신체 외부에서 발견된 최초의 살아있는 달팽이관은 청력이 실제로 어떻게 작동하는지 보여줍니다.

달팽이관의 생활 환경을 모방하는 데 도움이 되는 특수 설계된 챔버. 사진 제공: 크리스 태거트/록펠러 대학교

2025년 8월 사망 직전, 록펠러 대학교 감각신경과학 연구실의 A. 제임스 허드스페스와 그의 팀은 획기적인 기술 발전을 이루어냈습니다. 바로 달팽이관의 아주 작은 부분을 체외에서도 살아있고 기능적으로 유지할 수 있는 기술입니다. 이 새로운 장치를 통해 그들은 뛰어난 민감도, 정밀한 주파수 조정, 그리고 광범위한 소리 강도를 인코딩하는 능력 등 달팽이관의 놀라운 청각 능력의 생생한 생체 역학을 포착할 수 있었습니다.

허드스페스 연구실의 박사후 연구원이자 공동 제1저자인 프란체스코 지아놀리는 "이제 이전에는 불가능했던 통제된 방식으로 청각 과정의 첫 번째 단계를 관찰할 수 있게 됐습니다."라고 말했습니다.

최근 두 편의 논문(각각 PNAS 와 Hearing Research ) 에 기술된 이 혁신은 허드스페스가 청각의 분자적, 신경적 메커니즘을 밝혀 온 50년 간의 연구의 산물입니다. 이러한 통찰력은 청력 손실을 예방하거나 되돌리는 새로운 길을 밝혀냈습니다.

이러한 발전을 통해 연구진은 동물계 전반의 청력을 지배하는 통합된 생물물리학적 원리에 대한 직접적인 증거를 제공했습니다. 허드스페스는 이 주제를 25년 이상 연구했습니다.

"이 연구는 걸작입니다." 록펠러 대학 통합 신경과학 연구소 소장이자 허드스페스의 중요한 연구 중 일부를 공동 연구한 생물물리학자 마르셀로 마그나스코의 말이다. "생물물리학 분야에서 지난 5년간 가장 인상적인 실험 중 하나입니다."

청력의 역학

달팽이관은 진화적 공학의 경이로움이지만, 그 근본적인 메커니즘 중 일부는 오랫동안 베일에 가려져 있었습니다. 신체에서 가장 밀도가 높은 뼈에 내장되어 있는 이 기관은 매우 취약하고 접근하기 어려워서 실제 작동 방식을 연구하기가 어려웠습니다.

이러한 어려움은 오랫동안 청각 연구자들을 좌절시켜 왔습니다. 대부분의 청력 손실은 달팽이관 내벽에 있는 유모세포라는 감각 수용체의 손상으로 발생하기 때문입니다. 달팽이관에는 약 16,000개의 유모세포가 있는데, 각 유모세포 위에 수백 개의 미세한 "촉각", 즉 부동섬모가 있어 유모세포라고 불립니다. 초기 현미경 학자들은 이를 머리카락에 비유했습니다. 각 유모세포는 소리의 진동을 증폭하고 전기적 반응으로 변환하는 조율된 기계이며, 뇌는 이를 해석할 수 있습니다.

곤충과 비척추동물(허드스페스 연구실에서 연구하는 황소개구리 등)에서 호프 분기(Hopf bifurcation)라는 생물물리학적 현상이 청각 과정에 핵심적인 역할을 한다는 것은 잘 알려져 있습니다. 호프 분기는 완전한 정지와 진동 사이의 전환점인 일종의 기계적 불안정성을 설명합니다. 이 칼날 같은 경계에서는 아주 미세한 소리조차도 청각 시스템을 움직여, 평소에는 감지할 수 없었던 약한 신호를 훨씬 뛰어넘는 수준으로 증폭시킬 수 있습니다.

황소개구리 달팽이관의 경우, 불안정성은 감각 유모세포 다발에 있는데, 이 세포들은 항상 들어오는 음파를 감지하도록 활성화되어 있습니다. 음파가 닿으면 유모세포가 움직여 소리를 증폭시키는데, 이를 능동적 과정이라고 합니다.

