소들을찾고, 이들의정확한 3차원구조, 분자생물학적조성, 상관관계적기능, 인과적기능을보임으로써이들회로의해부학적구조와신경신호전달기작뿐아니라신경회로망및개체수준에서의기능을밝히고자한다 ( 그림 4). 다행히도, 이러한야심찬목표를실현하기에지금동시대의신경과학은너무나좋은, 매우신나는환경에있다. 각종신경회로연구기술들이폭발적으로발전하며, 각단계에서 5년, 10년전에는상상할수도없었던연구들이기술적으로가능해지고있다. 더욱신나는사실은우리뇌에는아직도이제까지연구되어밝혀진것보다앞으로연구해서밝혀내야할것이너무나도많다는것이다. 본연구진은계속하여빠른속도로발전하고있는신경회로연구기술들을받아들이고 ( 이글에서소개하지않은칼슘이미징, 광섬유광도측정법, 초소형현미경, 초고속 3차원부피이미징기술등 ) 기보유중인광유전학, 조직투명화및가공기술과통합적으로사용하여, 감정처리과정에대한우리의이해에새로운전기를마련하고자한다. 대표논문 1. Kim, S.-Y., Adhikari, A., Lee, S. Y., Marshel, J. H., Kim, C. K., Mallory, C. S., Deisseroth, K. (2013). Diverging neural pathways assemble a behavioural state from separable features in anxiety. Nature, 496(7444), 219 223. http://doi.org/10.1038/nature12018 2. Tye, K. M., Prakash, R., Kim, S.-Y., Fenno, L. E., Grosenick, L., Zarabi, H., Deisseroth, K. (2011). Amygdala circuitry mediating reversible and bidirectional control of anxiety. Nature, 471(7338), 358 362. http://doi. org/10.1038/nature09820 3. Chung, K., Wallace, J., Kim, S.-Y., Kalyanasundaram, S., Andalman, A. S., Davidson, T. J., Deisseroth, K. (2013). Structural and molecular interrogation of intact biological systems. Nature, 497(7449), 332 337. http://doi.org/10.1038/nature12107 4. Kim, S.-Y., Cho, J. H., Murray, E., Bakh, N., Choi, H., Ohn, K., Chung, K. (2015). Stochastic electrotransport selectively enhances the transport of highly electromobile molecules. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 112(46), E6274-6283. http://doi.org/10.1073/pnas.1510133112 5. Seo, J., Choe, M., & Kim, S.-Y. (2016). Clearing and Labeling Techniques for Large-Scale Biological Tissues. Molecules and Cells, in press. 연구실탐방 2016 6 06
연구실탐방 저자약력 김성연 2003 2009 서울대학교화학부, 생명과학부학사 2009 2013 Stanford University, Neurosciences Ph.D. Program, 박사 2013 2015 Massachusetts Institute of Technology, Institute for Medical Engineering and Science, 박사후연구원 2015 현재서울대학교자연과학대학, 조교수 2016 현재서울대학교유전공학연구소, 조교수 연구원구성 석박사통합과정 : 김동윤, 박한얼, 구동준, 최민진 학부생및인턴 : 이성호, 소재우, 안명모, 서진영, 이수정, 이명선 07 분자세포생물학뉴스레터