정밀성을 갖춘 교환대: 뇌가 움직임을 허가하는 방식

뇌 심부 뉴런은 움직임을 시작하는 데 도움을 줄 뿐만 아니라, 놀라울 정도로 정확하게 움직임을 적극적으로 억제하기도 합니다. 이는 바젤 대학교와 프리드리히 미셔 생의학 연구소(FMI) 연구진이 네이처( Nature ) 저널에 발표한 새로운 연구의 결론입니다. 이 연구 결과는 특히 파킨슨병과 같은 신경 질환을 더 잘 이해하는 데 도움이 될 것입니다.

사과를 집거나 숟가락을 입에 가져가는 것, 겉보기에 단순한 이 동작들은 뇌의 매우 복잡한 과정에 의존합니다. 이러한 조율의 핵심은 기저핵이라는 뇌의 심부 영역입니다. 오랫동안 기저핵의 출력 신호는 주로 브레이크 역할을 하여 원치 않는 행동을 억제하는 것으로 여겨져 왔습니다.

실비아 아버 교수가 이끄는 연구진은 생쥐를 대상으로 기저핵의 특정 뉴런이 특정 움직임을 언제 허용하고 언제 적극적으로 멈출지에 대해 매우 정밀한 결정을 내린다는 것을 보여주었습니다. 이러한 역동적인 신호들이 합쳐져 움직임의 타이밍을 결정합니다.

기저핵: 중앙 스위치보드

이러한 통찰력은 기저핵의 작동 방식에 대한 오랜 모델에 의문을 제기합니다. 전통적인 관점에 따르면, 기저핵은 뇌의 운동 중추를 지속적으로 억제함으로써 움직임을 제어하고, 움직임이 허용될 때만 잠시 "브레이크를 해제"합니다. "하지만 이 모델은 팔과 손의 협응 동작과 같은 복잡한 움직임 측면에서는 크게 부족합니다."라고 아버는 설명합니다.

이 연구는 기저핵의 주요 출력 지점인 소위 흑질 망상부(SNr)에 초점을 맞추고 있습니다. SNr은 뇌간의 운동 중추로 신호를 보냅니다. 연구진은 놀라운 발견을 했습니다. 이 영역의 뉴런들은 단순히 움직임을 억제하기 위해 활성화되는 것이 아니라, 실행되는 움직임에 맞춰 정확하게 타이밍이 맞춰진 매우 역동적인 활동 패턴을 보인다는 것입니다.

복잡한 행동이 일어나는 동안 SNr 뉴런은 활동 증가와 감소 사이를 여러 번 전환하며, 각 뉴런은 고유한 동적 패턴을 가지고 있습니다. 따라서 기저핵의 출력은 복잡한 교차로의 미세 조정된 신호등 시스템과 같이 기능합니다. 각 신호등은 계획된 행동에 따라 특정 움직임에 대해 녹색 또는 빨간색으로 변합니다.

이러한 방식으로, SNr 뉴런이 제공하는 "시작" 및 "정지" 신호의 타이밍에 따라 개별 움직임으로부터 복잡한 행동을 구축할 수 있습니다.

세밀한 움직임 제어

이러한 과정을 연구하기 위해 아버의 박사과정 학생 두 명은 쥐가 먹이 알갱이를 잡으려고 손을 사용할 때 뇌 활동을 기록했습니다. 그들은 개별 SNr 뉴런이 운동 단계에 따라 매우 다르게 반응한다는 것을 발견했습니다.

팔이 닿거나, 손이 잡히거나, 손이 오므라들 때 특정 뉴런의 활동이 증가하는 반면 다른 뉴런은 멈췄습니다.

이 연구의 주저자인 안토니오 팔라스코니와 하쉬 카노디아는 "이러한 신호들이 얼마나 정교하게 조정되는지 놀랍습니다."라고 동의하며, "SNr 뉴런은 매우 특정한 움직임이 있을 때만 활동을 멈추고, 다른 움직임이 있을 때는 활동을 증가시킵니다."라고 덧붙였습니다.

연구진은 광유전학 기술을 사용하여 SNr 뉴런을 조작했습니다. 이 뉴런을 활성화하면 행동이 차단됨을 확인할 수 있었는데, 이는 뉴런의 제어 역할을 명확히 보여주는 사례입니다. 아마도 가장 놀라운 점은, 움직임의 아주 미세한 변화조차도 SNr 신호 전달의 정밀한 조절을 동반한다는 것입니다. 뇌간의 하류 운동 중추는 SNr로 신호를 되돌려 보냄으로써 반응합니다.

따라서 SNr "신호등"이 녹색으로 바뀌면 하류 뉴런은 가속 페달을 밟아 움직임을 실행하게 됩니다. 이는 일반적인 "가기" 또는 "멈추기" 메커니즘보다 훨씬 더 세부적인, 매우 구체적인 움직임 기반 코딩 시스템을 시사합니다.

운동 장애 치료를 위한 새로운 길

이 연구는 뇌가 활성화와 억제의 미세한 상호작용을 통해 미묘한 움직임까지도 어떻게 제어하는지 생생하게 보여주며, 운동 제어에 대한 우리의 이해를 재정립합니다. 이는 중요한 의학적 함의를 지닙니다. 파킨슨병이나 무도병과 같은 질환에서는 이러한 섬세한 균형이 깨져 파킨슨병 환자에게 움직임 시작의 어려움과 같은 특징적인 증상을 유발합니다.

수석 연구원인 아버는 "기저핵이 정상적인 움직임을 어떻게 조절하는지 이해한다면, 이 시스템의 균형이 깨졌을 때 더욱 표적화된 치료법을 개발할 수 있을 것"이라고 설명합니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/05/250528131639.htm