‘내몸 안의 GPS’ 신경세포 발견하다 -노벨생리의학상

그림으로 보는 2014 노벨생리의학상

장소 인지하고 자기좌표 파악하는 신경세포를 발견한

영국 오키드, 노르웨이 모세르 부부 등 3인 수상 영예


"길찾기 능한 택시 운전사의 해마는 좀더 발달"

00gpscell0.jpg » 영국의 존 오키프(75) 교수와 부부 과학자인 노르웨이의 에드바르 모세르(52), 마이브리트 모세르(51) 교수(왼쪽부터). 출처/ 노벨위원회



2014년 노벨 생리의학상 수상자로는 자신이 어디에 있는지 지각하는 뇌의 신경세포와 그 위치확인 메커니즘을 발견한 영국의 존 오키프(John O’Keefe, 75) 교수와, 노르웨이의 부부 과학자 마이브리트 모세르(May-Britt Moser, 51), 에드바르 모세르(Edvard Moser, 52) 교수 등 3명이 선정됐다. 노벨 생리의학상 수상자를 선정하는 스웨덴 카롤린스카의대 노벨위원회는 6일 이른바 ‘몸 안의 지피에스(GPS, 지구 위치확인 서비스)’로 비유되는 뇌의 위치확인 시스템을 발견한 공로로 세 사람을 수상자로 선정했다고 밝혔다.


노벨위원회의 발표 자료를 보면, 미국·영국 이중국적을 지닌 존 오키프 교수(영국 유니버시티칼리지 런던)는 1960년대 후반부터 실험 쥐가 자기 위치를 인지할 때 뇌에선 어떤 일이 일어나는지 밝히고자 실험용 쥐를 대상으로 신경생리학 실험을 해왔다. 쥐 뇌의 신경세포들에 전극을 꼽아 일정한 공간 안에서 자유로이 움직이는 쥐의 뇌에서 나오는 미세한 전기 신호를 측정·관찰했다. 1971년은 발견의 해였다. 그해 그는 쥐가 공간 안에서 특정한 장소에 다다를 때에 특정한 신경세포가 활성화(발화)하며, 다른 장소에서는 다른 신경세포가 활성화하는 매우 독특한 현상을 확인해, 과학저널 <브레인 리서치(Brain Research)>에 논문을 발표했다. 그 신경세포들은 해마의 특정 부분에 몰려 있었으며, 이 세포들이 이른바 ‘공간 지도’를 그리는 구실을 한다는 학설을 제시했다. 그는 해마에 있는 이 신경세포들에 ‘위치 세포(place cell, 장소 세포)’라는 이름을 붙였다.


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오른쪽 쥐의 그림은 위치 세포(place cell, 장소 세포)가 있는 쥐 뇌의 해마 부위를 보여준다. 왼쪽 그림의 회색 사각 공간은 실험쥐가 자유로이 오가는 빈 공간을 보여준다. 쥐가 이런 환경에서 특정한 지점에 도달했을 때에 특정한 위치 세포가 활성화한다. 왼쪽 그림에서 선들은 쥐가 움직인 경로를 보여주며 점들은 공간 내에서 쥐의 위치 세포가 활성화할 때에 쥐가 있는 지점을 나타낸다. 다른 장소에서는 다른 장소 세포들이 활성화한다. 오키프 교수는 1971년 이런 세포들을 발견해 '위치 세포'라고 명명했다. 출처/ 노벨위원회


