과학자들이 십대 청소년의 뇌에서 숨겨진 시냅스 활성 부위를 발견했습니다.

이 이미지는 빽빽하게 밀집된 수상돌기 가시를 보여줍니다. 규슈 대학의 연구진은 청소년기에 형성되는, 이전에는 알려지지 않았던 시냅스 "핫스팟"을 발견했으며, 이는 청소년기 뇌 발달이 주로 시냅스 가지치기에 의해 이루어진다는 기존의 견해에 이의를 제기합니다. 사진 제공: 이마이 타케시 / 규슈 대학

청소년기는 사회적, 신체적 성장뿐 아니라 뇌 발달에도 있어 매우 중요한 시기입니다. 이 시기에는 계획, 추론, 의사 결정과 같은 고도의 정신 능력이 계속해서 성숙해집니다. 하지만 과학자들은 이 중요한 시기에 뇌의 복잡한 신경망이 어떻게 형성되는지에 대해서는 아직 완전히 이해하지 못하고 있습니다.

뇌 발달의 핵심에는 시냅스가 있습니다. 시냅스는 뉴런 사이의 기능적 연결을 통해 뇌 전체에 정보가 흐르도록 합니다. 수십 년 동안 연구자들은 시냅스 수가 아동기에 꾸준히 증가하다가 청소년기에 감소한다고 믿었습니다. 이러한 생각은 약하거나 사용되지 않는 연결을 제거하는 과정인 "시냅스 가지치기"가 과도하여 신경정신 질환을 유발할 수 있다는 이론으로 이어졌고, 이는 널리 받아들여지고 있습니다. 환각, 망상, 비조직적인 사고 등을 동반하는 조현병은 이러한 시냅스 가지치기 기전과 관련이 있는 것으로 여겨져 왔습니다.

새로운 연구 결과가 오랜 이론에 이의를 제기합니다

규슈 대학의 과학자 팀이 오랫동안 통용되어 온 이러한 견해에 의문을 제기하는 증거를 발견했습니다. 1월 14일 ' 사이언스 어드밴스(Science Advances) '에 발표된 연구에서 연구팀은 청소년의 뇌가 단순히 기존 연결을 없애는 것이 아니라, 발달 과정의 특정 단계에서 뉴런의 특정 부위에 새로운 시냅스들이 촘촘하게 모여 있는 덩어리를 생성한다는 사실을 밝혀냈습니다.

규슈대학교 의학부의 이마이 다케시 교수는 "처음부터 뇌 질환을 연구하려던 것은 아니었습니다."라고 말합니다. "2016년에 고해상도 시냅스 분석 도구를 개발한 후, 호기심에 쥐의 대뇌 피질을 관찰하게 되었습니다. 신경 세포 구조의 아름다움에 감탄했을 뿐만 아니라, 이전에는 알려지지 않았던 수상돌기 가시(흥분성 시냅스가 형성되는 수상돌기의 미세한 돌출부)의 고밀도 영역을 발견하고 놀랐습니다."

핵심 뇌층을 확대해서 살펴보기

대뇌 피질은 서로 협력하여 매우 복잡한 신경 회로를 형성하는 6개의 층으로 구성되어 있습니다. 이마이와 그의 동료들은 여러 출처에서 정보를 수집하고 피질의 최종 출력으로 신호를 외부로 보내는 5층의 뉴런에 초점을 맞췄습니다. 이러한 역할 때문에 이 뉴런들은 뇌가 정보를 처리하는 방식을 제어하는 ​​중심점 역할을 합니다.

이 세포들을 자세히 연구하기 위해 연구팀은 이마이 연구팀이 개발한 조직 투명화제인 SeeDB2와 초고해상도 현미경을 사용했습니다. 이러한 조합을 통해 연구원들은 투명한 뇌 조직을 관찰하고 5층 뉴런 전체에 걸쳐 수상돌기 가시를 처음으로 매핑할 수 있었습니다.

청소년기에 나타나는 시냅스 핫스팟

상세한 분석 결과 예상치 못한 패턴이 드러났습니다. 수상돌기의 특정 부분에 수상돌기 가시가 비정상적으로 밀집되어 있었는데, 연구진은 이를 "핫스팟"이라고 명명했습니다. 추가 분석 결과, 이 핫스팟은 유아기에는 존재하지 않고 청소년기에 나타나는 것으로 밝혀졌습니다.

이러한 변화가 언제 발생하는지 정확히 파악하기 위해 연구팀은 여러 발달 단계에 걸쳐 수상돌기 분포를 추적했습니다. 생후 2주 된 쥐, 즉 젖을 떼기 전에는 수상돌기가 뉴런 전체에 비교적 고르게 분포되어 있었습니다. 생후 3주에서 8주 사이, 즉 유아기부터 청소년기에 이르는 기간 동안 수상돌기 끝부분의 특정 부위에서 수상돌기 밀도가 급격히 증가했습니다. 시간이 지남에 따라 이러한 국소적인 성장은 밀집된 시냅스 핫스팟을 형성하게 되었습니다.

이마이 교수는 "이러한 연구 결과는 오랫동안 확립되어 온 '청소년기 시냅스 가지치기' 가설을 재고할 필요가 있음을 시사한다"고 말했습니다.

정신분열증 및 뇌 질환 관련 링크

이번 발견은 특정 뇌 질환의 발병 기전을 설명하는 데에도 도움이 될 수 있습니다. "시냅스 가지치기는 수상돌기 전체에 걸쳐 광범위하게 일어나지만, 시냅스 형성은 청소년기 대뇌 피질 발달 과정에서 특정 수상돌기 구획에서도 일어납니다. 이 과정의 교란이 적어도 일부 유형의 정신분열증의 핵심 요인일 수 있습니다."라고 이번 연구의 제1저자이자 연구 당시 규슈대학교 의과대학원 대학원생이었던 료 에가시라는 말합니다.

이 가설을 검증하기 위해 연구진은 Setd1a, Hivep2, Grin1을 포함한 정신분열증 관련 유전자에 돌연변이가 있는 쥐를 조사했습니다. 초기 발달은 정상적으로 진행되어 생후 2~3주까지는 정상적인 수상돌기 밀도를 보였습니다. 그러나 사춘기에 접어들면서 시냅스 형성이 현저히 감소하여 신경 세포 밀집 부위가 제대로 발달하지 못했습니다.

오랫동안 정신분열증은 주로 과도한 시냅스 손실로 인한 질환으로 여겨져 왔습니다. 이번 연구 결과는 청소년기에 새로운 시냅스를 형성하는 데 문제가 생기는 것이 중요한 역할을 할 수 있다는 다른 가능성을 제시합니다. 하지만 연구진은 이번 연구가 쥐만을 대상으로 진행되었으며, 영장류나 인간에게서도 동일한 과정이 일어나는지는 아직 불확실하다고 강조했습니다.

뇌 발달 연구의 미래 전망

이마이 교수는 "앞으로 청소년기에 어떤 뇌 영역에서 이러한 새로운 시냅스 연결이 형성되는지 밝혀내고자 합니다."라고 말했습니다. "이를 통해 이 발달 시기에 실제로 어떤 신경 회로가 형성되는지 알 수 있을 것입니다. 이러한 연결이 언제 어떻게 형성되는지 이해하는 것은 뇌 발달과 신경정신 질환의 기저 메커니즘에 대한 우리의 지식을 발전시키는 데 도움이 될 것입니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2026/01/260116085131.htm