뇌를 밝히다: '세로토닌 센터'가 작동하면 무슨 일이 일어날까?

오키나와 과학 기술 연구소(OIST)의 과학자들과 게이오 대학교 의과대학의 공동 연구자들은 생쥐를 사용하여 뇌의 세로토닌의 주요 공급원인 등쪽 솔기 핵(DRN)을 연구했습니다. 뇌의 ‘세로토닌 센터’ 활성화가 깨어 있는 동물에게 어떻게 영향을 미치는지 처음으로 연구함으로써 그들은 DRN의 세로토닌이 행동과 동기에 영향을 미치는 뇌 영역을 활성화한다는 것을 발견했습니다. 결과는 DRN 세로토닌 자극이 대뇌 피질과 기저핵, 즉 많은 인지 기능과 관련된 뇌 영역의 활성화를 유발한다는 것을 보여줍니다.

또한, 세로토닌 자극에 대한 뇌의 반응은 세로토닌 수용체(세로토닌에 의해 활성화되는 단백질)의 분포 및 DRN 세로토닌 뉴런의 연결 패턴과 밀접하게 연관되어 있습니다. 수석 저자인 하마다 히로아키(Hiroaki Hamada) 박사는 “우리는 DRN에서 세로토닌 뉴런을 활성화할 때 깨어 있는 상태와 마취 하에서 뇌의 어떤 영역이 활성화되고 비활성화되는지를 고자장 MRI 이미지에서 명확하게 볼 수 있습니다.”라고 말했습니다. “이전 연구에서는 대뇌 피질과 기저핵이 마취 하에서 대부분 비활성화된 것으로 나타났습니다. 그러나 우리는 또한 깨어 있는 상태에서 이러한 영역이 상당히 활성화되는 것을 관찰했습니다.”

우리의 뇌는 뉴런이라고 불리는 수백억 개의 신경 세포로 구성되어 있습니다. 이들 세포는 신경전달물질이라고 불리는 생체분자를 통해 서로 소통합니다. 신경전달물질의 일종인 세로토닌은 우리 뇌의 세로토닌 뉴런에서 생성되며 기억, 수면, 기분과 같은 행동 및 인지 기능에 영향을 미칩니다.

“뇌의 세로토닌 시스템에 대해 배우면 우리가 어떻게 행동에 적응하고 기분 치료 약물이 어떻게 작동하는지 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다. 하지만 DRN의 세로토닌이 뇌 전체에 어떻게 영향을 미치는지 연구하는 것은 어려웠습니다. 첫째, DRN의 전기 자극도 활성화될 수 있기 때문입니다. 세로토닌을 사용하지 않는 뉴런은 서로 통신하며, 둘째, 약물을 사용하면 뇌의 다른 세로토닌에 영향을 미칠 수 있습니다.”라고 OIST 신경 계산 부서의 전 박사 과정 학생이자 이에 대한 논문의 주요 저자인 하마다 히로아키 박사는 설명했습니다. 저널에 발표된 연구 네이처커뮤니케이션즈.

Neural Computation Unit의 연구자들이 수행한 이전 연구에서는 DRN의 세로토닌 뉴런이 미래 보상과 관련된 생쥐의 적응 행동을 촉진하는 것으로 나타났습니다. Hamada 박사와 그의 동료들은 이러한 적응 행동을 유발하는 뇌의 메커니즘을 이해하고 싶었습니다.

“우리는 DRN 세로토닌 활성화가 행동에 강력한 영향을 미친다는 것을 알고 있었지만, 이 세로토닌 활성화가 뇌의 다른 부분에 어떻게 영향을 미치는지는 몰랐습니다.”라고 신경 계산 유닛의 리더인 Kenji Doya 교수는 말했습니다.

DRN 세로토닌 활성화에 대한 뇌 전체의 반응 관찰

연구자들은 이 문제를 해결하기 위해 광기능 MRI라는 새로운 기술을 사용했습니다. 연구진은 광유전학(optogenetics)이라는 방법을 사용해 DRN의 세로토닌 뉴런을 빛으로 선택적으로 활성화시켰고, 기능성 MRI(자기공명영상)를 사용해 뇌 전체의 반응을 관찰했다. 그들은 쥐의 작은 뇌를 연구하는 데 필요한 고해상도를 얻기 위해 강력한 자기장을 갖춘 최신 MRI 스캐너를 활용했습니다. 생쥐를 MRI 스캐너에 넣고 세로토닌 뉴런을 정기적으로 자극하여 이것이 전체 뇌에 어떤 영향을 미치는지 확인했습니다.

그들은 DRN 세로토닌 자극이 많은 인지 기능과 관련된 뇌 영역인 대뇌 피질과 기저핵의 활성화를 유발한다는 것을 발견했습니다. 이 결과는 마취하에 수행된 이전 연구와 매우 달랐습니다. 또한, 세로토닌 자극에 대한 뇌의 반응은 세로토닌 수용체(세로토닌에 의해 활성화되는 단백질)의 분포 및 DRN 세로토닌 뉴런의 연결 패턴과 밀접하게 연관되어 있습니다.

Hamada 박사는 “우리는 깨어 있는 상태와 마취 상태에서 DRN의 세로토닌 뉴런을 활성화할 때 뇌의 어느 영역이 활성화되고 비활성화되는지를 고자기장 MRI 이미지에서 명확하게 볼 수 있습니다”라고 말했습니다. “이전 연구에서는 대뇌 피질과 기저핵이 마취 하에서 대부분 비활성화된 것으로 나타났습니다. 그러나 우리는 또한 깨어 있는 상태에서 이러한 영역이 상당히 활성화되는 것을 관찰했습니다.”

대뇌 피질과 기저핵은 음식과 물과 같은 보상을 얻기 위한 운동 활동과 행동을 포함한 많은 인지 과정에 중요한 뇌의 일부입니다. 따라서 DNR 세로토닌 뉴런의 활성화는 동기와 행동의 변화로 이어질 수 있습니다.

인내심을 갖고 자신의 세로토닌을 자극하십시오.

고전기장 MRI라는 새로운 기술과 광유전학의 결합은 하마다 박사가 극복해야 했던 많은 장애물을 제시했습니다. “우리는 이전에 협력자들이 사용했던 방법을 도입하고 적용했으며 OIST에서 많은 새로운 절차를 확립했습니다. 나에게 가장 큰 도전은 당시 새로운 MRI 기계를 사용하는 것이었기 때문에 인내심을 갖고 내 세로토닌을 자극해야 했습니다. 나는 시작했습니다. 그 뒤로 운동을 많이 한다”고 웃었다.

처음으로 DRN에서 활성화를 본 것은 하마다 박사에게 있어서 가장 놀라운 순간이었습니다. 처음에 그는 동료들이 사용한 것과 동일한 빛의 강도를 사용했지만 MRI에서 뇌 반응을 보기에는 너무 약했습니다. 그런 다음 더 큰 광섬유를 사용하고 강도를 높여 DRN을 자극했습니다.

Doya 교수는 달성해야 할 다음 중요한 이정표는 뇌 전체의 세로토닌 활성화가 어떻게 발생하는지 정확히 이해하는 것이라고 말했습니다. “우리 뇌에서 이러한 활성화를 허용하는 실제 분자 메커니즘이 무엇인지 알아내는 것이 중요합니다. 더 나아지기를 원하는 사람들 다양한 상황에서 행동과 사고를 조정하려면 세로토닌이 기분을 조절하는 데 어떻게 도움이 되는지 자세히 알아보는 것이 도움이 될 수 있습니다.”

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/05/240531122538.htm