'위치 세포'의 발견은 다른 연구자들의 여러 후속 연구를 거치다가 30여 년 뒤인 2000년대 중반에 이르러 노르웨이 신경과학자인 모세르 부부 교수(노르웨이과학기술대학교)가 몸 안의 위치확인 시스템으로 작동하는 다른 신경세포를 찾아내면서 더욱 빛을 발했다. 이들은 위치 세포가 있는 해마 부근에서도 공간 인지 기능을 하는 어떤 신호가 나온다는 것을 알고서, 그 정체를 찾아내고자 실험 쥐를 대상으로 신경생리학 실험을 거듭했다. 2004년과 2005년에, 이들은 해마에 인접한 내후각피질(entorhinal cortex) 안의 신경세포들에서 쥐가 특정한 위치를 지나갈 때마다 활성화하는 신경세포들과 그 활성화의 패턴을 찾아냈다. 독특하게도 이런 세포의 활성화는 공간에서 육각형 격자 구조의 패턴을 이루며 나타났다. 부부 과학자는 일종의 내비게이션 구실을 하는 이 신경세포들에 ’격자 세포(grid cell)’라는 이름을 붙였다.


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오른쪽의 쥐 그림은 격자 세포(grid cell)가 있는 쥐의 내후각피질 부위(파란색)를 보여준다. 해마에 인접해 있다. 쥐가 빈 공간에서 특정 지점들에 이르렀을 때 하나의 격자 세포가 활성화한다. 격자 세포의 활성화가 일어나는 지점들을 공간에 표시해보면, 격자 세포의 활성화는 공간에서 육각형 구조의 패턴으로 활성화하는 것으로 나타난다. 노르웨이 모세르 부부 과학자가 2005년에 발견해 이 세포들에 '격자 세포'라는 이름을 붙였다. 이 격자 세포들이 집단으로 작동함으로써 공간 내비게이션이 가능한 공조 시스템을 형성한다.  출처/ 노벨위원회


자 세포가 활성화할 때 육각형 패턴이 나타난다는 것은 대체 어떤 의미일까? 이 분야를 연구하는 카이스트 정민환 교수의 시스템신경과학연구소의 한 연구원한테 물어 간략한 설명을 들을 수 있었다. 아래는 그 설명을 재구성해 정리한 것이다.


“위치 세포라는 건 특정한 장소에 갔을 때 발화(활성화)하는 세포를 말합니다. 특정한 지점인 어떤 책상 앞에 가면 발화하는 식이지요. 격자 세포는 좀 복잡합니다. 실험 쥐가 자유 공간에서 오갈 때 이 격자 세포들이 발화하는 패턴이 그 공간에서 육각형 패턴으로 나타난다는 거지요. 정확한 비유는 아니자만, 위치 세포는 책상 앞이라는 장소에 대응하는데 격자 세포는 책상 앞에 오면 전후좌우 공간을 함께 인지하면서 자신의 위치를 파악하도록 한다는 겁니다. 격자 세포가 뇌 안에서 육각형 격자 구조를 이루고 있다는 의미는 전혀 아니고요. 실험쥐의 격자 세포가 어떤 공간에서 발화하는 지점들을 표시해보니 신기하게도 육각형 패턴이 나타난다는 겁니다(위 그림 왼쪽 참조). 왜 육각형 패턴인지는 설명하기 힘들지만, 그런 독특한 패턴이 나타나는 것은 사실입니다. 아마도 이는 자기 위치를 파악하는 방식인데, 일종의 육각형 패턴의 좌표에서 자기 위치를 파악하는 방식이 아닌가 합니다. 그래서 격자 세포는 일종의 내비게이션 기능과도 관련이 있다는 것이지요.”


우리는 알게 모르게 보이지 않는 육각형 좌표를 그리며 그 좌표 안에서 자신의 위치를 파악하는 것일까? 


노벨위원회의 발표 자료는 수상자인 세 사람 외의 많은 연구자들이 이 분야에서 많은 업적을 이뤄냈다고 전했다. 자료를 보면, 지금까지 장소 세포나 격자 세포 말고도 바라보는 전방위의 방향과 관련한 머리방향 세포(head-direction cell), 막힌 벽이나 경계를 인지하고 처리하는 경계 세포(border cell) 등을 발견했으며, 쥐뿐 아니라 여러 다른 동물과 사람한테서도 위치 세포와 격자 세포가 공간 인지와 에피소드 기억 등에 관여한다는 사실을 밝혀냈다.