허드스페스는 마그나스코와 협력하여 1998년에 개구리 달팽이관에 호프 분기가 존재한다는 사실을 기록했습니다. 포유류 달팽이관에 호프 분기가 존재하는지는 그 이후로 이 분야에서 논쟁의 대상이 되어 왔습니다.

그 질문에 답하기 위해 허드스페스의 팀은 포유류 달팽이관의 활동 과정을 실시간으로, 그 어느 때보다 더 자세하게 관찰해야 한다고 결정했습니다.

나선형의 조각

이를 위해 연구진은 사람과 비슷한 청력 범위를 가진 저빌의 달팽이관을 연구했습니다. 연구진은 달팽이관에서 중간 주파수 대역을 감지하는 부위인 감각 기관에서 0.5mm 이하의 작은 조각들을 잘라냈습니다. 저빌의 청력은 성숙했지만 달팽이관이 고밀도 측두골에 완전히 융합되지 않은 발달 단계에 맞춰 잘라냈습니다.

그들은 감각 조직의 생활 환경을 재현하도록 설계된 챔버 안에 조직 조각을 넣었는데, 여기에는 내림프와 외림프라고 불리는 영양분이 풍부한 액체에 지속적으로 담가두는 동시에 조직의 본래 온도와 전압을 유지하는 것이 포함되었습니다. 이 맞춤형 장치 개발의 핵심은 허드스페스 연구실의 연구 전문가인 브라이언 파벨라와 록펠러 대학 그루스 리퍼 정밀 계측 기술 리소스 센터의 계측 엔지니어인 니콜라스 벨렌코였습니다.

그런 다음 그들은 작은 스피커를 통해 소리를 재생하고 반응을 관찰했습니다.

생물물리학적 원리를 발견하다

그들이 목격한 과정 중에는 머리카락 뭉치의 이온 채널이 열리고 닫히면서 소리로 구동되는 진동에 에너지가 추가되어 증폭되는 과정과, 전기 운동성이라는 과정을 통해 외부 털 세포가 전압 변화에 반응하여 길어지고 수축되는 과정이 있었습니다.

지아놀리는 "우리는 조직의 각 부분이 세포 내 수준에서 어떤 작용을 하는지 아주 자세하게 볼 수 있었습니다."라고 말했습니다.

"이 실험은 매우 높은 수준의 정밀성과 섬세함을 요구했습니다."라고 마그나스코는 지적합니다. "기계적 취약성과 전기화학적 취약성이 모두 걸려 있습니다."

중요한 점은, 이 활성 과정의 핵심이 실제로 호프 분기(Hopf bifurcation)라는 것을 관찰했다는 것입니다. 호프 분기는 기계적 불안정성을 소리 증폭으로 전환시키는 전환점입니다. "이는 포유류의 청각 메커니즘이 생물권 전반에서 관찰된 것과 매우 유사함을 보여줍니다."라고 연구실의 공동 제1저자이자 연구원인 호드리고 알론소는 말합니다.

미래의 치료로 이어질 수 있는 장치

과학자들은 생체 내 달팽이관을 이용한 실험을 통해 청력에 대한 이해가 향상되고 더 나은 치료법을 개발할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.

알론소는 "예를 들어, 이제 우리는 특정 세포나 세포 상호작용에 초점을 맞추는 등 이전에는 불가능했던 매우 집중적인 방식으로 시스템을 약리학적으로 교란시킬 수 있게 될 것입니다."라고 말했습니다.

이 분야에는 새로운 잠재적 치료법에 대한 수요가 매우 높습니다. 지아놀리는 "지금까지 감각신경성 청력 상실 환자의 청력 회복을 위해 승인된 약물은 없습니다. 그 이유 중 하나는 청력의 능동적 과정에 대한 기전적 이해가 아직 불완전하기 때문입니다."라고 말합니다. "하지만 이제 우리는 이 시스템이 어떻게 작동하는지, 그리고 언제 어떻게 작동하는지 이해하는 데 사용할 수 있는 도구를 갖게 되었고, 더 늦기 전에 개입할 방법을 생각해 낼 수 있기를 바랍니다."

허드스페스는 그 결과에 매우 만족했다고 마그나스코는 덧붙였다. "짐은 20년 넘게 이 일을 해왔고, 그의 놀라운 경력에 걸맞은 최고의 업적입니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/09/250929055003.htm