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- 머리 방향 세포가 설치류 뇌에서 발견된 것은 30년이 넘었다.
- 머리 방향 세포는 대뇌 피질이라고도 불리는 피질의 특별한 영역 presubiculum에 위치
- 알츠하이머병과 같은 퇴행성 신경질환으로 그 영역이 교란되는지 아는 것도 흥미로울 것

내부 나침반: 두뇌의 모듈식 지도

튀빙겐 대학의 신경과학 팀이 공간에서 움직임의 방향을 매핑하는 마우스 뇌 영역 신경 회로를 구성하는 기본 해부학적 원리를 발견했다.

모퉁이에 있는 교회 탑이나 노란 집과 같은 외부 랜드마크는 뇌의 특수 신경 세포에 의해 형성된 내부 나침반과 마찬가지로 공간적 방향에 중요한 역할을 한다. 시선의 방향에 반응하는 이러한 머리 방향 세포는 여전히 많은 미스터리를 내포하고 있다. 튀빙겐 대학의 연구팀은 이제 이 세포가 어디에 있는지, 뇌의 다른 영역과 어떻게 연결돼 있으며 어떤 메커니즘이 활동을 지원하는지 정확히 알아냈다. 

 

내부 나침반의 정보와 외부 랜드마크의 정보가 수렴되는 뇌의 위치를 ​​발견했을 수 있다. 국제 연구팀은 신경생물학 연구소 및 통합 신경과학 센터(CIN)의 Dr. Patricia Preston-Ferrer이 이끌었다. 심천 첨단기술연구소(Shenzhen Institute of Advanced Technology)와 협력해 수행된 연구는 Cell Reports 저널에 게재됐다. 

▲ 연구 개요도 (출처: 관련논문 Modular microcircuit organization of the presubicular head-direction map / Cell reports)

“머리 방향 세포는 30년 이상 전에 설치류 뇌에서 발견됐다. 그들은 우주에서 동물의 움직임을 따라가서 말하자면 내부 나침반의 이미지를 만든다”고 Patricia Preston-Ferr는 설명한다. "뇌에서 신경 세포가 어떻게 작동하는지 이해하려면 먼저 신경 세포를 시각화해야 한다"고 그녀는 덧붙였다. 두뇌의 정보 처리(소프트웨어)를 이해하려면 두뇌의 기본 연결인 하드웨어를 알아야 한다. 연구팀은 실험적 접근을 통해 머리 방향 세포와 신경 세포의 상호 연결을 현미경으로 볼 수 있도록 했다. 2016년에 이미 이 방법을 개발했다.

인간 두뇌에 있는 일치된 구조

머리 방향 세포는 대뇌 피질이라고도 불리는 피질의 특별한 영역인 소위 presubiculum에 위치한다. CIN 연구원인 쥬세페 발사모(Giuseppe Balsamo)는 "쥐의 presubiculum이 균질하게 보이지 않고 모듈로 명확하게 나누어져 있다는 사실에 매우 놀랐다"고 말했다. "우리는 분자 수준에서 구별할 수 있고 다른 방식으로 뇌의 다른 영역과 연결된 두 가지 다른 유형을 발견했다." 팀은 설치류의 뇌에서 이러한 모듈을 발견했을 뿐만 아니라 인간의 뇌에서도 해당 구조를 발견했다.

▲ 그림 1 마우스 PreSS의 피질 결절

개별 머리 방향 세포에 라벨을 붙일 때 연구팀은 두 가지를 관찰 했다.
첫째, 그들은 한 가지 유형의 모듈에서만 그것들을 발견했으며, 이는 피하 피질의 구조와 기능의 정확한 조직을 암시한다. 둘째, 이러한 유형의 모듈은 랜드마크 정보 처리에 관여하는 것으로 알려진 시상 뇌 영역의 특정 핵에서 나오는 수많은 신경 말단의 신경지배를 받는다.

CIN의 연구 그룹 리더인 Andrea Burgalossi 교수는 "효과적인 탐색은 랜드마크의 시각적 정보와 결합된 내부 나침반에 의존한다는 것을 알고 있다"며 "우리는 뇌에서 내적인 방향 감각이 탐색을 위한 시각 정보와 합쳐지는 곳을 찾았다"고 말했다.

▲ 그림 2 시상 구심성의 모듈식 구성: AD 입력은 Calb-음성 패치를 대상으로 하는 반면 LD 입력은 Calb-matrix를 대상으로 한다.

인공 셧다운

팀이 presubiculum에서 모듈식 미세 회로의 활동을 조작했을 때 대부분의 머리 방향 세포는 침묵했다. “이러한 조작을 통해 내부 나침반을 끌 수 있는 것 같다”고 에두아르도 블랑코 에르난데스 박사는 말했다. 그러나 작은 비율의 세포가 활성 상태로 남아 있었다. “스위치가 꺼진 헤드 방향 셀과 영구적으로 활성화된 헤드 방향 셀이 다른 기능을 하는지 여부는 아직 모른다. 내부 나침반이 예상보다 복잡하다는 것은 분명하다.”

"우리는 대뇌 피질의 기본 조직 원리에 대한 통찰력을 얻었다"고 Preston-Ferrer는 말했다.
모듈 구조는 피질의 다른 영역에서도 관찰할 수 있다. 피질은 주로 더 높은 인지 기능을 담당하는 뇌 표면의 얇은 신경 조직 층이다. 연구팀은 마우스 뇌의 피질에서 방향 감각의 내부 매핑 영역을 로컬화 하는 데 성공했다.

Burgallossi는 "이제 subsubicular 피질 모듈이 발달 중에 형성되는 시기와 방법을 이해하는 것이 중요하다"고 말했다. “알츠하이머병과 같은 퇴행성 신경질환으로 그 영역이 교란되는지 아는 것도 흥미로울 것이다. 내적 방향 감각의 문제가 초기 증상 중 하나인 경우가 많기 때문이다."
(Cell Reports, 2022; doi: 10.1016/j.celrep.2022.110684)
출처: Eberhard Karls Tübingen 독일 튀빙엔 대학교

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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