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쥐의 해마에 있는 위치 세포(노란색)와 내후각피질에 있는 격자 세포(파란색)와, 이 세포들의 상호작용으로 공간 인지가 생겨나는 과정을 보여주는 그림(가운데 그림). 위치 세포의 활성은 격자 세포의 활성에 의해 일어나는  상호관계를 이루는 것으로 밝혀지고 있다. 포유류 동물인 쥐의 뇌에서 확인된 위치세포와 격자세포의 위치확인 시스템은 인간의 공간 인지 시스템에서 비슷하게 구현된다. 일종의 '내 몸 안의 지피에스(GPS)'인 셈이다. 출처/ 노벨위원회


30여 년 시차를 둔 세 수상자들의 두 가지 발견을 종합하면, 장소 세포와 격자 세포는 뇌에서 인접한 곳에 있으면서, 포유류 동물이 지금 어느 곳에 있는지 자신의 위치를 인지해 처리하고, 예전에 오갔던 공간과 에피소드를 기억하는 위치 확인 시스템과 공간 기억 저장소의 역할을 하는 것으로 밝혀졌다.


찾기에 숙련된 택시 운전사의 뇌에서 해마 부위가 발달한 것은 이런 이유 때문인 것으로 설명된다.


“아마도 이는 택시 운전사의 해마가 발달한 이유와도 관련될 것이다. 지도 없이 도시 안 수천 곳 사이에서 길을 찾아가는 방법을 배우는 영국 런던 택시 운전사가 한 해 동안 길 찾기 훈련을 하면서 그의 해마가 커졌으며, 훈련 이후에 그 택시 운전사가 다른 이들에 비해 눈에 띄게 더 큰 부피의 해마를 지니게 되었다는 발견은 이와 연관될 것이다.”(노벨위원회 자료에서)


특히나, 수상자들의 연구 업적은 신경세포들이 각자 홀로 작동하는 게 아니라 어떻게 서로 다른 세포들이 어울려 조합과 연결망을 이루며 활성화하느냐에 따라 더 높은 인지 기능을 수행할 수 있음을 보여주었다고 노벨위원회는 평가했다. 이번 발견의 의미를 노벨위원회는 다음과 같이 정리했다.


“존 오키프와 마이브리트 모세르, 에드바르 모세르의 뇌 안 위치확인 시스템 발견은 특화한 세포들의 앙상블이 어떻게 함께 작동해 더 높은 인지 기능을 수행하는지에 관한 우리의 이해에 패러다임 전환을 가져다주었다. 인간을 비롯해 여러 포유류에서 발견된 격자-위치 세포 시스템들에 관한 새로운 연구를 크게 증진했다. 내비게이션 시스템 연구는 인지 과정이 뇌에서 어떻게 연산처리되는지 연구하는 데 새로운 길을 열어주었다.”(노벨위원회 자료 중 ‘결론’)


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오철우 기자 cheolwoo@hani.co.kr

@한겨레 과학웹진 사이언스온



[최근 노벨 생리의학상]


2013년

“분자물질 정확한 수송 시스템” 노벨생리의학상

http://scienceon.hani.co.kr/124422


2012년

‘세포분화 운명의 시계 되돌리다’ 노벨생리의학상

http://scienceon.hani.co.kr/61196


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오철우 한겨레신문사 과학담당 기자, 사이언스온 운영
1990년 한겨레신문사에 입사해 편집부, 사회부, 문화부, 생활과학부 등을 거쳤으며 주로 과학담당 기자로 일했다. <과학의 수사학>, <과학의 언어>, <온도계의 철학> 등을 번역했으며, <갈릴레오의 두 우주체제에 관한 대화>를 썼다.
이메일 : cheolwoo@hani.co.kr      

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